好氧反硝化生物脱氮研究进展

58Vol.352009好氧反硝化生物脱氮研究进展高秀花1,2刘宝林3李昌林1沈照理2(1中国石油安全环保技术研究院,北京100083;2中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083;3中国地质大学(北京)海洋学院,北京100083),,,,。,;;,,、。ResearchprogressinbiologicalnitrogenremovalofaerobicdenitrificationGaoXiuhua1,2,LiuBaolin3,LiChanglin1,ShenZhaoli2(1.CNPCResearchInstituteofSafety&EnvironmentTechnology,Beijing100083,China;2.ChinaUniversityofGeosciences,SchoolofWaterResource&Environment,Beijing100083,China;3.SchoolofMarineScience,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)Abstract:Theinnovativeviewofaerobicdenitrificationarebroughtforward,thisovercamethefaultsinconventionalprocesses,simplifiedprocessflow,savedinvestmentandrunningcharge,improveddenitrficationefficiency.Themechanismthereofispreliminiarilydiscussed,andatheoreticalanalysisismadefromdifferentangles.Meanwhile,thedevelopmentofthestudyofaerobicdenitrificationinandoutsideChinaiselaborated,theprospectoftheapplicationofaerobicdenitrifitionismade,anditisProposedthattheemphasisofthefuturestudyofaerobicdenitrificationshouldbeputonthescreeninganddomesticationoftheaerobicdenitrifyingbacteria.theyarestudiedthataretheoptimalconditionsofaerobicdenitrification、reactionIntermediateandthemechanism.Keywords:Aerobicdenitrification;Bioremoval;Nitrification;Denitrifition目前,好氧反硝化的研究已经成为国内外研究的热点。国外许多学者研究证明[1~6],在完全好氧的条件下,同样存在着反硝化作用。在此过程中,好氧反硝化菌同时利用氮和氧作为最终电子受体,直接将氨氮转化为最终气态产物。近年来的许多研究还表明[1,7~12],硝化反应不仅由自养菌完成,某些异养菌也可以进行硝化作用;反硝化不只在厌氧条件下进行,某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化;而且,许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌(如Thiosphaerapantotropha菌),并能把NH3)N氧化成NO-2)N后直接进行反硝化反应。1到目前为止,好氧反硝化的过程和机理还未得到很好的科学描述,处于探索阶段。针对好氧反硝化现象,对好氧反硝化作用机理目前有三种解释。1.1微生物理论近年来,生物学的进展已经给出了令人较为满意的答案。最初,反硝化被认为是一个严格的Vol.35200959厌氧过程,因为反硝化菌作为兼性需氧菌优先使用DO呼吸(甚至在DO浓度低达0.1mg/L时也如此)。这一特点阻止了使用硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体。不过这种限制只是对于专性厌氧反硝化菌而言。20世纪80年代,好氧反硝化菌的重要发现,Robertson和Kuenen在反硝化除硫系统出水中首次分离出好氧反硝化细菌泛养副球菌(Paracoccuspantotropha)、假单胞菌属的某一种(Pseudomonasspp.)和粪产碱菌(Alcaligenesfaecalis)等,使得好氧反硝化的解释有了微生物理论的依据,认为自然界中的确存在好氧反硝化细菌,能真正进行好氧条件下的反硝化作用。它可以直接将氨氮转化为气体终产物N2O或N2,即在完全好氧条件下,硝化和反硝化同时发生,当pH7时,气体终产物以N2为主;当pH7时,气体终产物以N2O为主,这是此类细菌对O2和NO-3共同呼吸的结果;有部分学者认为[1,9],异养型硝化菌在进行好氧反硝化时,将反应过程中产生的NO-2和NO-3还原,对于外原性的NO-2和NO-3其还原能力有限。目前,其他常见的好氧反硝化菌还有Pseudomonasnautical、Thaureamechernichensis、Microvirgulaaerodenitrificans等。1.2生物化学机理生物化学机理认为在反硝化作用过程中,产生的中间产物(NO、N2O等)可以逸出,导致总氮损失,其反应途径为:NH3(氨)yH2N)NH2(联胺)yNH2)OH(羟胺)yN2(氮气)yN2O(氧化亚氮)、HNO(硝酰基)yNO(氧化氮)yNO-2(亚硝酸)yNO-3(硝酸)。在这个过程中,至少有三个中间产物N2、N2O、和NO能以气体产生,其中硝化、反硝化过程均可产生中间产物NO、N2O。Hanake等人发现,NO和N2O比例最高可达总氮去除率的10%以上,Spector发现反硝化中N2O的最大积累量可达到总氮去除率的50%~80%。