（环境工程专业论文）好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究.pdf

m d d i s s e r t a t i o n s t u d y o nd e n i t r i f i c a t i o nm e c h a n i s ma n d f l o c c u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa e r o b i c d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a b y h 俚nl i s u p e r v i s e db yp t o j f a n g l i u n 叫i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y j a n u a r y , 2 0 1 3 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕士论文 好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究 摘要 好氧反硝化细菌自从被发现以来一直是国内外研究的热点。虽然目前对于好氧反硝 化作用机理还不是特别清楚，但是从历年的研究成果来看好氧反硝化细菌的确可以克服 传统的缺氧反硝化工艺的缺陷，能够在好氧的条件下进行反硝化作用，在污水脱氮处理 中有着很强的应用潜力。本课题组从自然环境中筛选出高效的好氧反硝化细菌，并对其 多个方面进行研究，以丰富和发展对好氧反硝化细菌的认识。 本文筛选得到两株好氧反硝化细菌，分别命名为a d b 4 a 和a d b 7 。设置硝态氮进水 浓度为2 6 8 8 m g l ，在1 6 0 r m i n ，3 0 。c 的环境条件下培养2 天后，菌株a d b 4 a 和a d b 7 对硝态氮的降解率分别达到了8 3 和6 3 。经过1 6 s r d n a 序列测定，认为菌株a d b 4 a 和 a d b 7 分别为短小芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌。 为了更好地了解并利用好氧反硝化细菌，本文从碳源、碳氮比、温度、转速、p h 等因素着手，用单因素法探讨了好氧反硝化细菌生长的最佳环境条件以及环境对菌株的 好氧反硝化作用的影响，均得到了最佳参数。细菌a d b 4 a 和a d b 7 均在3 0 ，2 0 0 r m i n 的条件下生长良好，最佳碳源为柠檬酸钠，氮源为蛋白胨。但是菌株a d b 4 a 适合在c n 为9 时培养，而菌株a d b 7 最佳c n 为2 0 。在对细菌好氧反硝化活性的研究中，设置硝 态氮进水浓度为2 6 5 0 - - 2 7 5 o m g l - 1 ，在最佳条件下培养4 天后，两株细菌对硝态氮 的降解率均能达到9 5 以上。 细菌在好氧反硝化过程中，水体中的含氮物质( 有机氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮) 之间是相互转化的。本文以菌株a d b 4 a 为例探讨反硝化过程中氮元素的相互转化，发现 总氮的含量逐渐减小，4 天后去除率在8 3 以上，硝态氮的降解率为9 9 。但是亚硝态 氮和氨氮在水体中都有一定的积累量。 由于有些细菌同时具有好氧反硝化作用和絮凝作用，本文首次研究了所分离出的好 氧反硝化细菌的絮凝作用。通过对两株好氧反硝化细菌絮凝效果的探讨，发现菌株a d b 7 的絮凝率最大为2 2 ，菌株a d b 4 a 为4 6 9 6 ，两株细菌都具有一定的絮凝作用。 关键词：好氧反硝化，细菌，分离鉴定，氮元素转化，絮凝 a b s t r a c t s t u d yo na e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ah a sb e e na h o t s p o ta th o m e a n da b r o a ds i n c et h e y w e r ef o u n d a c c o r d i n gt os o m er e s u l t s ，a e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ac a l lr e m o v en i t r a t eu n d e r a e r o b i cc o n d i t i o na l t h o u g hm e