复合硝化菌群处理氨氮废水

第３１卷第２期２００９年３月南　京　工　业　大　学　学　报　（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮＪＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．２Ｍａｒ．２００９复合硝化菌群处理氨氮废水苏俊峰１，２，马　放２，侯　宁２，王弘宇３，李维国２，高珊珊２（１．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安７１００５５；２．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨１５００９０；３．武汉大学市政工程系，湖北武汉４３００７２）收稿日期：２００８－０８－２５基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２００４ＣＢ１８５０５０）；黑龙江省重大科技攻关项目（ＣＣ０５Ｓ３０）；陕西省自然科学基础研究基金（ＳＪ０８ＺＴ０７）作者简介：苏俊峰（１９７７—），男，黑龙江北安人，讲师，博士，主要研究方向为环境微生物，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．摘　要：从生物陶粒反应器中筛选出６株自养硝化细菌和２株异养硝化细菌，６株自养菌的硝化速率为１０３～１２５ｍｇ／（Ｌ·ｄ）．异氧菌ＳＨＹ４和ＳＨＹ５在氨氧化培养基中经过１２ｄ的好氧培养，氨氮最终去除率分别为６９７３％和８０７８％．亚硝酸盐质量浓度最终分别增加到０１２４和０２０６ｍｇ／Ｌ，ＳＨＹ５在亚硝化培养基中，经过１２ｄ的好氧培养，亚硝酸盐质量浓度最终降低８８７ｍｇ／Ｌ，硝酸盐出现积累质量浓度最终增加０４８ｍｇ／Ｌ．采用从生物陶粒反应器中分离出的自养硝化细菌和异养硝化细菌建立序批式活性污泥反应器（ＳＢＲ）进行了氨氮去除的试验研究，经过１５～２１ｄ的硝化处理，氨氮的平均去除率为６４３８％．关键词：ＳＢＲ反应器；硝化细菌；硝化特性中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７１－７６２７（２００９）０２－００３９－０４ＤｉｇｅｓｔｉｎｇＮＨ＋４ＮｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｃｏｍｐｌｅｘｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａｃｏｍｍｕｎｉｔｙＳＵＪｕｎｆｅｎｇ１，２，ＭＡＦａｎｇ２，ＨＯＵＮｉｎｇ２，ＷＡＮＧＨｏｎｇｙｕ３，ＬＩＷｅｉｇｕｏ２，ＧＡＯＳｈａｎｓｈａｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５５，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０，Ｃｈｉｎａ；３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｏｆｎｉｔｒｉｆｉｅｒｓ，６ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａａｎｄ２ｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａｗｅｒｅｓｃｒｅｅｎｅｄｆｒｏｍｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｒｅａｃｔｏｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｒａｔｅｏｆ６ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａｏｆ１０３～１２５ｍｇ／（Ｌ·ｄ）．１２ｄａｙｓａｆｔｅｒａｅｒｏｂｉｃｃｕｌｔｕｒｅｉｎａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇｍｅｄｉｕｍ，ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆＮＨ＋４ＮｗｉｔｈＳＨＹ４ａｎｄＳＨＹ５ｗａｓ６９７３％ａｎｄ８０７８％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｆｉｎａｌｎｕｍｂｅｒｏｆＮＯ－２ＮｏｆＳＨＹ４ａｎｄＳＨＹ５ｗａｓ０２６ｍｇ／Ｌａｎｄ０４５ｍｇ／Ｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．