高濃度氨氮廢水生物脫氮工藝

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)廢水中的氮素含量日益增加,含氮物質(zhì)的超標(biāo)排放將引起嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。因此,對(duì)高濃度含氮污水的處理顯得尤為迫切。污水中的氮素主要以氨氮和有機(jī)氮的形式存在,脫氮是污水處理的一個(gè)重要指標(biāo),傳統(tǒng)的生物脫氮是基于好氧自養(yǎng)硝化作用和厭氧異養(yǎng)反硝化的過(guò)程 。然而,這種傳統(tǒng)的工藝水力停留時(shí)間長(zhǎng)、能耗大,且基建費(fèi)用高,同時(shí),自養(yǎng)菌在高濃度的氨氮和有機(jī)廢水中難以存活,從而限制其在處理高濃度氨氮廢水中的應(yīng)用。近年來(lái)為了克服這些限制因素,人們開(kāi)發(fā)了一些新型的生物脫氮工藝,包括部分亞硝化、好氧反硝化和厭氧性氨氧化等。

　　早在1983 年,ROBERTSON 等 篩選得到一株具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力的菌株Thiosphaera pantotropha。該菌在好氧生長(zhǎng)結(jié)束后,就會(huì)立即迅速地進(jìn)行反硝化作用。后來(lái)多個(gè)種屬的具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的細(xì)菌被報(bào)道,包括糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenes faecalis) 、施氏假單胞菌(Pseudomonas stutzeri) 、銅綠假單胞菌( Pseudomonas aeruginosa ) 、土壤桿菌屬( Agrobacterium sp. ) 、不動(dòng)桿菌屬( Acinetobactersp. )、克雷伯氏肺炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)、芽孢桿菌屬(Bacillus sp. ) 、泛養(yǎng)硫球菌(Thiosphaerapantotropha) 等。異養(yǎng)硝化細(xì)菌與自養(yǎng)菌相比,具有更高的生長(zhǎng)率,并能利用有機(jī)物質(zhì)作為碳源和能源在有氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)镹2 。此外,反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的堿性可以部分中和由硝化過(guò)程產(chǎn)生的酸。因此,同步硝化反硝化可以實(shí)現(xiàn)低運(yùn)營(yíng)成本和在一個(gè)反應(yīng)器達(dá)到高速脫氮的效果。

　　雖然大量的新型脫氮菌株已經(jīng)被報(bào)道,但是人們對(duì)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的分子學(xué)研究、反應(yīng)機(jī)理及在廢水脫氮中的應(yīng)用研究仍然不夠充分。本研究從活性污泥中篩選出1 株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌,經(jīng)鑒定為不動(dòng)桿菌屬,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)對(duì)該菌的脫氮性能進(jìn)行了分析,旨在為脫氮功能菌強(qiáng)化處理高濃度氨氮廢水提供理論支持。

　　1　實(shí)驗(yàn)部分

　　1. 1　培養(yǎng)基

　　硝化富集培養(yǎng)基:(NH4 )2 SO4 0. 4 g·L - 1 ,檸檬酸鈉3. 5 g·L - 1 ,MgSO4 ·7H2 O 1 g·L - 1 ,NaCl 0. 12 g·L - 1 ,MnSO4 ·H2 O 0. 01 g·L - 1 ,FeSO4 ·7H2 O 0. 02 g·L - 1 ,KH2 PO4 0. 25 g·L - 1 ,Na2 HPO4 0. 3 g·L - 1 ,pH 7. 0 ~ 7. 5。固體培養(yǎng)基添加20 g·L - 1 瓊脂。

　　異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基: (NH4 )2 SO4 0. 35 g·L - 1 ,檸檬酸鈉3. 03 g·L - 1 ,MgSO4 ·7H2 O 1 g·L - 1 ,KH2 PO40. 25 g·L - 1 ,Na2 HPO4 0. 3 g·L - 1 ,pH 7. 0 ~ 7. 5。

　　反硝化培養(yǎng)基:KNO3 0. 53 g·L - 1 (NaNO2 0. 5),檸檬酸鈉3. 0 g·L - 1 ,KH2 PO4 0. 25 g·L - 1 ,Na2 HPO40. 3 g·L - 1 ,MgSO4 ·7H2 O 1 g·L - 1 ,pH 7. 0。