c h a n i s mo fa e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o ni sn o tv e r yc l e a r , w h i c h o v e r c o m et h ed e f e c t so ft e c h n o l o g yo f a n o x i cd e n i t r i f i c a t i o n t h eb r i g h ti d e ai st h a tt h e yc a l l g e tr i do fn i t r o g e nu n d e r a e r o b i cc o n d i t i o na n dh a v es t r o n gp o t e n t i a la p p l i c a t i o no nn i t r o g e n r e m o v a lf r o mw a s t e w a t e r h i g he f f e c t i v ea e r o b i cd e n i t r i f i e rw e r es c r e e n e da n d i s o l a t e df r o m e n v i r o n m e n ti nt h ep a p e r t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea l s os t u d i e df o rd e v e l o p i n gt h ek n o w l e d g o fa e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n t w os t r a i n so fa e r o b i cd e n i t r i f i e r sw h i c h w e r en a m e da sa d b 4 aa n da d b 7w e r e s c r e e n e da n di s o l a t e d n i t r a t ec o n c e n t r a t i o no f w a t e ri n f l o ww a ss e ta s2 6 8 8 m g 。l 叫n i t r a t e 1 0 s sb ys t r a i n sa d b 4 aa n da d b 7w e r e8 3 a n d6 3 r e s p e c t i v e l ya t3 0 。c ，16 0 r m i na f t e r4 8 h o u r sc u l t u r e t h e yw e r ei d e n t i f i e da sb a c i l l u sp u m i l u sa n db a c i l l u sl i c h e n i f o r m i sb y 1 6 s r d n as e q u e n c e sd e t e r m i n a t i o n i no r d e rt ok n o wm o r ea n dp r o p e r l yu s ea e r o b i cd e n i t r i f i e r s ，s i n g e lf a c t o ra n a l y s i sw a s u s e dt od i s c u s st h eb e s tg r o w t hc o n d i t i o no fs t r a i n sa n de n v i r o n m e n t a le f f e c to na e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o n w h i c hw e r ec a r b o ns o u r c e s ，n i t r o g e ns o u r c e s ，c nr a t i o ，t e m p e r a t u r e ，p h ， r o t a t es p e e da n di n o c u l u ms i z e t h eb e s tp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t a d b 4 aa n da d b 7g r e ww e l l i nt h ec o n d i t i o no f 3 0 ，2 0 0 r r a i n t h eo p t i m a lc a r b