从细菌的生化特性看生物脱氮与生物除磷的关系罗宁

第25卷第5期重庆环境科学2003年5月从细菌的生化特性看生物脱氮与生物除磷的关系罗宁,罗固源,许晓毅(重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆4。。。45)摘要:目前一般的污水生物脱氮除磷机理认为生物反硝化脱氮与生物除磷是两个相互独立、相互竞争的生理过程,并且以这两个生理过程区分反硝化菌和聚磷菌。对生物脱氮除磷工艺中的细菌组成和生化特性的研究发现:硝酸盐还原性和超量吸磷只是两种并不冲突的细菌的生化特性,生物脱氮与生物除磷可以相互结合。即同时拥有这两种生化特性的细菌可以同时进行反硝化吸磷和脱氮生化反应。关键词:脱氮除磷;反硝化除磷;反硝化聚磷菌中图分类号:X172文献标识码:A文章编号:1001一2141(2003)05一0033一03目前认为生物脱氮除磷工艺中脱氮和除磷是两个不同的生化机理,聚磷菌与反硝化菌因竞争快速降解有机碳而相互抑制,影响了污水脱氮除磷的效果。为此,人们开发了不同的工艺,但终因基于目前的生物脱氮和除磷机理的局限而不能从根本上解决这一难题。这实际上是微生物的生化特性的问题,因此需要从生物脱氮和生物除磷系统中的细菌的生化特性人手进行研究。单胞菌属等才是主要的反硝化菌。对于聚磷菌,早期研究者认为属于不动杆菌属,但后期研究者认为属于莫拉氏菌属、假单胞菌属、气单胞菌属等。由于反硝化菌和聚磷菌这两类微生物的界定是按硝酸盐还原和超量聚磷这两个生物化学过程来的,所以要真正界定反硝化菌和聚磷菌宜于从细菌的生化特性入手进行研究。l反硝化菌和聚磷菌的定义在现有的细菌分类系统中既没有反硝化菌和聚磷菌这两类细菌名称,也没有这两类细菌的鉴别方法川川。所谓的反硝化菌和聚磷菌,只是从工程的角度在污水生物脱氮除磷研究中对微生物的一种界定川:将在缺氧(不存在分子态溶解氧)条件下,将NO:一N和NO3一N还原成气态氮(NZ)或NZO、NO的一类异养性细菌称为反硝化菌;将厌氧/好氧交替运行导致厌氧释磷、好氧超量吸磷的一类异养性细菌称为聚磷菌。目前的污水生物脱氮和除磷机理认为生物反硝化脱氮与生物除磷是由这两类不同的细菌所实现的相互独立、相互竞争的生理过程。在实际研究过程中,何为反硝化菌,何为聚磷菌,不同的研究者有不同论点。有研究者认为反硝化菌包括变形杆菌、微球菌属、芽抱杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等,但也有研究认为莫拉氏菌属、假单胞菌属、气2活性污泥中细菌的组成及主要生化特性已有的研究表明〔3一6〕,虽然生物脱氮除磷工艺、进水水质和运行条件千差万别,但其活性污泥混合液中主要的菌属基本上都包括:假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌、气单胞菌属、不动杆菌属、棒状杆菌属、链球菌属、肠球菌属、葡萄球菌、微球菌属等,只是不同工艺、进水水质和运行条件等导致优势菌种和数量有所不同而已。将这些菌属的主要生化特性鉴别列于表收稿日期:2002一05一20作者简介:罗宁(1971一),男,四川隆昌县人,重庆大学城市建设与环境工程学院博士生,研究方向为生物脱氮除磷。基金项目:国家科技攻关项目(200lBA604A01)将假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌、气单胞菌属、不动杆菌属和棒状杆菌属分别在富含磷的液体培养基进行纯培养后,对处于代谢旺盛期的细菌分别进行类脂粒(PHB)染色和异染颗粒(Poly一P)染色,结果表明:这六类菌属菌体内都含有异染颗粒或聚一p一经基丁酸颗粒,可作为聚磷菌通过超量吸磷进行生物除磷。国内外许多类似的研究也证明了这六类菌属可作为聚磷菌生物除磷。