　　溴百里酚藍(lán)(BTB)培養(yǎng)基:KNO3 1 g·L - 1 ,琥珀酸鈉8. 5 g·L - 1 ,MgSO4 ·7H2 O 1 g·L - 1 ,CaCl2 0. 15g·L - 1 , FeSO4 ·7H2 O 0. 05 g·L - 1 ,KH2 PO4 0. 25 g·L - 1 ,Na2 HPO4 0. 3 g·L - 1 ,1% 溴百里酚藍(lán)乙醇溶液1 mL,瓊脂20 g·L - 1 。

　　培養(yǎng)基使用前均需置于滅菌鍋中,121 ℃ 滅菌20 min。

　　1. 2　富集培養(yǎng)及菌株分離

　　活性污泥取自江蘇省常州市某呂業(yè)公司污水處理池,取5 mL 污泥懸浮于45 mL 硝化富集培養(yǎng)基,30 ℃ ,200 r·min - 1 搖床富集培養(yǎng)12 h,將富集液進(jìn)行梯度稀釋涂布于硝化富集固體培養(yǎng)基,培養(yǎng)1 d 后,挑取形態(tài)大小不一的單菌落,多次劃線分離純化得到10 余株初篩菌株。挑取初篩菌株接種于溴百里酚藍(lán)固體平板,挑取培養(yǎng)基出現(xiàn)藍(lán)色暈圈的菌株,進(jìn)行異養(yǎng)硝化性能和好氧反硝化性能測(cè)定,定量篩選出具有較高異養(yǎng)硝化能力和好氧反硝化能力的菌株。

　　1. 3　菌株的鑒定

　　菌株鑒定采用16S rDNA 序列比對(duì)法。提取菌株總DNA,利用一對(duì)通用引物擴(kuò)增菌株16S rDNA。上游引物為8f(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCA-3′),下游引物為1 492 r (5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)。

　　基因測(cè)序后通過(guò)GenBank 進(jìn)行同源性序列分析,應(yīng)用MEGA5. 0 軟件構(gòu)建該菌株系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。

　　1. 4　菌株YN3 的脫氮性能研究

　　1. 4. 1　單因素實(shí)驗(yàn)研究不同培養(yǎng)條件對(duì)菌株YN3 異養(yǎng)硝化的影響

　　利用單因素實(shí)驗(yàn)研究碳源、溫度、轉(zhuǎn)速、pH、C / N 和氨氮濃度對(duì)氨氮去除效果的影響。培養(yǎng)條件為C /N 為10,氨氮濃度為70 mg·L - 1 ,轉(zhuǎn)速為200 r·min - 1 ,pH 為7,碳源選擇檸檬酸鈉、琥珀酸鈉、葡萄糖、乙酸鈉和蔗糖,以下實(shí)驗(yàn)均按上述要求固定其他因素,只改變研究的單因素條件;溫度分別為20、30 和37℃ ;搖床轉(zhuǎn)速分別為100、150、200 和250 r·min - 1 ;pH 分別為5、6、7、8 和9;C / N 分別為5、10、15 和20;初始氨氮濃度分別為50、100、150、200 和250 mg·L - 1 。所有實(shí)驗(yàn)一式3 份。將處于對(duì)數(shù)期的菌液以5%(OD600 = 1)的接種量接種于裝有100 mL 異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基的500 mL 三角瓶中,恒溫培養(yǎng),測(cè)定水樣中OD600 、氨氮(NH4+ -N)、硝氮(NO3- -N)、亞硝氮(NO2- -N)、羥氨(NH2 OH-N)和總氮(TN)的質(zhì)量濃度變化。

　　1. 4. 2　正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化培養(yǎng)條件

　　為優(yōu)化菌株YN3 的脫氮條件,以氨氮為唯一氮源,設(shè)計(jì)L18 (35 )正交實(shí)驗(yàn),因素水平表見(jiàn)表1。將菌液以相同接種量接種于裝有100 mL 異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基的500 mL 三角瓶中,以氨氮降解效率為反應(yīng)值分析得到最優(yōu)培養(yǎng)條件。初始氨氮的質(zhì)量濃度為70 mg·L - 1 ,依照不同的碳氮比計(jì)算碳源質(zhì)量。