o na n d n i t r o g e ns o u r c e sw e r es o d i u mc i t r a t ea n dp e p t o n e ，r e s p e c t i v e l y t h eb e s tc no f a d b 4 a a n d a d b 7w a s9a n d2 0 r e s p e c t i v e l y n i t r a t ec o n c e n t r a t i o no f w a t e ri n f l o ww a ss e ta s2 6 5 o 2 7 5 0 m g l w h e ns t u d y i n go np e r f o r m a n c eo f a e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o n n i t r a t er e m o v a lr a t eo f t o ws t r a i n sc o u l d r e a c ha b o v e9 5 a f t e r4d a y sc u l t u r ei no p t i m a lc o n d i t i o n s i nt h ep r o c e s so fa e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ，v a r i o u sf o r m so fn i t r o g e ni n c l u d i n go r g a n i c n i t r o g e n ，a m m o n i an i t r o g e n ，n i t r a t e ，n i t r i t ew e r ec o n s t a n t l yt r a n s f o r m e d t h et r a n s f o r m a t i o n o fn i t r o g e nw a ss t u d i e db yu s i n gs t r a i na d b 4 a i tw a sf o u n dt h a tt ni nt h ew a s t ew a t e rw e n t d o w nc o n t i n u a l l ya n di t sr e m o v a lr a t ew a sm o r et h a n8 3 a f t e r4d a y s t h en i t r a t er e m o v a l r a t ew a s9 9 a f t e r4d a y s b u tn i t r i t ea n da m m o n i an i t r o g e nw e r ea c c u m u l a t e di nt h ep r o c e s s a l a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r es h o w e dt h a ta l o to fb a c t e r i ah a dc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o na n dt h ef l o c c u l a t i o n f l o c c u l a t i o no ft w os t r a i n sa d b 4 a a n da d b 7w a s s t u d i e df o rt h ef i r s tt i m e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h ef l o c c u l a t i o nr a t eo fs t r a i na d b 7w a su p t 0 2 2 a n dt h es t r a i na d b 4 aw a su pt o4 6 a i lo ft h e mh a dc h a r a c t e r i s t i c so ff l o c c u l a t i o n 1 i 硕士论文 一 堑墨垦堕垡塑堕竺堕茎垫里垄苎鍪堡堑丝塑婴壅 _ _ - _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - - _ - _ 一一。 