反硝化細菌在水處理中的應(yīng)用.doc

反硝化細菌在水處理中的應(yīng)用給排水一班 劉曉靜 20083681摘要：反硝化細菌在污水處理過程中起到十分重要的作用。傳統(tǒng)理論認為反硝化細菌是異養(yǎng)厭氧的，20世紀80年代發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化細菌。最近，自養(yǎng)反硝化細菌的發(fā)現(xiàn)，特別是脫氮硫桿菌的發(fā)現(xiàn)引起了人們的極大興趣。本文就反硝化細菌的研究情況作一概述。關(guān)鍵詞：反硝化細菌；異養(yǎng)反硝化；自養(yǎng)反硝化；好氧反硝化傳統(tǒng)水處理理論認為：氨氮的去除是通過硝化和反硝化兩個相互獨立的過程實現(xiàn)的，由于對環(huán)境條件的要求不同，這兩個過程不能同時發(fā)生，而只能序列式進行，即硝化反應(yīng)發(fā)生在好氧條件下，反硝化反應(yīng)則發(fā)生在嚴格的缺氧或厭氧條件下。在這種理論指導(dǎo)下，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝都是將缺氧區(qū)(或厭氧區(qū))與好氧區(qū)分隔開，如A/O系統(tǒng)。在好氧區(qū)供氧充足，氨氮被硝化菌群氧化成硝酸鹽氮，然后混合液一般被回流至前置式缺氧段；在缺氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽氮和原污水中的有機物完成反硝化過程，達到脫氮的目的。微生物反硝化過程是一種經(jīng)濟有效的硝酸鹽去除方法。反硝化細菌在此過程中起非常重要的作用，它能夠使NO3逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镹O2、NO、N，O和N，從而達脫氮的目的。傳統(tǒng)的反硝化細菌屬于異養(yǎng)微生物，在厭氧條件下進行反硝化作用，后來又發(fā)現(xiàn)了好氧的反硝化細菌。1 異養(yǎng)厭氧反硝化細菌及其在污水處理中的應(yīng)用11 異養(yǎng)厭氧反硝化細菌在AO工藝中的應(yīng)用異養(yǎng)厭氧的反硝化細菌在轉(zhuǎn)換硝酸鹽為氮氣時不需要氧氣，并且需要有機碳作為碳源和電子供體。AO工藝是缺氧一好氧(AnoxicOxic)生物處理系統(tǒng)的簡稱，它是隨著廢水脫氮要求的提高而出現(xiàn)的。AO工藝所完成的生物脫氮在機制上主要由硝化和反硝化2個生化過程構(gòu)成，污水先在好氧反應(yīng)器中進行硝化，使含氮有機物被細菌分解成氨，然后在亞硝化細菌的作用下氨進一步轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，再經(jīng)硝化細菌作用而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。硝酸鹽氮進入缺氧或厭氧反應(yīng)器后，經(jīng)過反硝化作用，利用或部分利用污水中原有的有機碳源為電子供體，以硝酸鹽代替分子氧作為電子受體，進行無氧呼吸，分解有機質(zhì)，同時將硝酸鹽氮還原為氮氣(圖1)。通過這樣的循環(huán)可取得高的COD和BOD去除率。單級AO工藝是由一個缺氧反應(yīng)器和另一個好氧反應(yīng)器組成的聯(lián)合系統(tǒng)，從好氧反應(yīng)器出來的部分混合液靠回流泵回到缺氧反應(yīng)器進水端，另一部分進入二沉淀池分離活性污泥后上清液作為出水。好氧段混合液回流的目的在于向缺氧段提供反硝化作用所需的氧化態(tài)氮，因此回流比的大小對反硝化效果具有較大影響?；旌弦夯亓鞅却髸r，返回到缺氧段的氧化態(tài)氮含量增加，若缺氧段有足夠的碳源，則脫氮效率可得以提高。但相應(yīng)增加動力消耗，而且還會造成缺氧段DO值升高，進而影響反硝化效果。 內(nèi)循環(huán)（硝化液回流）圖1 A/O工藝模式圖原廢水 堿 沉淀池 反硝化反應(yīng)器（缺氧）硝化反應(yīng)器（好氧） 處理水回流污泥剩余污泥表1 混合液回流比與系統(tǒng)脫氯率R l00 200 300 400 500 6OO 700 8OO 900 l 00050.0 66.7 75.0 80.0 83.3 85.0 87.5 88.8 90.0 90.9注： R一混合液回巍比(R =混合液回巍量廢水流量)；n一系統(tǒng)的脫氰率由表1可見，要取得滿意的脫氮率，必需保證足夠大的混合液回流比，這勢必增加系統(tǒng)的運行費用，因此是A0 工藝的一個缺點。表1表明，A0工藝很難取得85以上的脫氮率。12 異養(yǎng)厭氧反硝化細菌在OA工藝中的應(yīng)用OA工藝即好氧一缺氧(OxicAnoxic)工藝，是廢水生物脫氮工藝的另一種形式，它與單級AO工藝的不同之處在于直接將含有各種形態(tài)氮的廢水通過好氧過程使其充分硝化，轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}氮后再進入缺氧反應(yīng)器，經(jīng)過反硝化過程達到氮的目的，整個工藝不需要回流(圖2)。