表1　正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

　　1. 4. 3　菌株YN3 的適應(yīng)性進(jìn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　1)菌株YN3 的適應(yīng)性進(jìn)化。配置不同氨氮濃度(70、150、200、250 和300 mg·L - 1 )的硝化培養(yǎng)基,以菌株YN3 作初始育種菌株。以氨氮濃度為70 mg·L - 1 的硝化富集培養(yǎng)基富集培養(yǎng)菌株YN3,置于30 ℃ ,200 r·min - 1 的恒溫?fù)u床培養(yǎng)12 h 后,以2% 接種量接入100 mg·L - 1 的硝化富集培養(yǎng)基,12 h 后測(cè)量菌株培養(yǎng)液的OD600 ,如果OD600 小于1 乃至更低,則將菌株YN3 再次接種到新鮮的氨氮濃度為100 mg·L - 1的硝化培養(yǎng)基;如果OD600 大于1,則菌株被認(rèn)為能適應(yīng)100 mg·L - 1 的氨氮濃度,以氨氮濃度為100 mg·L - 1 的硝化培養(yǎng)基多次傳代,直至菌株YN3 穩(wěn)定適應(yīng)該濃度后,以2% 接種量接種到氨氮濃度為150 mg·L - 1 的硝化培養(yǎng)基,以如前所述方式培養(yǎng),直至菌株YN3 適應(yīng)150 mg·L - 1 的氨氮濃度。轉(zhuǎn)接適應(yīng)于150 mg·L - 1 的氨氮濃度的菌株于氨氮濃度為200 mg·L - 1 的硝化培養(yǎng)基培養(yǎng),直至菌株穩(wěn)定適應(yīng)后,同樣地,轉(zhuǎn)接入250 mg·L - 1 的硝化培養(yǎng)基培養(yǎng)直至穩(wěn)定適應(yīng)。重復(fù)此步驟,直到菌株適應(yīng)于300 mg·L - 1的氨氮濃度。

　　2)氨氮適應(yīng)性驗(yàn)證。配制不同濃度的氨氮實(shí)驗(yàn)廢水,初始氨氮濃度分別為100、200、300、500 和1 000 mg·L - 1 。將處于對(duì)數(shù)期的菌液以5% (OD600 = 1)的接種量接種于裝有100 mL 異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基的500 mL 三角瓶中,恒溫培養(yǎng),測(cè)定水樣中OD600 和氮素的質(zhì)量濃度變化。實(shí)驗(yàn)一式3 份。

　　1. 4. 4　菌株YN3 的異養(yǎng)硝化功能驗(yàn)證

　　將菌株YN3 接入100 mL 異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基中,在優(yōu)化條件下培養(yǎng),1 d 后檢測(cè)培養(yǎng)基中各組分氮的質(zhì)量濃度變化。

　　1. 4. 5　菌株YN3 的好氧反硝化能力驗(yàn)證

　　將菌株YN3 接入反硝化培養(yǎng)基中,分別以硝酸鹽和亞硝酸鹽為唯一氮源,30 ℃ 、200 r·min - 1 恒溫?fù)u床培養(yǎng),測(cè)定樣品中各組分氮的質(zhì)量濃度變化。

　　1. 5　分析方法

　　菌體生長(zhǎng)狀態(tài)(OD600 )采用吸光度法測(cè)定;NH4+ -N 濃度采用納氏試劑分光光度法;NO3- -N 濃度采用紫外分光光度法(HZ-HJ-SZ-0138);NO2- -N 濃度采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法(GB 7493-87);細(xì)胞內(nèi)氮的含量采用凱氏定氮法(GB 11891-89),繪制菌體密度和含氮量的關(guān)系圖 ;NH2OH-N 濃度采用間接分光光度法 ;TN 濃度為NH4+ -N、NO3- -N、NO2- -N 和NH2OH-N 濃度之和。

　　2　結(jié)果與討論

　　2. 1　菌株的分離及鑒定

　　通過(guò)異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基富集培養(yǎng),獲得在異養(yǎng)硝化固體培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的菌株10 株。將這些菌株通過(guò)溴百里酚藍(lán)平板復(fù)篩,獲得一株菌,命名為YN3。YN3 菌落表面為黃白色,圓形,表面光滑,不透明,革蘭氏染色為陰性。

　　通過(guò)BLAST 檢索與GenBank 中的核酸序列進(jìn)行菌株YN3 16S rDNA 序列的同源性比對(duì),該序列與NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)的Acinetobacter junii (NCBI 登錄號(hào)為:KP100 325. 1)同源性達(dá)99% ,結(jié)合菌株的形態(tài)學(xué),確定菌株YN3 屬于不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter sp. )。使用MEGA 5. 0 核酸分析軟件將菌株YN3 與其他不動(dòng)桿菌屬和一些異養(yǎng)硝化好氧反硝化細(xì)菌進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,得到菌株的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)(見(jiàn)圖1),由圖1 可以看出,菌株YN3 與不動(dòng)桿菌親緣關(guān)系較近。