k e y w o r d s ：a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ，b a c t e r i a ，n i t r o g e n ，t r a n s f o r m a t i o n ，f l o c c u l a t i o n i i i 目录 硕士论文 目录 摘j 耍i a b s t r a c t i i 1 者论。，。，。，1 1 1 氮元素的来源及危害1 1 2 氮素污染治理方法2 1 3 生物脱氮技术2 1 3 1 传统理论上的生物脱氮工艺2 1 3 2 同步硝化反硝化( s n d n ) 过程，3 1 3 3 短程硝化一反硝化脱氮技术一3 1 3 4 好氧反硝化脱氮技术一3 1 4 好氧反硝化细菌的研究4 1 4 1 好氧反硝化细菌的筛选方法4 1 4 2 好氧反硝化的影响因素5 1 4 3 好氧反硝化作用机理6 1 5 好氧反硝化细菌的絮凝效果7 1 ，6 好氧反硝化细菌的应用研究8 1 7 本课题研究内容及目的9 1 8 研究技术路线图1 0 2 好氧反硝化细菌的筛选及鉴定1 1 2 1 材料与方法1l 2 1 1 菌种来源与培养基，1 1 2 1 2 细菌的筛选1 3 2 2 菌株好氧反硝化特性的验证1 4 2 2 1 分析方法1 4 2 2 2 计算方法，l4 2 3 菌株产气性能的测定】5 2 4 菌株1 6 s r d n a 的鉴定1 5 2 5 结果与讨论l5 2 5 1 好氧反硝化细菌的分离一15 2 5 2 细菌好氧反硝化性能的测定1 6 2 5 3 好氧反硝化细菌产气性能的测定17 2 5 4 菌株a d b 4 a 和a d b 7 的1 6 s r d n a 鉴定1 9 2 ，6 小结2 l 3 好氧反硝化细菌a d b 4 a 和a d b 7 生长条件的研究2 3 t v 硕士论文好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究 3 1 材料与方法2 3 3 1 1 细菌2 3 3 1 2 培养基2 3 3 1 3 实验方法2 3 3 2 结果与讨论2 5 3 2 1 碳源对菌种生长的影响2 5 3 2 2 氮源对菌种生长的影响2 6 3 2 3c n 对菌种生长的影响2 8 3 2 4 初始p h 对菌种生长的影响2 9 3 2 5 接种量对菌种生长的影响3 0 3 2 6 摇床转速对菌种生长的影响3 2 3 2 7 温度对菌种生长的影响3 3 3 3 小结3 4 4 环境条件对好氧反硝化作用的影响3 5 4 1 材料与方法3 5 4 1 1 好氧反硝化细菌3 5 4 1 2 培养基3 5 4 1 3 实验方法3 5 4 1 4 分析方法3 6 4 1 5 计算方法3 6 4 2 结果与讨论3 7 4 2 1 碳源对好氧反硝化作用的影响3 7 4 2 2c n 对好氧反硝化作用的影响3 8 4 2 3 温度对好氧反硝化作用的影响3 9 4 2 4 初始p h 对好氧反硝化作用的影响：4 1 4 2 5 转速对好氧反硝化作用的影响4 2 4 2 6 硝态氮负荷对好氧反硝化作用的影响4 4 4 3 小结4 5 5 不同形式的氮元素的相互转化4 7 5 1 材料与方法4 7 5 1 1 细菌4 7 5 1 2 培养基4 7 5 1 3 实验方法4 7 5 2 结果与讨论4 8 5 3 小结4 9 v 目录硕士论文 6 好氧反硝化细菌的絮凝效果。5 0 6 1 材料与方法5 0 6 1 1 细菌5 0 6 1 2 培养基5 0 6 1 3 实验方法5 0 6 2 结果与讨论5l 6 2 1 絮凝活性的分布5 1 6 2 2 细菌培养时间对絮凝效果的影响5 2 6 3 小结5 3 7 结论与建议5 4 7 1 结论5 4 7 2 建议5 5 致谢。5 6 参考文献。5 7 v i 硕士论文 好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究 1 绪论 1 1 氮元素的来源及危害 正如水是人类的生命之源一样，氮元素在人们的生活中也有很重要的存在价值。若 氮元素的容量不超过局部地区、区域，甚至全球的限度，氮循环就能保证各个环节中氮 元素的存在形式在安全容量的范围内，各种事物都会有序进行。但是随着人口的急剧增 长，为了获得更多的食物和能源，氮元素也在人为因素的促使下逐渐超出了其所能容纳 的量，其中就包括水中的氮元素超出水体容量的问题，因此就产生了很多水体污染问 题，其中最让人们束手无策的就是水体富营养化问题和养殖废水中的氮素去除问题。 养殖水体中的污染物主要包括在水体中投加的肥料，没有被鱼鳖类吃掉的鱼饵，鱼 鳖类的排泄物，以及为了防治鱼鳖生病所投加的化学药品盟，3 i 刳，b e r g h e i m 璐3 等人甚至将 死掉的鱼类和垂死的鱼类，以及致病菌都算作养殖水体中的污染物质。