较多的研究报道表明,在好氧硝化过程中,如果C/N较低,DO较低,或SRT较小,都能导致N2O释放量增大[13],构成了好氧条件下总氮损失的一部分,这部分不是反硝化脱氮,但人们往往将其归功于反硝化作用。1.3微环境理论微环境理论主要侧重于从物理学角度加以解释。它认为,在活性污泥、氧化沟、生物膜中,由于氧扩散作用的限制,使得环境中的物理、化学和生物条件或状态产生差异和改变。在微生物絮体内产生DO梯度,从而导致大环境为好氧,絮体内部微环境为厌氧反硝化。微生物絮体外表面DO较高,以好氧异养菌、好氧硝化菌为主;深入絮体内部,氧传递受阻,且有机物氧化、硝化作用消耗大量氧,絮体内部产生缺氧区,反硝化菌占优势,见图1。正是由于微生物絮体内缺氧环境存在,从而导致好氧反硝化的发生。将曝气池内溶解氧控制在较低水平,可能会提高缺氧或厌氧微环境所占比例,从而促进反硝化作用。实际上,由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的不均匀性,以及物质传递的变化等因素的相互作用,在微生物絮体和生物膜内部会存在多种多样的微环境。图1生物絮体内反应区和基质浓度分布示意从目前好氧反硝化的三个作用机理解释来看,微环境解释没有说明,如果不存在少氧的微环境,反硝化能否进行,它只是利用传统的反硝化理论解释了好氧条件下总氮的损失;生物化学解释阐述了好氧反硝化的总氮损失现象,但总氮的损失(产生的气体NO、N2O)是由硝化反应和反硝化反应共同作用的结果,没有说明反硝化脱氮所占的比例;微生物学解释证明了好氧条件下反硝化细菌的存在和作用,但受到好氧反硝化菌研究程度的影响,其机理需进一步研究。220世纪80年代中期以来,人们在各种不同的环境下分离出了一些好氧反硝化菌。1988年Robertson和Kuenen在除硫和反硝化处理系统出60Vol.352009水中首次分离出好氧反硝化菌泛养副球菌(Paracoccuspantotropha)、假单胞菌属的某一种(Pseudomonasspp.)和粪产碱菌(Alcaligenesfaecalis)等。此后,也有不少学者按照Robertson的方法分离一些好氧反硝化菌,例如:1997年Frette等从间歇厌氧/好氧污水处理处理池中分离出16株反硝化细菌,它们无论是在好氧条件还是在厌氧条件下都具有反硝化作用;1999年Pai等从稻谷沉淀物中分离而得到3株好氧反硝化菌,其中T6菌株利用无机氮生长繁殖,在有机氮存在情况下也仅利用NH3)N、NO-2)N;1999年Scholten等人在垃圾渗滤液处理系统中分离出异养硝化菌Thaureamechernichensis,该菌株可进行好氧反硝化;2000年Su等人从猪圈废水处理系统的活性污泥中分离出PseudomonasstutzeriSU,该菌株可使含氧量为92%的大气中硝态氮去除率达99.24%;2001年Huang等分离出好氧反硝化菌Citrobacterdiversus,发现其好氧反硝化最适碳氮比(C/N)为4~5,DO为2~6mg/L;2002年罗泽娇从垃圾渗滤液中提取了能够发生好氧反硝化的野生大肠杆菌;Robertson等分离、筛选出TpantotrophaLMD82.5,该菌株可以进行异养硝化和好氧反硝化;Seholten等人在垃圾渗滤液处理系统中分离出异养硝化菌Thaureamechernichensis,该菌株可进行好氧反硝化。另外,目前还发现一些其它细菌也有好氧反硝化作用,如Nitrosomonas(亚硝酸极毛杆菌属)、Pseudomonasdenitrificans(脱氮极毛杆菌属)、HyphomicrobiumX(生丝微菌属)、Alcaligenesfaecalis、ThiosphaeraPantotropha、Psedomonasspp.、Alcaligenesfaecalis、Pseudomonasfluorescens、Pseudomonasaureofaciena、Pseudomonasaeruginos、Microvirgulaaerodenitrificans等,这些好氧反硝化菌的发现,进一步证明了好氧反硝化作用的存在,同时也为人们研究其机制提供了材料。3目前,有关好氧反硝化的过程和机理处于探索阶段。到目前为止,国内外许多学者研究结果表明,好氧反硝化菌分为两类:¹兼性好氧反硝化菌,即异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌;º专性好氧反硝化菌。许多学者研究表明[5,14,15],异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌。它可以直接将氨氮转化为气体终产物N2O或N2,即在完全好氧条件下,硝化和反硝化同时发生。Kugelaman认为,在完全好氧条件下,通过专性好氧反硝化菌,只发生反硝化反应。这类好氧反硝化菌去除NO-3有两种机制:即胞外还原和胞内同化。NO-3通过反硝化的代谢活动,最终还原成有机氮化合物,成为菌体的组成部分,好氧反硝化菌的生长过程就是硝酸盐被还原的过程,这条途径归宿为胞内同化;胞外还原是NO-3最终还原为N2。可以通过控制条件,使反应朝胞外还原方向发生,使NO-3直接还原为N2。研究表明,DO对专性好氧反硝化菌有两方面的影响:一是阻碍胞外还原作用,二是抑止胞内同化作用。当环境中DO的浓度低时,胞外还原作用被抑制,好氧反硝化菌偏向胞内同化硝酸盐;当DO较高时,胞外还原作用更容易发生,而胞内同化作用被抑制,这两种反应机制发生及转换的氧浓度阈值至今未确定,需进一步的研究。4国内外许多学者对好氧反硝化做了大量的研究,探讨了好氧反硝化的影响因素,得出了一些有意义的结论。研究表明,影响好氧反硝化现象的主要因素有:碳源、DO和C/N。对于碳源的研究基本达成共识,学者认为[20,21,24,25]碳源是好氧反硝化必不可少的条件之一,碳源不仅影响缺氧反硝化效率,也同样影响好氧反硝化效率,碳源越充足,好氧反硝化速率越快,总氮去除率也越高。对于DO和C/N研究表明[22~24],C/N与DO浓度是好氧反硝化的关键因子,好氧反硝化效率随C/N的增加而提高,当C/N为4~5时,可以得到最佳的反硝化活性,该C/N较厌氧反硝化所需的C/N高。DO过高或过低都将影响好氧