　　2. 2　菌株YN3 異養(yǎng)硝化性能研究

　　2. 2. 1　碳源對(duì)菌株YN3 脫氮性能的影響

　　碳源常常作為異養(yǎng)細(xì)菌的能量和電子來(lái)源。圖2 表明,不同的碳源對(duì)氨氮的去除以及菌株的增長(zhǎng)具有重要的影響。分別以檸檬酸三鈉、琥珀酸鈉和乙酸鈉為碳源時(shí),其最大氨氮去除率分別為99% 、99%和97% ,且OD600 分別達(dá)到1. 25,1. 392 和1. 421。而碳源是葡萄糖和蔗糖時(shí),菌株基本沒(méi)有增長(zhǎng),氨氮含量沒(méi)有降低,與REN 等 研究結(jié)果一致。說(shuō)明相對(duì)于糖類,菌株更容易高效利用有機(jī)酸�？赡苁且�?yàn)橛袡C(jī)酸可以直接參與TCA 循環(huán),而糖類需要先轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸再被利用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,檸檬酸鈉是菌株YN3 的最佳碳源。

　　2. 2. 2　溫度對(duì)菌株YN3 脫氮性能的影響

　　由圖3 可以看出,溫度對(duì)于菌株的生長(zhǎng)以及脫氮能力的影響。當(dāng)溫度升高時(shí),菌株的生長(zhǎng)量和氨氮去除率增加,30 ℃ 條件下,菌株的生長(zhǎng)適應(yīng)期最短,快速進(jìn)入對(duì)數(shù)期,12 h 內(nèi)氨氮去除率達(dá)到99% 。而20 ℃ 和37 ℃ ,經(jīng)過(guò)24 h 其氨氮去除率僅達(dá)到59% 和53% �？赡苁菧囟忍�低或太高的情況下,菌株YN3 中起脫氮作用的相關(guān)酶活性降低,導(dǎo)致菌株的脫氮效率降低 。可見(jiàn)菌株YN3 的最適脫氮溫度是30 ℃ 。

　　2. 2. 3　溶氧對(duì)菌株YN3 脫氮性能的影響

　　通過(guò)改變搖床的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中的溶解氧。由圖4 可以看出,搖床轉(zhuǎn)速越高,菌株的對(duì)數(shù)期越短,越快達(dá)到最佳氨氮去除效果,200 和250 r·min - 1 條件基本相似,均在6 h 達(dá)到最佳去除效果,而低轉(zhuǎn)速100 和150 r·min - 1 下溶氧不足,不利于菌株生長(zhǎng),菌株的對(duì)數(shù)期長(zhǎng),其達(dá)到最佳去除效果需要9 h。原因是當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí),培養(yǎng)基中的溶氧偏低,抑制菌株YN3 的生長(zhǎng)。隨著搖床轉(zhuǎn)速的提高,培養(yǎng)基中的液體形成渦流,延長(zhǎng)了空氣的停留時(shí)間,加大了空氣接觸面積,使培養(yǎng)基中的溶解氧提高,滿足了菌株YN3 的生長(zhǎng)代謝,所以提高了菌株YN3 的氨氮去除效率。當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),培養(yǎng)基中溶氧過(guò)剩,同時(shí)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下,菌液與三角瓶強(qiáng)烈碰撞,造成了菌體YN3 細(xì)胞的損傷,抑制了脫氮過(guò)程中相關(guān)酶的合成能力,所以菌株YN3 對(duì)氨氮的去除效率不再提高 。因此,在實(shí)際廢水處理過(guò)程中,要控制適當(dāng)?shù)娜芙庋?以適合微生物的生長(zhǎng),從而提高菌株處理氨氮廢水的效率。