水体中的鱼饵、 鱼鳖类的排泄物等有机物最终会被分解掉，分解后的产物主要是氨氮3 ，f i v e l s t a d 等人在研究养殖鲑、鳟鱼类水生生物的水体成分时就发现这些鱼类的氮分泌物中氨氮的 含量占到了8 0 9 0 。氨氮在养殖水体中主要以n h 。和n h 。+ _ n 两种形式存在，对鱼类及 其他水生生物有很强的毒性。它不但可以破坏鱼类的鳃组织，还能够渗透进血液中，降 低血液载氧能力，使鱼类的呼吸机能下降，直接或者间接影响鱼类的生长繁殖，甚至能 够导致鱼类的死亡1 。养殖水体中都会有一定的溶解氧以保证鱼类的正常生长与繁殖， 水体中也会有大量的微生物存在，其中就会有亚硝化细菌和硝化细菌，它们在好氧条件 下能将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，养殖水体中氨氮的含量高，也就预示着水体中亚 硝态氮及硝态氮的含量居高不下。研究发现，亚硝酸盐能够将鱼类血液中的亚铁血红蛋 白氧化为高铁血红蛋白，从而抑制血液的载氧能力影响其生长，严重时会使鱼类窒息死 亡 9 o 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指湖泊、河口、海湾等缓流水体的氮、磷等营养 元素物质在人类活动的影响下大量增加，藻类及其他浮游生物不断增殖，导致水体中的 溶解氧量急剧下降，水中生物大量死亡，水质恶化的现象n0 1 。虽然在自然条件下，水体 也会由贫营养化过渡到富营养化，但是这个过程是非常缓慢的，人为的影响却可以使其 短时期内实现，使湖泊失去生态功能，导致湖泊生态系统陷入瘫痪，最终严重影响人类 的生活。造成水体中氮元素急速上升的原因主要有以下几种：( 1 ) 食品生产、饲料、氮 肥制造等产生的工业废水未经处理或未达标排放，流入湖泊河流；( 2 ) 生活小区和公共 建筑物中排放出来的粪便废水也是含有大量的氮元素，有些会经过城市污水厂处理后排 入水体，有些也会直接进入河流；( 3 ) 暴雨过后，农田径流会挟带大量的铵盐和硝酸盐 l 绪论 硕士论文 氮流入江河湖泊，导致水体中氮元素的急剧增加。 1 2 氮素污染治理方法 氮素污染问题迫在眉睫，研究者为此也做了大量研究，努力寻求降低氮元素污染的 方法。到目前为止，废水脱氮的方法大体上分为化学、物理化学和生物方法三大类。 化学处理方法主要是利用化学反应的作用来脱氮，主要有离子交换、催化裂解、折 点氯化、氨吹脱、焚烧、电化学处理、电渗析等技术。物理化学方法主要利用其原理和 化工单元操作来达到去除氮素的目的，特别是针对氨氮( n h 4 + _ n ) 的去除，主要方法有吸 附法、空气吹脱法、膜过滤方法。其中膜过滤法主要用来处理微污染水体，王娟n 等人 研究出一种新型复合纳米滤膜- c m c h p a n 复合纳米滤膜，在对生化处理后的中水进行深 度处理时，总氮的去除率可达8 3 以上；k o y u n c ud 1 2 3 等人应用反渗透膜去除地表水中 n h 。+ 一n ，也取得了很好的处理效果。 但是不论是用化学方法还是用物理化学方法脱氮都有其局限性和缺点，其中最大的 缺点就是容易引起二次污染，而生物法却能够弥补这一缺陷。另外，它还具有操作运行 简单，废水达标排放可靠性强等优点，被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方 法1 引。 污水生物处理过程是指利用微生物的新陈代谢把污水中存在的各种溶解态或胶体 状态的有机污染物转化为稳定的无害化物质n4 i 。目前废水的脱氮处理大多采用生物法， 经过几十年的研究与发展，废水生物脱氮技术在理论认识和工程实践方面都取得了极大 的进步。 1 3 生物脱氮技术 1 3 1 传统理论上的生物脱氮工艺 传统理论认为生物脱氮是指含氮的化合物先经过氨化阶段将有机含氮化合物转化 为氨氮，再经过硝化阶段在亚硝化菌和硝化菌的作用下将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸 盐，最后经过反硝化阶段在反硝化细菌的作用下将硝态氮及亚硝态氮还原为氮气( n 。) ， 最终被去除的过程。氨化可以在好氧或厌氧条件下进行，硝化作用是在好氧条件下进行 的，反硝化作用则只能在缺氧条件下进行。因此，传统的生物脱氮工艺都是将好氧硝化 段和缺氧反硝化段分开的。1 9 6 9 年美国的b a r t h 提出的三段生物脱氮工艺是最早的应用 实例，该工艺将有机物氧化、硝化和反硝化三段独立开来，每部分都有各自的沉淀池 和污泥回流系统；接下来发展为将有机物氧化和硝化段合起来成为好氧段，反硝化单独 为缺氧段，这两个过程不能同时进行，只能序列进行，形成分级生物脱氮工艺，主要有 前置缺氧一好氧生物脱氮工艺，后置缺氧一好氧生物脱氮工艺，以及b a r d e n p h o 生物脱氮 2 硕士论文好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究 工艺。 