由于首先進行的好氧過程會使大部分BOD物質(zhì)去除，為反硝化過程添加碳源成為必須，因此該工藝適合于處理碳源不足而以生物脫氮為主要目的的廢水。OA工藝與A0工藝相比簡單了許多。但是，由于先進行的好氧過程使得大部分的BOD物質(zhì)去除，反硝化反應(yīng)所需的碳源不足，要想使反硝化反應(yīng)繼續(xù)進行，就必需向反硝化反應(yīng)器中投加有機碳作為碳源和電子供體，這樣又增加了運行成本。所以這種工藝在處理污水時仍存在需要改進的地方。厭氧反硝化細菌只有在厭氧條件下進行反硝化作用，而硝化作用是在好氧條件下進行，因此硝化和反硝化作用必須分別在2個不同的反應(yīng)器里進行，好氧反硝化細菌的發(fā)現(xiàn)可以改變微生物脫氮的工藝。碳源N原廢水BOD去除硝化反應(yīng)器（好氧）反硝化反應(yīng)器（好氧）沉淀池處理水剩余污泥圖2 O/A工藝模式圖2 異養(yǎng)好氧反硝化細菌及其在污水處理中的應(yīng)用21 好氧反硝化細菌1980年Meiberg等報道Hyphomicrobium X能夠在有氧的情況下進行反硝化用。好氧的反硝化模型在一定情況下得到了討論，各種各樣的培養(yǎng)基，如細菌富集培養(yǎng)基能夠產(chǎn)生厭氧的、允許反硝化進行的條件。然而，近來越來越多的實驗表明，在同種細菌懸浮培養(yǎng)基中，溶解氧的濃度達到10到20 的飽和，這說明好氧反硝化作用的確在發(fā)生?，F(xiàn)已從污水中分離出一種好氧反硝化菌hisphaera pantotropha，并且發(fā)現(xiàn)它有一個基本的硝酸鹽還原酶。Bell和Ferguson已經(jīng)證實在有氧的情況下這種酶具有活性。RorberSon等也報道了在周圍環(huán)境有溶解氧的情況下，即使沒有中間產(chǎn)物亞硝酸鹽Thisphaera pantotropha也能夠把氨轉(zhuǎn)換為氮氣。Kshirsagar等用phaera pantotropha和活性污泥的混合物在完全有氧的條件下處理污水，證實了這種反硝化是的確存在的。臺灣科學(xué)家ShwuLing、NyukChong 和CheiHsiang Chen從水稻稻谷的沉淀中發(fā)現(xiàn)了3種反硝化細菌，既能夠在有氧的條件下也能夠在無氧的條件下轉(zhuǎn)換硝酸鹽生成氮氣。22 好氧反硝化細菌的應(yīng)用將好氧反硝化細菌同硝化菌群混合培養(yǎng)，可在同一反應(yīng)系統(tǒng)中實現(xiàn)硝化一反硝化過程，這樣。硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物，避免了培養(yǎng)過程NO 的積累對硝化反應(yīng)的抑制，加速了硝化反應(yīng)的過程；而且，反硝化反應(yīng)釋放出的OH可部分補償硝化反應(yīng)所消耗的堿，能使系統(tǒng)中的pH相對穩(wěn)定；同時硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)下進行，可簡化操作的難度，大大降低投資費用和運行成本。因此。國外已對好氧條件下的生物脫氮過程開展了較深入的研究。 目前已知的好氧反硝化菌有Pseudomonasspp、Alicaligenes faecalis和Thiosphaera pantotropha等，Robertson等人還提出了好氧反硝化的工作模型。即Thiosphaera pantotropha和其他好氧反硝化菌使用硝酸鹽亞硝酸鹽呼吸(好氧反硝化)和氨氧化，以及在最后一步作為過量還原能量的累積過程形成PolyBhydroxybutyrate(PHB)。Gupta等研究了RBC(rotating bi.ological contactor)反應(yīng)器中的同時硝化一反硝化現(xiàn)象，證實了Thiosphaerapantotropha細菌具有好氧反硝化的功能，并指出同時硝化反硝化是最經(jīng)濟的脫氮方法；而國內(nèi)在這方面的研究報道則較少。3 自養(yǎng)反硝化細菌的研究進展異養(yǎng)反硝化細菌在硝酸鹽轉(zhuǎn)換過程中是十分有效的，但是它需要有機碳作為碳源。然而當污水中的有機碳不足或者是沒有有機碳的時候。要完成反硝化作用就必須要向污水中投放有機化合物，如甲醇或者簡單的有機物等。由于這個原因。自養(yǎng)反硝化作用越來越受到人們的重視。自養(yǎng)反硝化細菌所需要的能量是從無機物作為電子供體的氧化一還原反應(yīng)中釋放出來的。自養(yǎng)反硝化細菌利用無機碳化合物(如CO2，HCO3)作為它們的碳源，因此，不需要異養(yǎng)反硝化過程中必需的有機碳。它有兩個優(yōu)勢： 不需要投放有機物作為碳源，節(jié)省開支； 產(chǎn)生極少量的污泥，因此將污泥的處理量降低到最小。自養(yǎng)反硝化細菌主要有利用氫的反硝化細菌和利用硫的反硝化細菌。由于很難收集氫氣。