　　2. 2. 4　pH 對(duì)菌株YN3 脫氮性能的影響

　　從圖5 可以看出,pH = 6 ~ 9 時(shí),菌株YN3 具有很好的生長(zhǎng)及氨氮去除性能,最高的氨氮去除率均達(dá)到99% ,而在pH = 5 時(shí),菌株YN3 基本不生長(zhǎng),同時(shí)也沒(méi)有氨氮的去除。結(jié)果表明,菌株更適合在弱堿性的環(huán)境中生長(zhǎng),強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性環(huán)境會(huì)抑制菌株YN3 的脫氮效率。其適應(yīng)的pH 范圍與吳建江等 研究的一株高效異養(yǎng)硝化菌Pseudomonas. sp XS76(pH6 ~ 9)大致相同。因?yàn)榄h(huán)境中的pH 與菌株YN3 的生長(zhǎng)代謝有著密切聯(lián)系:一方面,pH 是微生物酶活性的重要影響因素之一,pH 過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響酶的帶電狀態(tài)和穩(wěn)定性,抑制酶活性;另一方面,pH 會(huì)改變微生物細(xì)胞膜的電位,從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收;此外,過(guò)低的pH 會(huì)導(dǎo)致核酸和微生物表面蛋白的水解變質(zhì),抑制微生物的生長(zhǎng)代謝。因此,菌株YN3在最適pH 下才具有快速生長(zhǎng)和高效脫氮的能力�？紤]到實(shí)際污水處理生化池的pH 一般為6 ~ 7,選擇7 ~ 7. 5 作為菌株YN3 的最佳初始pH。

　　2. 2. 5　C / N 對(duì)菌株YN3 脫氮性能的影響

　　不同的C / N 比對(duì)菌株YN3 的氨氮去除性能影響非常顯著,C / N 比越高,菌株的生長(zhǎng)情況越好,氨氮去除效果越佳。隨著C / N 增大,菌株YN3 對(duì)氨氮的降解效率越高,在C / N 比大于15 時(shí),在9 h 達(dá)到最大降解率99% 以上,相比C / N = 5,氨氮的去除率有了很大程度的提高。當(dāng)C / N 增大到20 后,降解效率不再提高,這是因?yàn)樘荚戳吭黾佑欣�于促進(jìn)菌株YN3 的硝化性能;但碳源量過(guò)高時(shí),部分碳源有機(jī)物會(huì)直接嵌入酶結(jié)構(gòu)而影響酶的活性,抑制硝化反應(yīng)的進(jìn)行。實(shí)際污水處理池中C / N/ P 一般為100 ∶ 5 ∶ 1,考慮到成本問(wèn)題,選擇C / N = 10 ~ 15 為菌株YN3 的最佳碳氮比。

　　2. 2. 6　菌株YN3 的氨氮濃度耐受性

　　將菌株YN3 接種于不同初始氨氮濃度的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)1 d 后測(cè)定培養(yǎng)基氨氮濃度,結(jié)果如圖7 所示。初始氨氮質(zhì)量濃度分別為50、100、150、200 和250 mg· L - 1 ,氨氮去除率分別為99. 2% 、98. 3% 、18. 7% 、2% 和2. 8% ,其對(duì)應(yīng)的OD600 分別是1. 414、2. 655、0. 6、0. 089 和0. 06,說(shuō)明菌株生長(zhǎng)量與氨氮去除率成正相關(guān)。隨著初始氨氮濃度的提高, 菌株YN3 對(duì)氨氮的去除能力越來(lái)越低,這是因?yàn)榘钡獫舛冗^(guò)高時(shí)對(duì)菌株產(chǎn)生抑制作用,抑制了菌株的生長(zhǎng)代謝以及有效反應(yīng)。當(dāng)初始氨氮增加到200 mg·L - 1 ,反應(yīng)1 d 后,幾乎無(wú)氨氮降解。說(shuō)明菌株YN3比較適合初始氨氮濃度在150 mg·L - 1 以內(nèi)的范圍。

　　2. 3　正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

　　L18 (35 )正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。培養(yǎng)1 d 后,有10 組實(shí)驗(yàn)條件下的氨氮去除率達(dá)到50% 以上,其中有6組達(dá)到90% 以上,分別為99. 85% 、99. 36% 、99. 36% 、97. 06% 、96. 38% 和93. 18% 。其對(duì)應(yīng)的氨氮去除效率分別為0. 201、0. 186、0. 161、0. 196、0. 166 和0. 183 mmol·(L·h) - 1 。結(jié)果顯示,去除率更高時(shí),去除效率不一定更高,考慮時(shí)間的經(jīng)濟(jì)性,氨氮去除效率更加直觀有效。