1 3 2 同步硝化反硝化( s n d n ) 过程 同步硝化反硝化过程是指在没有明显独立设置缺氧区的活性污泥法处理系统内总 氮被大量去除的过程。对该工艺的解释主要有两种：一是反应器溶解氧( d 0 ) 分布不均理 论，该理论认为反应器中在不同空间及不同时间点上充氧不均衡，混合不均匀，反应器 内存在不同部分的缺氧区和好氧区，得以使硝化和反硝化作用能够同时进行；二是缺氧 微环境理论，认为在生物絮体颗粒尺寸足够大的情况下，从絮体表面至其内核的不同层 次上，氧的传递受到限制，导致氧的浓度分布不均，微生物絮体的外表面氧的浓度较高， 主要是好氧硝化菌进行硝化反应，内层浓度较低形成缺氧区，主要为反硝化菌进行反硝 化反应，这样硝化和反硝化就可以同时进行。 1 3 3 短程硝化一反硝化脱氮技术 短程硝化一反硝化生物脱氮技术与传统的脱氮方法相比较，根本的区别就是在硝化 阶段只将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后就直接进入反硝化阶段，技术关键点是必须稳定 的维持亚硝态氮( n o ：一一n ) 的积累n 引。经过大量的试验探索，研究人员终于发现可以通过 控制p h 实现n 0 ：一一n 的积累n6 1 7 1 。国内高大文n 8 3 等人在2 8 。c 条件下运行反应器脱氮，通 过控制反应器内初始p h 为7 8 - - 8 7 积累n o ：- - n ，2 5 天后亚硝酸盐氮的积累率达到9 0 以上，成功实现了短程硝化反硝化生物脱氮工艺的正常运行。 该工艺在曝气阶段可以节约2 5 因供氧而消耗的能源n 引，在反硝化阶段可以节约4 0 的有机碳源口0 】，并且还具有污泥产量低和占地面积少等优点乜，相对于传统生物脱氮工 艺优势明显，在废水脱氮方面应用广泛。 1 3 4 好氧反硝化脱氮技术 传统理论认为反硝化只能在缺氧条件下进行，所以脱氮工艺严格意义上讲都是分为 好氧段、缺氧段序批式进行的。但是上个世纪8 0 年代，r o b e r t s o n 晗2 1 等人在除硫和反硝 化处理系统出水中分离出了能够在好氧条件下进行反硝化作用的细菌，它们分别为假单 胞菌属的某一种( p s e u d o m o n a ss p p ) 、泛养副球菌( p a r a c o c c u sp a n t o t r o p h a ) 和粪 产碱菌( a l c a l i g e n e sf a e c a l i s ) ，开拓了脱氮技术的新领域。好氧反硝化细菌的发现使 得氨化、硝化、反硝化同时在好氧条件下进行成为可能，能避免短程硝化反硝化脱氮技 术中亚硝态氮的积累，防止对水生生物及人类造成危害，而且其应用起来操作简单，节 约成本，逐渐成为国内外脱氮研究的热点。 l 绪论 硕士论文 1 4 好氧反硝化细菌的研究 自从上世纪8 0 年代发现好氧反硝化细菌以后，国内外的研究人员就努力从不同的 基质中筛选好氧反硝化细菌，积极探讨筛选方法，找出其生长的最佳环境以及在何种条 件下才能使其反硝化率最大化，并研究其作用机理。目前国内外筛选出来的好氧反硝化 细菌有克雷柏氏杆菌属( k l e b s i e l l a ) 乜3 】、苍白杆菌属( o c h r o b a c t r u m ) 陋4 1 、嗜冷菌属 ( p s y c h r o b a c t e r ) 乜5 3 和芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 啪3 等。 1 4 1 好氧反硝化细菌的筛选方法 好氧反硝化细菌的筛选方法有很多，包括间歇曝气法、滴加试剂法、酸碱指示剂法 等，不同的研究人员也会根据自己的需求以及试验室条件将多种筛选方法组合，从而达 到自己的试验目的，我们将其命名为综合筛选法。下面将对这几种方法做简要介绍。 间歇曝气法：w i l s o n 乜7 3 等人致力于研究好氧反硝化的作用机理，提出了细菌反硝化 过程中的电子传递模型，见图1 1 。 图1 1 细菌反硝化过程的电子传递模型 f i g1 1t h ee l e c t r o nt r a n s f e rm o d e li nt h ep r o c e s so fb a c t e r i ad e n i t r i f i c a t i o n 从图中可以看出氧气不是抑制反硝化酶合成及其活性的直接因素，硝态氮( n 0 3 - 一n ) 被还原的同时，氧气也被还原，两者均可以作为电子的最终受体乜引。