并且生成氫氣(如從甲醇中)又比較昂貴，所以近來主要的研究方向是利用硫的反硝化過程。利用硫的反硝化細菌有 iobacillus denitrifica，zs和Thiomicrospira denitrificaTls。脫氮硫桿菌( iobacillus denitrificaTls)是一種自養(yǎng)反硝化菌，短桿菌，大小為0.5m 13m，革蘭氏陰性，無孢子，能運動。它在將硫或硫的化合物氧化為硫酸鹽的同時。將硝酸鹽還原為氮氣，該過程的反應(yīng)式如下：55S+50NO3十38H2O+20C02 +4NH4+ 4C5H7O2N+25N2+55SO4十64H+ 反硝化過程產(chǎn)生的H 會降低環(huán)境的pH 值，而脫氮硫桿菌生存的最優(yōu)pH 環(huán)境為中性，因此要想中和反應(yīng)，就必須向反應(yīng)中投加堿。CaCO3+H+=HCO3+CaHCO3十H =H2CO3H2CO3=H20+CO2 根據(jù)反應(yīng) 和 ，每克NO 一N轉(zhuǎn)換所需要的堿(如CaCO3)是457 g(消耗堿的比例)。據(jù)報道，從試驗中獲得的堿的消耗比例是2946, 因此這樣高的堿消耗率就會增加運行的成本。兩個方法可以解決這個問題：一個是利用石灰石作為堿的來源，建立硫一石灰石自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)(sulfur and limestone autotrophic denitrification systems，SLAD)。雖然在自養(yǎng)的反硝化過程中利用石灰石看起來是一種經(jīng)濟有效的方法，但是它仍有不盡人意的地方，如增大了排出物中總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids，TDS)的量 。同時，雖然這種方法對于NO 一N 的含量低于100 mgL 的污水處理是十分成功的，但是當處理高硝酸鹽含量的污水(當污水中NO 一N 的含量高于100 mgL)時，由于CaCO 在水中的溶解度很低，很難用石灰石提供堿，就會發(fā)現(xiàn)反硝化效率降低，并且有硝酸鹽的積累。另一種減少堿的消耗的方法是利用異養(yǎng)反硝化作用產(chǎn)生的堿，也就是說將自養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)反硝化菌混合培養(yǎng)，這樣自養(yǎng)反硝化所需要的堿就可以從異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的堿中獲得。根據(jù)US EPA 報道，在異養(yǎng)反硝化中，每克NO 一N轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的堿(以CaCO3 計)是357 g，見反應(yīng) ：NO3+1.08CH3OH+024H2CO3=0.056C5H7O2N+047N2+168H2O+HCO3 Kim和Bae報道，當利用甲醇的異養(yǎng)反硝化轉(zhuǎn)換了56 的硝酸鹽的時候就不再需要額外投加堿了。因此，如果能夠恰當?shù)乜刂飘愷B(yǎng)反硝化消耗的硝酸鹽的量，就可以不必再向利用硫的自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中投加堿了。但是想得到這個最合適的量并不是一件容易的事，還需要進行大量的實驗?？傊聪趸毦軌虬盐鬯械南跛猁}轉(zhuǎn)換為氮氣釋放出來，這在污水處理系統(tǒng)中是十分重要的。異養(yǎng)反硝化細菌有厭氧和好氧的兩種類型，它們都需要有機碳作為碳源和電子供體，一旦污水中的有機碳含量極低或者不含有有機碳時(如地表徑流和地下水)，就必須向其中投加有機物，如甲醇、乙酸等，以保證反硝化的順利進行。這樣就會增加污水處理的成本，并且會產(chǎn)生大量的污泥。自養(yǎng)反硝化細菌(如脫氮硫桿菌)的發(fā)現(xiàn)和利用就可以解決這個問題，它不需要有機物作為碳源，僅有無機鹽的存在就可以完成反硝化作用。脫氮硫桿菌在把硫或硫的化合物氧化為硫酸鹽的同時，將硝酸鹽還原為氮氣。自養(yǎng)反硝化細菌為污水處理開辟了一條新的捷徑，相信它將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。4.結(jié)語對于好氧反硝化的現(xiàn)象，近年來生物學(xué)上的發(fā)現(xiàn)和進展已經(jīng)可以給出令人較為滿意的答案。最初，反硝化被認為是一個嚴格的厭氧過程，因為反硝化菌作為兼性需氧菌優(yōu)先使用DO呼吸(甚至在DO濃度低達0.1mg/L時也如此)。這一特點阻止了使用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為最終電子受體。不過這種限制只是對于專性厭氧反硝化菌而言。由于80年代好氧反硝化菌的重要發(fā)現(xiàn)，使得好氧反硝化的解釋有了生物學(xué)的依據(jù)。關(guān)于好氧反硝化和