表2　正交實(shí)驗(yàn)直觀分析表

　　由表2 可以看出,菌株YN3 脫氮的最優(yōu)條件為A3B2C3D2E2,即,碳源為檸檬酸鈉,30 ℃ ,200 r·min - 1 ,pH = 7,C / N = 15 時(shí)。通過(guò)極差分析法,分析5 種因素對(duì)菌株YN3 硝化性能的影響順序,依次為溫度> C / N > 碳源> pH > 轉(zhuǎn)速。由表3 方差分析得到,影響因子溫度和C / N 對(duì)菌株YN3 的脫氮效率影響顯著,同時(shí),F 比值越大,因子的影響越顯著,其結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。說(shuō)明菌株YN3 對(duì)溫度的敏感度最大。C / N 比、碳源影響次之,充足的碳源才能保證菌株YN3 的生長(zhǎng)以及異養(yǎng)硝化的有效進(jìn)行,但C / N過(guò)高時(shí),會(huì)使有機(jī)物嵌入酶結(jié)構(gòu),影響酶活性從而抑制反應(yīng)。碳源的結(jié)構(gòu)影響菌株YN3 對(duì)其吸收的效率,從而影響菌株YN3 的生長(zhǎng)以及反應(yīng)的有效進(jìn)行,pH 和轉(zhuǎn)速的影響最小,說(shuō)明菌株YN3 對(duì)pH 和轉(zhuǎn)速的適應(yīng)范圍比較廣。

表3　正交實(shí)驗(yàn)方差分析表

　　為了檢驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的可靠性,在最佳條件下進(jìn)行了3 次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),氨氮去除效率的平均值為0. 488 7 mmol·(L·h) - 1 ,高于以上所有實(shí)驗(yàn)組,這充分驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)的可靠性,表明正交實(shí)驗(yàn)適用于對(duì)氨氮去除條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

　　2. 4　菌株YN3 的適應(yīng)性進(jìn)化

　　通過(guò)濃度梯度遞增法,馴化菌株YN3 的氨氮耐受性,結(jié)果如圖8 所示。在最適條件下鑒定菌株YN3的氨氮耐受性,初始氨氮濃度分別為100、200、300、500 和1 000 mg·L - 1 ,在低、中、高濃度的氨氮條件下,　氨氮去除率分別為99. 38% 、98. 86% 、99. 26% 、58. 85% 和25. 00% ,其對(duì)應(yīng)的最大去除效率分別為0. 644、0. 442、0. 268、0. 210 和0. 175 mmol·(L·h) - 1 。最大生長(zhǎng)量分別為2. 05、3. 855、3. 44、3. 175 和2. 675。其原因可能是氨氮濃度越低,菌株能夠更快的將其去除,而氨氮濃度過(guò)高的時(shí)候會(huì)降低菌株脫氫酶活性,抑制硝化菌的生長(zhǎng),影響硝化反應(yīng) 。雖然高濃度下菌株的氨氮去除效率低于中濃度,但是它們的氨氮去除量差別不大,分別是270、282. 5 和245 mg·L - 1 ,說(shuō)明菌株YN3 對(duì)氨氮濃度在300 mg·L - 1 以內(nèi)的廢水具有非常好的氨氮去除效果。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中,幾乎沒(méi)有中間產(chǎn)物NH2 OH、NO2- -N 和NO3- -N 的積累,菌株在低、中、高氨氮濃度下均生長(zhǎng)良好。與圖3 相比,菌株YN3 的氨氮去除能力大幅度提高,說(shuō)明經(jīng)過(guò)馴化后的菌株YN3 的氨氮耐受范圍很大,完全可以應(yīng)用于高濃度的氨氮廢水的治理。

　　2. 5　菌株YN3 硝化-反硝化過(guò)程氮平衡分析

　　菌株YN3 硝化實(shí)驗(yàn)中的氮平衡分析如表4 所示。以氨氮作為初始氮源,初始總氮濃度為274. 2 mg·L - 1 。反應(yīng)最后,氨氮下降到2 mg·L - 1 ,伴隨著微量的亞硝酸鹽的積累,而羥胺和硝酸鹽幾乎無(wú)積累。與初始總氮相比,在整個(gè)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過(guò)程中37. 8% 的初始氮被菌株降解,以轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物的形式被去除,62. 0% 的初始氮被菌株YN3 轉(zhuǎn)化為生物量,說(shuō)明菌株YN3 具有良好的異養(yǎng)硝化作用。