间歇曝气法就是利 用此特性，好氧环境和厌氧环境交替进行，让完全好氧细菌和厌氧细菌都不能正常生长， 结果好氧反硝化细菌的生长在竞争中取得优势，从而被筛选出来乜9 | 。l o n e 啪1 等人从间歇 厌氧好氧运行的污水处理池底活性污泥中筛选，得到1 6 株好氧反硝化细菌。间歇曝气 法一般作为驯化菌种的手段，周丹丹b 等通过逐步增加曝气时间培养活性污泥4 0 天， 4 硕士论文好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究 筛选得到了2 5 株好氧反硝化细菌，总氮( t n ) 的去除率均在5 0 以上。 滴加试剂法：该方法是利用格里斯试剂和二苯胺试剂对硝态氮和亚硝态氮的指示作 用对好氧反硝化细菌进行筛选。吸取2 滴培养液滴在白瓷比色板上，然后在滴加2 滴格 里斯试剂，如果出现红色反应就证明有n o ：- - n 的产生；若要检测n 0 3 - - n 是否存在需另取 2 滴培养液滴在白瓷比色板上，加2 滴二苯胺试剂，出现蓝色反应就证明n 0 3 一一n 的存在 2 | 。周立祥b 3 1 等人就利用滴加试剂法从土壤中分离得到了3 株好氧反硝化细菌。 酸碱指示剂法：好氧反硝化细菌在代谢过程中会导致o h 一的积累( 式( 1 1 ) 、式 ( 1 2 ) ) ，p h 值逐渐升高。 n 0 3 一+ 5 h ( 电子供给体一有机物) 专1 2 n 2 + 2 h 2 0 + o h n 0 2 一+ 3 日( 电子供给体一有机物) 专1 2 n 2 + o + o h 一 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 根据这一原理，研究工作者通常选用溴百里酚蓝( b t b ) 选择培养基来筛选菌株。该 培养基的特点为：( 1 ) 选择硝酸钾( 1 ( n 0 3 ) 作为唯一氮源：( 2 ) 培养基p h 变色范围为6 0 7 6 ，颜色会由黄色经绿色变为蓝色，从而指示出好氧反硝化细菌的存在。配制培养基 时，p h 通常调节为7 0 7 3 。吴美仙m 1 、于大禹引、何伟啪1 等人都运用b t b 选择培养 基筛选得到好氧反硝化细菌。 综合筛选法：一般好氧反硝化细菌的筛选方法都不是单独使用的，研究人员会根据 各种筛选方法的机理合理组合，以便顺利的筛选出好氧反硝化细菌。张小玲口7 1 等人筛选 好氧反硝化细菌的方法就是将间歇曝气、酸碱指示剂法和滴加试剂法三种方法合理组 合，筛选得到了5 株好氧反硝化细菌，它们对总氮的去除率最高可以达到6 8 ，对硝酸 盐的降解率均在9 5 以上。 1 4 2 好氧反硝化的影响因素 虽然目前研究者对细菌好氧反硝化作用的研究还没有一个统一的认识，但是大部分 学者认为温度、溶解氧浓度、碳氮比( c n ) 和p h 等会影响好氧反硝化作用，其中最主要 的限制因素是溶解氧浓度和c n ，但是这些因素对不同的菌种的影响是不同的。 碳氮比：好氧反硝化细菌的菌属不同，在进行反硝化作用时的最佳碳源就会有所不 同，而选择的碳源不同，最佳的c n 比又会有区别。c h u i 等人认为这可能是因为碳源 的不同引起了菌种代谢途径的变化，其面临的竞争也会发生变化。h u a n g 口鲫等人认为c n 是影响好氧反硝化作用的主要因素，在研究好氧反硝化细菌c i t r o b a c t e rd i v e r s u s 时， 发现当c n 为4 5 时，该菌株的反硝化速率最高；j o o h 们等人发现c n 达到一定程度后 好氧反硝化速率就不会增j j u t ，例证是当c n 为5 时，好氧反硝化细菌a f a e c a l i s 菌 株的反硝化作用进行的不彻底，当c n 为1 0 时，好氧反硝化作用进行完全，但是c n 气 l 绪论 硕士论文 高于l0 时，反硝化作用率变化不是很大。 溶解氧浓度：传统理论认为反硝化作用只能在缺氧条件下进行，但是好氧反硝化细 菌的出现使得反硝化也可以在有一定分子氧浓度条件下进行。对于好氧反硝化细菌来 讲，有些研究者认为氧也可以作为电子受体，氧或者硝酸盐作为电子受体取决于两者的 浓度h ，因此溶解氧的浓度也就会成为好氧反硝化的影响因素。不同的菌株对氧浓度的 要求是不一样的。有的研究者认为溶解氧的浓度对好氧反硝化作用的影响不大，p a i 口副 等人发现菌种p s y c h r o b a c t e ri m m o b i1 is 在缺氧条件下可以进行反硝化作用，产n 2 的速 率为l o 4 m m o l g h ，在有一定溶解氧的条件下产n 。的速率能达到1 1 6 r e t o o l g h ， 反硝化作用仍能正常进行。