结合表1细菌的硝酸盐还原性和异染颗粒染色试验研究结果,可知:硝酸盐还原性和菌体内含有异染颗粒或聚一日一经基丁酸颗粒只是两种并不冲突的细菌的生化特性,某种细菌既可单独拥有其中一种生化特重庆环境科学25卷表l细菌鉴别的主要生化特性川川属一+V测试项目假单胞菌属莫拉氏菌属肠杆菌科气单胞菌属不动杆菌属棒状杆菌属链球菌肠球菌葡萄球微球菌星十蔓十通十Vd+++f十十NDNDVf++++f十十++kDDDNDDNNDNNN+ND十ND一ND,,,棒卜卜MMNI+托状k十ND二阳ND+Vd一++一十f+NDvNDv+NDND++++k十ND一Nl)ND+革兰氏染色动力氧化酶硝酸盐还原葡萄糖代谢触酶6.5%NaCI叼!噪月旦汁七叶昔肌醇异染颗粒细胞形态中球杆多为小球杆中球杆中球杆中球杆球形,成对或链状球形,成双或短链状球形,成对或成堆球形,成对或成簇菌落特征中等大小针尖大小中等大小中等大小中等大小中等大小针尖大小小菌落,光滑湿润中等大小,有白、黄、奶酪色中等大小,有黄色注:+,)90%菌株为阳性;一,)90%菌株为阴性;d,n一89%菌株为阳性;V,种间不定的反应;ND,未测出;K,产碱;f,发酵。性,也可同时拥有这两种生化特性。因此,可将与生物象川。脱氮除磷密切相关的细菌分为三类:本研究小组基于反硝化聚磷菌DPB的生化特性,2.1好氧聚磷菌APB提出了双泥生物反硝化除磷脱氮试验工艺。该工艺由菌体内含有异染颗粒或聚一俘一经基丁酸颗粒,以两个反应器组成,第一反应器叫ZA/o一sBR及硝酸盐还原性为阴性,不能进行反硝化脱氮,但能厌(anaerobic一anoxiC一aerobieSBR),其主要功能是去氧释磷、好氧超量吸磷的细菌称为好氧聚磷菌APB。除COD和缺氧反硝化吸磷脱氮;第二反应器叫N一这类细菌包括:不动杆菌属和部分棒状杆菌属等。SBR(nitirifcaiton一SBR),其功能则主要是硝化作用。2.2专职反硝化菌DB这两个反应器的活性污泥是完全分开的,只有沉淀上硝酸盐还原性为阳性,进行反硝化脱氮,但菌体内清液相互交换。整个工艺流程如图1(A,B)所示。不含有异染颗粒或聚一日一轻基丁酸颗粒,不能厌氧释磷、好氧超量吸磷的细菌称为专职反硝化菌DB。这类细菌包括:葡萄球菌属和部分微球菌属等。2.3反硝化聚磷菌DPB硝酸盐还原性为阳性,且菌体内含有异染颗粒或聚一俘一经基丁酸颗粒,既能反硝化脱氮又能厌氧释磷、在好氧(02)或缺氧(NO3一)状况下超量吸磷的细菌称为反硝化聚磷菌DPB。这类细菌包括:假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌、气单胞菌属和部分棒状杆菌属等。排泥汇~燮创坚鹭换水图IA/A/O十NSBR双泥反硝和磷脱氮工艺3缺氧反硝化吸磷脱氮工艺试验细菌生化试验研究中发现聚磷菌和反硝化菌这两类具有不同生化特性的微生物之间可能交叉,且在现有的污水生物脱氮除磷工艺实际运行中也发现了缺氧反硝化吸磷脱氮现象。如中国市政工程华北设计院(1987)在AZ/O工艺的中试研究中观测到缺氧区出现反硝化吸磷脱氮现象。国外较流行的UCT生物除磷脱氮工艺在缺氧区也出现明显的反硝化吸磷脱氮现在ZA/O一SBR反应器的缺氧段发生缺氧反硝化吸磷脱氮反应,污水中80%以上的TP,90%以上的NO3一N在此被缺氧反硝化吸磷去除,工艺最终出水COD约为14mg/L,TP0.smg/l,NO3一N10mgl/,不含NH。一N,达到污水综合排放一级标准(GB8978一1996)。取ZA/O一SBR反应器内的活性污泥混合液进行细胞分离得96株纯菌,鉴别结果见表2。5期罗宁等:从细菌的生化特性看生物脱氮与生物除磷的关系35表2ZA/0一SBR反应器稳定运行期活性污泥混合液中主要细菌组成菌名假单胞菌属莫拉氏菌属肠杆菌气单胞菌属不动杆菌属链球菌属肠球菌属葡萄球菌微球菌属未鉴定出的菌数量(株)百分比(%)2;21:515.1;21;2科一巧4结论综上所述:硝酸盐还原性和超量吸磷只是两种并5不冲突的细菌的生化特性,某种细菌既可单独拥有其1中一种生化特性,也可同时拥有这两种生化特性。因此,反硝化菌和聚磷菌之间并无严格区分,可相互交」2叉,其交叉点是反硝化聚磷菌DPB。由细菌完成的生3物脱氮与生物除磷是两个既相对独立又相互交叉的生理过程,其交叉点是同时拥有硝酸盐还原性和超量吸4磷这两种生化特性的细菌(DPB)进行的反硝化吸磷脱氮生化反应(见图2)。