　　2. 6　菌株YN3 反硝化功能驗(yàn)證

　　反硝化過(guò)程是指在反硝化菌株的作用下將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,再由亞硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程。以硝酸鹽作為唯一氮源培養(yǎng)菌株YN3,如圖5(a)所示,隨著菌株YN3 生長(zhǎng)曲線的上升,硝酸鹽濃度降低,亞硝酸鹽逐漸積累,但其最大積累量只有0. 68 mg·L - 1 ,反應(yīng)過(guò)程中同時(shí)伴有微量的氨氮積累,無(wú)羥胺累積。反應(yīng)15 h 后,硝酸鹽去除率即達(dá)到了78. 8% ,亞硝酸鹽的積累量很低,只有0. 1 mg·L - 1 左右,相比于菌株Rhodococuus pyridinivorans CPZ24只能將硝氮濃度由初始的50 mg·L - 1 降解到16. 6mg·L - 1 ,菌株YN3 降解硝氮的能力更強(qiáng)。

　　以亞硝酸鹽為唯一氮源培養(yǎng)菌株YN3 進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,如圖5(b)所示。初始亞硝酸鹽氮為60 mg·L - 1 ,8 h 后,亞硝酸鹽完全去除,去除率為100% ,氨氮微量積累,無(wú)硝酸鹽和羥胺的累積,相比于菌株Serratiamarcescens N-2 以初始濃度為50 mg·L - 1 亞硝酸鈉為氮源時(shí),72 h 后對(duì)亞硝氮的去除率達(dá)到98. 52% ,菌株YN3 對(duì)亞硝氮的處理更具優(yōu)勢(shì)。

　　為了直觀了解菌株YN3 在反硝化培養(yǎng)基中氮素的轉(zhuǎn)化情況,在最適條件下將菌株YN3 接入反硝化培養(yǎng)基中,以200 r·min - 1 的轉(zhuǎn)速,30 ℃ 搖床培養(yǎng),定期取樣測(cè)定各形態(tài)氮的含量。如表5 所示,以硝酸鹽作為初始氮源,初始總氮濃度為88. 3 mg·L - 1 。培養(yǎng)結(jié)束后,氨氮質(zhì)量濃度下降到14 mg·L - 1 ,同時(shí)伴有微量亞硝酸鹽和氨氮的積累,而羥胺幾乎無(wú)積累。整個(gè)反硝化過(guò)程硝酸鹽去除率為83. 5% ,總氮降解率為35. 4% ,即35. 4% 的硝氮通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣體達(dá)到脫除效果,47. 0% 的氮轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生物量,說(shuō)明菌株YN3 具有良好的好氧反硝化功能。

　　綜上所述,菌株YN3 能夠利用硝酸鹽、亞硝酸鹽和高濃度的氨氮進(jìn)行生長(zhǎng)代謝,以氨氮為底物時(shí),菌株YN3 的生長(zhǎng)量最大,對(duì)氮素的去除效率最高,亞硝酸鹽、硝酸鹽次之。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3　結(jié)論

　　1)從活性污泥中篩得一株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌YN3,經(jīng)鑒定為不動(dòng)桿菌(Acinetobacter. sp)。其系統(tǒng)抗沖擊能力較強(qiáng),能在高濃度(1 000 mg·L - 1 )的氨氮廢水中生長(zhǎng)及反應(yīng),可以運(yùn)用于高濃度氨氮廢水的處理應(yīng)用。

　　2)通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出菌株YN3 生長(zhǎng)及脫氮的最適條件為:碳源為檸檬酸鈉,C / N 為15,pH 為7. 0,溫度為30 ℃ ,轉(zhuǎn)速為200 r·min - 1 。其影響顯著性依次為溫度> C / N > 碳源> pH > 轉(zhuǎn)速。

　　3)最佳條件下,初始氨氮濃度為300 mg·L - 1 時(shí),氨氮去除率為99. 3% ,其中37. 8% 的氮被菌株YN3降解,以轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物的形式被去除,62. 0% 的氮被菌株YN3 轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生物量。

　　4)菌株YN3 還能夠利用亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行生長(zhǎng)代謝,去除率分別為100% 和83. 5% 。

　　5)以硝酸鹽為唯一氮源驗(yàn)證好氧反硝化功能。35. 4% 的硝氮通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣體達(dá)到脫除效果,47. 0% 的氮轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生物量,說(shuō)明菌株具有較強(qiáng)反硝化作用。為實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化提供了理論基礎(chǔ)。