环境微生物作业硝化反硝化细菌

1、反硝化细菌和反硝化聚磷菌在污水处理中的运用摘要：微生物法在污水处理过程中起到十分重要的作用。其中反硝化细菌与反硝化聚磷菌在污水处理中运用更为广泛，本文就对这两种细菌的研究情况作一些简单概述。关键词：反硝化细菌；反硝化聚磷菌；自养反硝化；好氧反硝化随着人类生活水平的不断提高和工业生产的快速发展，带来越来越严重的水质污染问题。寻求新的高效污水处理办法也是现在的一大研究方向，微生物处理法在污水处理中有着广泛的运用。本文着重介绍两种细菌：反硝化细菌和反硝化聚磷菌在污水处理中的一些运用。一 反硝化细菌 反硝化细菌(Denitrifying bacteria) 是一类兼性厌氧微生物,当处于缺氧环境时,反硝

2、化细菌可用硝酸盐、氮化物等作为末端电子受体。有些反硝化细菌能还原硝酸盐和亚硝酸盐,有些反硝化细菌只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。 反硝化细菌与污水除氮原理：污水中的含氮有机物经过异养菌的氨化作用转变为氨氮,再经过硝化细菌的硝化作用将氨氮转变为亚硝酸盐和硝酸盐态氮,最后经过反硝化细菌的反硝化作用将亚硝酸盐和硝酸盐还原为NO、N2O ,并最终变为N2 ,从而将含氮物质从污水处理系统中排出。当环境中有分子态氧存在时,反硝化细菌氧化分解有机物,利用分子态氧作为最终电子受体。在无分子态氧存在下,反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体,有机物则作为碳源及电子供体提供能量。在污水处理中,当溶解氧(DO) 小

3、于或等于0.15mgPL 情况下,反硝化细菌利用污水中的有机碳源(污水中的BOD) 作为氢供体,以硝酸态盐作为电子受体,将硝酸盐还原为NO、N2O 或N2 ,这既可消除污水中的氮,又可恢复环境的pH 稳定性,对污水处理系统的正常运行起重要作用。在污水处理中反硝化细菌种类很多。 影响污水脱氮过程中反硝化反应的因素：1.有机碳源：一般认为,当污水中的BOD5PT2N 值 35 时,即可认为碳源是充足的,此时不需要补充外加碳源。甲醇作为碳源时反硝化速率高,被分解后的产物为CO2 和 H2O ,但处理费用较高。污水处理系统中碳源的种类不同可导致反硝化细菌的类群及反硝化活性不同。2.ph值：反硝化过程最

4、适宜的pH 范围为6.157.15 ,不适宜的pH 值会影响反硝化细菌的生长速率和反硝化酶的活性。当pH 值低于6.10 或高于8.10 时,反应受到强烈抑制。反硝化反应对NO-或NO-2 的消耗有助于pH 值保持在所需范围内并可补充在硝化过程中消耗的一部分碱度。3.温度：反硝化细菌适宜的生长温度在25 35 之间,低于15 时增殖速率和代谢速率降低,导致反硝化速率降低。实际中反硝化一般控制在15 30 。4.溶解氧 ： 当同时存在分子态氧和硝酸盐时,反硝化细菌优先进行有氧呼吸。微生物从有氧呼吸转变为无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸的酶,而分子态氧的存在会抑制这类酶的合成及活性。为了保证反硝化过程

5、的顺利进行,必须保持严格的缺氧状态。一般认为,系统中溶解氧保持在0.15mgPL 以下时反硝化才能正常进行。另外,一些其它因素如污水中有毒有害物质、盐度等都会影响反消化过程的进行,如随着污水中盐度的增加,反硝化活性逐渐降低。下面简单介绍几种反硝化细菌：有氧反硝化细菌 许多微生物能有氧呼吸,同时反硝化。从污水中分离的副球菌属的细菌( Paracoccus pantotrophus)是首先被描述的有氧反硝化细菌,硝酸盐或亚硝酸盐还原为 N2 可在大气氧存在情况下发生。施氏假单胞菌( Pseudomonas stutzer) 是另一个报道的有氧反硝化细菌, 对氧的耐受力要超过Paracoccuspa

6、ntotrophus 。有氧反硝化细菌的许多问题还需深入研究。Paracoccus pantotrophus 在有氧条件下不表达亚硝酸盐还原酶,所以有氧条件下还原亚硝酸盐的机制还不清楚。大多数反硝化细菌在有氧条件下产生N2O 而不是N2。Naoki Takaya 等研究检测到两株细菌使硝酸盐还原需要氧,也属于有氧反硝化细菌。由于有氧反硝化细菌在环境中的特殊意义,对其进行研究受到广泛关注。自养反硝化细菌 自养反硝化细菌近年来发现一些自养细菌能够利用一些无机物(CO2 ,HCO3- ) 在氧化过程中释放出来的能量将硝酸盐还原,进行反硝化作用,这类细菌称为自养反硝化细菌。由于不需要投放有机物作为碳源

7、可节省开支,同时由于只产生极少量的污泥,可使污泥的处理量降低到最低。因此,自养反硝化细菌在污水脱氮中具有重要意义。倍受关注的自养反硝化细菌有脱氮硫杆菌( Thiobacillus denitrificans) 和反硝化硫微螺菌( Thiomicrospira denitrificans) 。 反硝化除磷细菌 污水生物除磷是非常经济有效的方法,聚磷菌需要交替的好氧和厌氧条件,在厌氧区释放磷,而在好氧区则在细胞中合成并积累多聚磷酸盐。最近发现一些聚磷菌在好氧或缺氧条件下以硝酸盐作为电子受体而积累磷。这类菌被称为反硝化除磷细菌( Denitrifying Phosphorus2removingBac