5生物脱氮生物除磷6缺氧反硝化脱氮(DB)缺氧反硝化吸磷(DPB)好氧超量几磷(APB)参考文献东秀珠,蔡妙英编著.常见细菌系统鉴定手册.北京:科学出版社,2001俞树荣.微生物学和微生物学检验.北京:人民卫生出版社,1999年2版.郑兴灿.李亚新编著.污水除磷脱氮技术.北京:中国建筑工业出版社,1998·周岳溪,钱易,顾夏声.废水生物除磷机理的研究.环境科学,1992,13(4):1一4.朱怀兰等.SBR除磷系统中的积磷细菌.上海环境科学,1994,(4):16~18.HaseoetMCetal.Wat.Sei.Teeh.1985,17(11/12):23.T.Kuba.OeeureneedenitrfyingphosphorusremovingbaeteriainmodifiedUCT一typewastewatertreatmentplants.Wat.Res.1997,31(4):777~786.图2生物除磷与生物脱氮的关系(上接第3z页)FeZ++HZO:~Fe3++·OH+OH一(1)FeZ++HZOZ~Fe3++OH一(2)Fe3+一十HZO:~Fez++HO:·+H一(3)HZO·十HZOZ~02+HZO+·OH(4)RH+·OH~R·+HZO(5)R·+Fe3+~R·+FeZ一(6)R·+02~ROO十~……~C02+H20(7)FeZ+与HZOZ间反应很快,生成氧化能力很强的·OH游离基,有三价铁共存时,由于Fe3+与HZOZ反应缓慢地生成Fe“+,接着Fe’+再与HZO:迅速反应,生成·OH,·OH与有机物RH反应生成有机游离基R·,R·进一步氧化,最终使有机物结构发生碳链裂变,氧化为CO:和HZO,从而使废水COcDr值大大降低。3.3pH值以及氧化反应时间对络合铜废水COcDr及Cu’+去除率影响我们仍然取等量l000ml络合铜废水进行实验,保持其它最佳反应条件不变,分别通过改变反应的pH值及氧化反应时间来观察对CODcr及Cu“+去除率的影响,结果发现:pH一3,反应时间h1为最佳反应条件4结论4.1HZOZ/FeZ+构成的氧化体系能对络合铜废水中的络合剂起到很好的破坏作用,从而降低废水的COcDr值,并且使络合态铜离子变成游离态再通过中和共沉淀而得到分离。4.2HZOZ、FeSO;投加量,反应时间及pH值等是该预处理方法的主要影响因素。4参考文献1中国科学院生态环境研究中心,化学氧化技术在水处理过程中的应用与发展,2002/99/.2孟祥和,胡国飞.重金属废水处理[M」,北京:化学工业出版社,2002.3沈品华,屠振密.电镀锌及锌合金,机械工业出版社,2002.4赵德明等.Fnton试剂氧化法预处理对氯硝基苯废水的研究,环境技术,2002·5周晓明等.镍一钨退镀液处理工艺研究,深圳市第七届环境科学学术交流会论文集,2002.6米永红等.Fnton试剂对乳化废水处理,深圳市第七届环境科学学术交流会论文集,2002.Vol.25,No.5ChongqingEnvironmentalSeieneesAbstraCtS61PretreatmentofWasteWaterwithCoPPerinComPlexStatePengYihua(ShenzhenIndustrialWasteTreatmentStation,Shenzhen518049)Abstraet:ThewastewaterwitheopperineomPlexstate15treatedwiththeagenteornposedofHZ():andFeZ+,andthen,betreatedwithgroovyphysiealehemistrytreatmentmethod,intheend,re:、eh、theeffoetofhe:、vymetalionandC()Dredueed.Therearemuehfaetorsofinfeetionthereaetion,thedosageofH;():,thedosageofFeS();,aeidityvalre,reaetiontime·weaehievethebestreaetzon