１２ｄａｙｓａｆｔｅｒａｅｒｏｂｉｃｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＮＯ－２Ｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏ８８７ｍｇ／ＬｉｎＳＨＹ５ｎｉｔｒｏｕｓａｃｉｄｍｅｄｉｕｍ，ａｎｄａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｎｉｔｒａｔｅｌｅｄｔｏ０４８ｍｇ／Ｌ．Ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅｍｏｖｉｎｇａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｂｙｔｈｅｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｂａｃｔｅｒｉａａｎｄａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａｏｎｔｈｅｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ），ｔｈｅａｖｅｒａｇｅａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｗａｓ６４３８％ｆｏｒ１５～２１ｄａｙｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ；ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａ；ｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　　近年来，自然水体中氨氮污染问题日趋严重，因此各种氨氮脱除新工艺的开发成为环境科学研究的热点之一［１］．硝化作用可以分为ＮＨ＋４Ｎ到ＮＯ－２Ｎ（氨氧化）和ＮＯ－２Ｎ到ＮＯ－３Ｎ（亚硝酸氧化）２个转化过程，但硝化作用仅是Ｎ形式的转化，形成的ＮＯ－３Ｎ需要通过反硝化作用形成Ｎ２逸出水体完成脱氮，一般认为硝化作用的２个步骤分别由２类化能自养微生物完成，亚硝化细菌进行氨的氧化，硝化细菌完成亚硝酸氧化［２－３］．传统的亚硝酸菌、硝酸菌世代周期长，生长极其缓慢，并且对环境的变化非常敏感，使自养微生物的应用受到限制［４－５］．相对于自养硝化菌而言，虽然有的异养菌的分解效率较低，但是由于它们在环境中的数量以及生长速率往往远大于自养菌，因此在某些环境之中，异养硝化作用的贡献可以与自养菌相当，甚至超出［６－７］．进行硝化作用的异养微生物有恶臭假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｐｕｔｉｄａ）［８］、脱氮副球菌（Ｐａｒａｃｏｃｃｕｓｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）［９］、粪产碱杆菌（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｆａｅｃａｌｉｓ）［１０］等．这些微生物可以在有机碳条件下进行硝化作用，也可以在有机土环境中进行硝化作用，在Ｎ循环中具有重要的作用．在污水处理工程中含氮污染物的降解可能是由自养和异养微生物共同作用的结果，在污水中含有无机和有机营养物质，自养和异养微生物有其生长繁殖的营养条件，采用自养和异养硝化细菌的混合菌群处理含氮污水的研究至今在国内外未见报道．本研究采用从污水处理系统中筛选到的６株自养细菌和２株异养硝化细菌构成复合菌群，利用序批式活性污泥反应器（ＳＢＲ）处理含ＮＨ＋４Ｎ污水．１　实验部分１．１　分离培养基１．１．１　异养硝化分离培养基１）牛肉膏蛋白胨培养基　牛肉膏３ｇ，ＮａＣｌ５ｇ，蛋白胨１０ｇ，Ｈ２Ｏ１０００ｍＬ，ｐＨ７０～７２．２）异养氨化培养基　ＮＨ４Ｃｌ０３８２ｇ，乙酸钠２ｇ，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ００５ｇ，Ｋ２ＨＰＯ４０２ｇ，ＮａＣｌ０１２ｇ，ＭｎＳＯ４·４Ｈ２Ｏ００１ｇ，ＦｅＳＯ４００１ｇ，Ｈ２Ｏ１０００ｍＬ．３）异养亚硝化培养基　ＮａＮＯ２０５ｇ，乙酸钠２ｇ，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ００５ｇ，Ｋ２ＨＰＯ４０２ｇ，ＮａＣｌ０１２ｇ，ＭｎＳＯ４·４Ｈ２Ｏ００１ｇ，ＦｅＳＯ４００１ｇ，Ｈ２Ｏ１０００ｍＬ．１．１．２　自养硝化分离培养基１）亚硝化细菌分离培养基　（ＮＨ４）２ＳＯ４１ｇ，ＮａＨ２ＰＯ４０２５ｇ，Ｋ２ＨＰＯ４０７５ｇ，ＣａＣＯ３５ｇ，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ００３ｇ，ＭｎＳＯ４００３ｇ，Ｈ２Ｏ１０００ｍＬ，ｐＨ７０．