8、teria) 。反硝化除磷细菌能在聚磷的同时进行硝酸盐的去除,而不需要厌氧和好氧的相互交替。反硝化除磷细菌的发现可在理论上探讨反硝化细菌和除磷细菌之间的关系,在实际中可探讨污水脱氮除磷的新机制和新工艺。二反硝化聚磷菌（DPB）1 DPB脱氮除磷的基本原理：DPB被证实具有和好氧聚磷菌极为相似的代谢特征。国外学者从动力学性质上对这两类聚磷菌进行了比较，认为以硝酸盐作为电子受体的DPB有着和好氧聚磷菌同样高的强化生物除磷性能。因DPB是兼性厌氧菌，它利用生物体内合成的高分子聚合磷酸盐在厌氧/缺氧交替变化中进行生物除磷。(1)在厌氧条件下，将细胞内的聚磷酸盐以溶解性的磷酸盐形式释放到溶液中；同时，利

9、用此过程中产生的能量将酵解产物低级脂肪酸(如乙酸盐或丙酸盐等)，合成有机储备物质聚一羟基丁酸酯(PHB)颗粒作为下一阶段的电子供体，此时表现为磷的释放，即磷酸盐由微生物体向环境转移。(2)当微生物进入缺氧环境后，它们的活力将得到恢复，并在充分利用基质的同时(如PHB及内源碳)，大量吸收溶解态的正磷酸盐，在细胞内合成含能高的多聚磷酸盐并加以积累，这种积磷作用大大超过微生物正常生长所需的磷量，可达到细胞干重的6%左右，甚至有报道可达8%，此阶段表现为磷的吸收。同时还存在将硝酸盐当作电子受体，进行还原产气的过程，表现为环境中氮的去除。DPB在不同环境下的生理活动见图1。2 DPB在污水处理中的应用2

10、1 DPB脱氮除磷特性反硝化除磷技术的发现是生物除磷的最新研究成果，是一种高效、可行的污水除磷脱氮技术。它的最大优点是节省大量的曝气量，而且减少剩余污泥量，反硝化除磷能节省30%的O2消耗量，相应减少50%的剩余污泥量。反硝化除磷与传统生物除磷技术相比，能使生物除磷与反硝化脱氮为同一种反硝化聚磷菌在一个生理过程中完成，将两者有机地合二为一。这是该技术可节省能源和资源的原因，也正是这个原因，上述一系列工艺被誉为适合可持续发展的绿色除磷脱氮工艺。李相昆等对接触氧化、SBR、A/O、A2/O和双污泥系统的活性污泥做了好氧吸磷和缺氧吸磷的静态烧杯试验。结果表明，SBR、A2/O、双污泥系统的污泥在好氧

11、和缺氧条件下均有很好的吸磷效果，其中双污泥系统污泥的缺氧吸磷速率和反硝化速率最大。而且在缺氧条件下，当N03 充足时，其浓度对吸磷效果影响不大，吸磷速率为752 mgPO4 3- P/(gMLVSSh)，反硝化速率为974 mgN0x一N/(gMLVSSh)。在厌氧条件下，以蔗糖为碳源的释磷量最小，释磷速率亦最低，而以CHsC(X)Na为碳源的释磷量和释磷速率均最大，释磷速率为42 nagPO4 3- 一P/(gMLVSSh)。李勇智等也采用厌氧/缺氧SBR反应器对以硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷过程进行了研究。结果表明，反硝化聚磷菌完全可以在厌氧/缺氧交替运行条件下得到富集。稳定运行的厌氧/

12、缺氧SBR反应器的反硝化除磷效率90%，出水磷浓度lmg/L。进水COD对反硝化除磷的效率影响很大，在COD180mg/L时，进水COD越高，除磷效率也就越高，最大效率可达94%。2.2 DPB的影响因素对于反硝化除磷工艺效果的影响因素较多，主要集中在电子受体、氧含量、pH、碳源和菌种竞争等方面。23 应用随着微生物学和生物化学的发展以及人们对生物技术的掌握，脱氮除磷技术由以单纯工艺改革向着以生物学特性研究、促进工艺改革的方向发展，以达到高效低耗的目的。目前，满足DPB所需环境和基质的工艺有单、双两级。在单级工艺中，DPB细菌、硝化细菌及非聚磷异养菌同时存在于悬浮增长的混合液中，顺序经历厌氧/

13、缺氧/好氧三种环境。最具代表性的是BCFS工艺。在双级工艺中，硝化细菌独立于DPB而单独存在于某反应器中。双级工艺主要有Dephanox和A2NSBR等。3 结语(1) 以上是两种微生物在污水处理中的一些原理和运用，从中我们可以看到这些新技术的广泛运用前景和拓展空间。利用微生物法处理污水不仅节约了经济资源。(2)反硝化聚磷菌DPB具有在缺氧环境吸磷，能使吸磷和反硝化(脱氮)这两个生物化学过程借助同一种细菌在同一种环境下一并完成的特点，故在工艺环境中有不仅可以节省对碳源的需要，而且吸磷过程在缺氧段内完成可节省曝气所需要的能源，产生的剩余污泥量也大为降低等诸多优点。3)反硝化聚磷过程在废水的强化生物除磷过程占有重要的地位，具有良好的应用前景。随着学科和技术的发展，基础