隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(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)境問題。因此,對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)反硝化的過程 。然而,這種傳統(tǒng)的工藝水力停留時間長、能耗大,且基建費(fèi)用高,同時,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。近年來為了克服這些限制因素,人們開發(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。該菌在好氧生長結(jié)束后,就會立即迅速地進(jìn)行反硝化作用。后來多個種屬的具有異養(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,反硝化過程中產(chǎn)生的堿性可以部分中和由硝化過程產(chǎn)生的酸。因此,同步硝化反硝化可以實(shí)現(xiàn)低運(yùn)營成本和在一個反應(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)鑒定為不動桿菌屬,通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)對該菌的脫氮性能進(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 序列比對法。提取菌株總DNA,利用一對通用引物擴(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′)。
基因測序后通過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。
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
菌體生長狀態(tài)(OD600 )采用吸光度法測定;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)基上生長的菌株10 株。將這些菌株通過溴百里酚藍(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,該序列與NCBI 數(shù)據(jù)庫的Acinetobacter junii (NCBI 登錄號為: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(見圖1),由圖1 可以看出,菌株YN3 與不動桿菌親緣關(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)菌的能量和電子來源。圖2 表明,不同的碳源對氨氮的去除以及菌株的增長具有重要的影響。分別以檸檬酸三鈉、琥珀酸鈉和乙酸鈉為碳源時,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,菌株基本沒有增長,氨氮含量沒有降低,與REN 等 研究結(jié)果一致。說明相對于糖類,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 溫度對菌株YN3 脫氮性能的影響
由圖3 可以看出,溫度對于菌株的生長以及脫氮能力的影響。當(dāng)溫度升高時,菌株的生長量和氨氮去除率增加,30 ℃ 條件下,菌株的生長適應(yīng)期最短,快速進(jìn)入對數(shù)期,12 h 內(nèi)氨氮去除率達(dá)到99% 。而20 ℃ 和37 ℃ ,經(jīng)過24 h 其氨氮去除率僅達(dá)到59% 和53% �？赡苁菧囟忍突蛱叩那闆r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 。可見菌株YN3 的最適脫氮溫度是30 ℃ 。
2. 2. 3 溶氧對菌株YN3 脫氮性能的影響
通過改變搖床的轉(zhuǎn)速來調(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,菌株的對數(shù)期長,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,培養(yǎng)基中的溶氧偏低,抑制菌株YN3 的生長。隨著搖床轉(zhuǎn)速的提高,培養(yǎng)基中的液體形成渦流,延長了空氣的停留時間,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)速過高時,培養(yǎng)基中溶氧過剩,同時在高速運(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,抑制了脫氮過程中相關(guān)酶的合成能力,所以菌株YN3 對氨氮的去除效率不再提高 。因此,在實(shí)際廢水處理過程中,要控制適當(dāng)?shù)娜芙庋?以適合微生物的生長,從而提高菌株處理氨氮廢水的效率。
2. 2. 4 pH 對菌株YN3 脫氮性能的影響
從圖5 可以看出,pH = 6 ~ 9 時,菌株YN3 具有很好的生長及氨氮去除性能,最高的氨氮去除率均達(dá)到99% ,而在pH = 5 時,菌株YN3 基本不生長,同時也沒有氨氮的去除。結(jié)果表明,菌株更適合在弱堿性的環(huán)境中生長,強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性環(huán)境會抑制菌株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 過高或過低都會影響酶的帶電狀態(tài)和穩(wěn)定性,抑制酶活性;另一方面,pH 會改變微生物細(xì)胞膜的電位,從而影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收;此外,過低的pH 會導(dǎo)致核酸和微生物表面蛋白的水解變質(zhì),抑制微生物的生長代謝。因此,菌株YN3在最適pH 下才具有快速生長和高效脫氮的能力。考慮到實(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 對菌株YN3 脫氮性能的影響
不同的C / N 比對菌株YN3 的氨氮去除性能影響非常顯著,C / N 比越高,菌株的生長情況越好,氨氮去除效果越佳。隨著C / N 增大,菌株YN3 對氨氮的降解效率越高,在C / N 比大于15 時,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)樘荚戳吭黾佑欣诖龠M(jìn)菌株YN3 的硝化性能;但碳源量過高時,部分碳源有機(jī)物會直接嵌入酶結(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% ,其對應(yīng)的OD600 分別是1. 414、2. 655、0. 6、0. 089 和0. 06,說明菌株生長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 對氨氮的去除能力越來越低,這是因?yàn)榘钡獫舛冗^高時對菌株產(chǎn)生抑制作用,抑制了菌株的生長代謝以及有效反應(yīng)。當(dāng)初始氨氮增加到200 mg·L - 1 ,反應(yīng)1 d 后,幾乎無氨氮降解。說明菌株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,去除效率不一定更高,考慮時間的經(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。通過極差分析法,分析5 種因素對菌株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 對菌株YN3 的脫氮效率影響顯著,同時,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。說明菌株YN3 對溫度的敏感度最大。C / N 比、碳源影響次之,充足的碳源才能保證菌株YN3 的生長以及異養(yǎng)硝化的有效進(jìn)行,但C / N過高時,會使有機(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 對其吸收的效率,從而影響菌株YN3 的生長以及反應(yīng)的有效進(jìn)行,pH 和轉(zhuǎn)速的影響最小,說明菌株YN3 對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,而氨氮濃度過高的時候會降低菌株脫氫酶活性,抑制硝化菌的生長,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 ,說明菌株YN3 對氨氮濃度在300 mg·L - 1 以內(nèi)的廢水具有非常好的氨氮去除效果。在整個反應(yīng)過程中,幾乎沒有中間產(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良好。與圖3 相比,菌株YN3 的氨氮去除能力大幅度提高,說明經(jīng)過馴化后的菌株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積累。與初始總氮相比,在整個異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過程中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^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)過程中同時伴有微量的氨氮積累,無羥胺累積。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,72 h 后對亞硝氮的去除率達(dá)到98. 52% ,菌株YN3 對亞硝氮的處理更具優(yōu)勢。
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 ,同時伴有微量亞硝酸鹽和氨氮的積累,而羥胺幾乎無積累。整個反硝化過程硝酸鹽去除率為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)行生長代謝,以氨氮為底物時,菌株YN3 的生長量最大,對氮素的去除效率最高,亞硝酸鹽、硝酸鹽次之。具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.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)通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出菌株YN3 生長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,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)。