２）硝化细菌分离培养基　ＮａＮＯ２１ｇ，Ｎａ２ＣＯ３１ｇ，ＮａＨ２ＰＯ４０２５ｇ，Ｋ２ＨＰＯ４０７５ｇ，ＣａＣＯ３１ｇ，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ００３ｇ，ＭｎＳＯ４００３ｇ，Ｈ２Ｏ１０００ｍＬ，ｐＨ７０．１．２　试验用废水采用人工配水，由ＮＨ４Ｃｌ、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４、ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ、ＭｎＳＯ４、ＮａＨＣＯ３、三水乙酸钠和微量元素按一定比例配制．其水质如表１所示．表１　试验模拟用水水质Ｔａｂｌｅ１　Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒ水质指标ρ／（ｍｇ·Ｌ－１）化学好氧量（ＣＯＤ）１０６～３１６ＮＨ＋４Ｎ４２７８～７３６２ＮＯ－３Ｎ０～１９２ＮＯ－２Ｎ０～０２２总磷（ＴＰ）３～６１．３　硝化细菌的分离及硝化能力测定１．３．１　异养硝化细菌的分离及硝化能力测定将污泥试样充分悬浮于１００ｍＬ无菌水中，振荡培养１２ｈ后取菌悬液按１０％接种量接种于牛肉膏蛋白胨培养基中，３０℃摇床富集培养２代，每代２４ｈ，然后将富集培养液接种于异养氨化培养基固体平板中，３０℃温箱培养１ｄ，待形成菌落后挑取单菌落，接种于异养亚硝化培养基中．将５ｍＬ的含纯化菌株的混合液试样加入到５００ｍＬ，经灭菌的培养用培养基，溶液ｐＨ调至７０～８０，三角瓶在３０℃恒定转速培养．每日取样，试样经离心分离后用标准方法测定化学好氧量（ＣＯＤ）、氨氮、亚硝酸盐氮和总Ｎ，所有结果均用空白溶液作对比．１．３．２　自养硝化细菌的分离及硝化能力测定取１ｍＬ试样，加入到培养基中富集，在３０℃培养箱中培养７～１５ｄ，再进行平板划线分离筛选，观察菌落形态，进行革兰氏染色鉴定，在１００倍显微镜下观察细菌形态．每隔几天用格里斯试剂在白瓷板上检验ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ的存在．将筛选到的菌株接种在液体培养基中，设立大肠杆菌组（Ｅ．ｃｏｌｉ）和对照组（ＣＫ），ＣＫ不接种任何微生物．３０℃培养３０ｄ，取菌液测定其ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ的含量．１．４　ＳＢＲ反应器的建立ＳＢＲ反应器由有机玻璃加工而成，容积为３Ｌ，采用鼓风曝气、电动搅拌机搅拌．将筛选的自养硝化细菌和异养硝化细菌扩大培养，接种少量的新鲜活０４南　京　工　业　大　学　学　报　（自然科学版）第３１卷　性污泥，空曝气３ｄ后形成活性污泥后进行运行．水温为２０～２５℃，以１２ｈ为一个周期，每个周期进水５ｍｉｎ，曝气６８０ｍｉｎ，沉淀３０ｍｉｎ，排水５ｍｉｎ，每次换水时排出总水量的５０％左右．２　结果与讨论２．１　自养硝化细菌硝化速率的测定亚硝化细菌能够将ＮＨ＋４Ｎ转化为ＮＯ－２Ｎ，硝化细菌能够将ＮＯ－２Ｎ转化为ＮＯ－３Ｎ，因而测其硝化速率就能够确定其硝化性能的有无和大小，硝化速率大的硝化性能强，硝化速率小的则硝化性能差，若硝化速率为零，则无硝化性能［１１］．分离到的菌株在连续避光培养３０ｄ后，测其硝化速率，见表２．由表２可见，６株细菌的硝化速率在１～１５ｍｇ／（Ｌ·ｄ）之间，而大肠杆菌的硝化速率都约为０，这说明本研究中所筛选到的６株微生物均能够进行硝化作用，大肠杆菌则不能．表２　各菌株的硝化速率Ｔａｂｌｅ２　Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆｔｈｅｉｓｏｌａｔｅｄｓｔｒａｉｎ　ｍｇ／（Ｌ·ｄ）菌株编号亚硝化速率硝化速率ＹＨ１１０８ＹＨ２１２０ＹＨ３１１２ＸＨ１１２５ＸＨ２１０６ＸＨ３１１３大肠杆菌００２．２　异养硝化细菌硝化速率的测定在采用乙酸钠ＮＨ４Ｃｌ做Ｃ源及Ｎ源检验微生物硝化性能时，经过１２ｄ的好氧培养，ＳＨＹ４和ＳＨＹ５对ＣＯＤ的去除率分别为５９５７％和６５８８％，总氮（ＴＮ）最终去除率分别为６２７６％和６３７８％，ＮＨ＋４Ｎ最终去除率分别为６９７３％和８０７８％．菌株ＳＨＹ５可以在亚硝酸盐作为唯一Ｎ源的培养基上正常生长繁殖，采用乙酸钠亚硝酸钠做Ｃ源及Ｎ源检验微生物硝化性能，经过１２ｄ的好氧培养，ＣＯＤ质量浓度降低了１７６２％，说明菌体利用培养基中的营养物质进行同化作用生长繁殖，ＮＯ－２Ｎ质量浓度呈降低的趋势，ＮＯ－２Ｎ质量浓度最终降低８８７ｍｇ／Ｌ，硝酸盐出现积累质量浓度最终增加０４８ｍｇ／Ｌ．由于亚硝酸盐具有毒性，其浓度过高会对某些细菌的生长繁殖产生抑制作用，而菌株ＳＨＹ５既可以在氨氮作为唯一Ｎ源的培养基上进行生长繁殖，还可以在亚硝酸盐作为唯一Ｎ源的培养基上正常生长繁殖，因而在污水脱氮处理工程中表现出良好的应用潜力．２．３　ＳＢＲ反应器运行效果分析利用筛选的自养硝化细菌和异养硝化细菌建立ＳＢＲ反应器，试验过程中逐阶