但是也有研究人员在研究过程中发现反硝化作用在低溶解氧 浓度条件下效率会更高，l u k o w “2 1 等人发现细菌p d e n i t r i f i c a n s 在溶解氧浓度达到大 气饱和浓度的3 0 - - 7 0 时，反硝化速率保持稳定，变化范围很小，随着溶解氧浓度的降 低，反硝化作用逐渐加强，当氧浓度减少到o 的大气饱和度时，反硝化作用达到最大。 其它影响因素：温度、p h 也会成为好氧反硝化作用的限制因素，但这也是由菌属决 定的，不同的菌种对温度和p h 的适应情况是不同的。好氧反硝化作用可以在一个很宽 的温度范围内进行，大多数学者认为在2 0 3 5 。c 范围内反硝化作用都可以正常进行。张 苗h 3 1 等人从燃煤电厂生物滴滤系统填料的生物膜上分离出一株能在5 0 高温条件下生 长的好氧反硝化细菌，经鉴定为鳌台球菌属( c h e l a t o c o c c u s8 p ) 。但是温度过低却不 利于反硝化活动的进行。普遍认为，好氧反硝化作用适宜在中性和微碱性之间进行，p h 范围一般为7 o 8 0 。在实验室研究中，一般根据这个范围来调节培养基的p h ，以便 适合菌株的生长。 1 4 3 好氧反硝化作用机理 虽然研究学者筛选出了一部分好氧反硝化细菌，但对其反应机理的研究相对来讲少 之又少。目前对好氧反硝化的作用机理还不是特别明确，最著名的两个理论：一个是被 大家普遍接受的微环境理论，另一个就是生物学理论。下边将分别介绍这两个机理， 微环境理论：该理论认为在活性污泥的絮体内，在生物絮体颗粒尺寸足够大的情况 下，从絮体表面至其内核的不同层次上，氧的传递受到限制会导致氧的浓度分布不均， 微生物絮体的外表面氧的浓度较高，主要是好氧硝化菌进行硝化反应，内层浓度较低形 成缺氧区，主要为反硝化菌进行反硝化反应：除了活性污泥絮体外，若生物膜有一定厚 度其中同样存在溶解氧浓度梯度，生物膜内层也会形成缺氧微环境。据此可以推测，当 生物反应池内溶解氧浓度不高时，会使缺氧环境的比例有所升高，会更有利于好氧反硝 化作用的进行，这可能也是有些细菌适合在低浓度溶解氧的条件下进行好氧反硝化的原 因。 生物学理论：从生物学角度来讲，无论是传统理论认为的缺氧反硝化还是好氧反硝 6 硕士论文 好氧反硝化细菌的脱氮机理及其絮凝特性的研究 化，在反应过程中起关键作用的酶是一致的，分为硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一 氧化氮还原酶和一氧化二氮还原酶。r o b e r s o n 乜2 1 等人最先发现好氧反硝化细菌，并探讨 细菌在好氧条件下进行反硝化作用的机理，经过努力，提出了套初级模型，如图1 2 所示。 电子是否喜以自壹流向氧墨_ 有氧呼吸电子是否可以自壹流向氧竺+ 有氧呼吸 l 否 是 掷是觥用三硝是否可以进行硝纯作用，二硝化f # 用 l 否 生 醋 渤( p ) h l 士 反l 硝 也 化i 等 之 硝 化 作 用 图1 2 异养硝化好氧反硝化初级模型 f i g1 2p r e l i m i n a r ym o d e lo fh e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n da e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n 在这个模型中可以看到当电子从n a d ( p ) h 进入细胞色素链，电子在流向氧时，在 细胞色素a a 3 处会有一个瓶颈，这会导致还原力上升，使额外电子可以流向反硝化路径。 随后更多的研究工作者也加入到对好氧反硝化机理的探讨中。w il s o n 堙 等人在1 9 9 3 年 提出了细菌在好氧反硝化过程中的电子传递模型，如图1 1 所示，补充和发展了 r o b e r s o n 乜2 3 等人提 出的瓶颈假设，普遍被现在的学者所接受。该模型显示出，在电子的 传递过程不受限制时，细胞色素b 会作为电子供体将电子传递给硝酸盐还原酶。x i a h 射 等人猜想，在电子接受机制中，好氧反硝化作用是有氧呼吸的一种补充，或者同有氧呼 吸是一种竞争关系，但是菌种在反硝化过程中何时会从利用氧转为利用硝酸盐，目前还 没有研究人员发现，需要进一步探讨与研究。 1 5 好氧反硝化细菌的絮凝效果 微生物絮凝剂是一种由微生物产生的可使液体中不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细 胞及胶体粒子等凝集、沉淀的特殊高分子代谢产物h 卯。主要包括：( 1 ) 直接利用微生物 细胞的絮凝剂，一些存在于土壤、污泥中的细菌、霉菌、放线菌、酵