SBR工艺中硝化作用细菌的氨氮耐受性实验研究

简介： 针对SBR脱氮工艺中起硝化作用的亚硝化菌和硝化菌对氨氮的不同耐受浓度，在实验室中利用微生物培养的方法对此进行了实验研究，找出了这两种菌对氨氮的最适宜以及最高耐受浓度，为脱氮微生物的驯化培养以及以脱氮为目的SBR工艺的运行提供了参考。
关键字：生物脱氮 亚硝化菌 硝化菌 氨氮耐受性

　　The Experiment Research of Endurance of Nitrifying Organisms to Ammonia Nitrogen Pan deng, Liu jun, Cai pei-juan.(School of Chemical and Environmental Engineering, Beijing Technology and Business University，Beijing 100037)

　　Abstract:The endurance concentration of nitrifying organisms in SBR to ammonia nitrogen is different so experiment were done to find out the optimum and maximal endurance concentration of nitrosomonas and nitrobacteria to ammonia nitrogen. The result provide reference to the engineering practice of the removal of ammonia nitrogen in SBR process.

　　Keywords: Unconventional pathways of nitrogen removal, nitrification , denitrification intermediate

　　氨氮在水体中浓度过高会使水体具有高耗氧性以及富营养化。目前，生物脱氮工艺中经常会涉及到高浓度氨氮废水的处理，比如说垃圾渗滤液中的氨氮浓度可以达到几万个mg/L甚至更高，在生物处理之前必须对其进行其他的预处理，比如说物理化学处理、浓度稀释等^[1]。如果能通过预处理使得进入生化反应器的氨氮浓度控制在合适的水平，一方面能避免因负荷过高使脱氮微生物失去活性和死亡，另一方面也可以提高反应器的处理效率。

　　另外，近年来出现了废水生物脱氮的新机理，比如说短程硝化反硝化，就是将硝化过程控制在亚硝酸盐的阶段，再以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化。这个反应的过程可以表示为

　　NH₄⁺NO₂^-N₂，相比NH₄⁺ NO₂^-NO₂^- NO₂^-N₂需氧量减少25%，碳源减少40%，并有反应速率高，产生污泥量少等优点^{[2] [3]}，控制氨氮浓度在一定的水平，可以实现优化亚硝化菌，淘汰硝化菌的目的。

　　1．生物脱氮的原理

　　废水的生物脱氮由硝化过程和反硝化过程实现，氨氮氧化成亚硝酸盐的硝化反应是由两组自养型好氧微生物通过两个过程完成的。第一步是先由亚硝酸菌将氨氮（NH₄⁺-N）转化为亚硝基氮（NO₂^--N）；第二步再由硝化菌将亚硝基氮转化为硝基氮（NO₃^--N），这两个反应可以由以下两个反应式表示：

　　 NH₄⁺ + 1.5O₂ NO₂^-+ 2H⁺ + H₂0 （1）

　　 NO₂^- + 0.5O₂ NO₃^- （2）

　　 反硝化是由异养型微生物，在缺氧或厌氧的条件下将NO₂^-–N和NO₃^-–N还原为N₂，反硝化的生化过程可以由以下两个反应式表示：

　　NO₂^-+3H⁺0.5 N₂ + H₂0 + OH^- （3）

　　NO₃^-+5H⁺ 0.5 N₂ + 2H₂0 + OH^- （4）

　　2. 实验过程及结果

　　2.1 SBR脱氮微生物的培养及脱氮效果

　　实验室中SBR反应器是一个有效容积为4L的有机玻璃柱，每个周期10.5小时，实验工序为：进水→厌氧搅拌3hr→曝气8hr →厌氧搅拌1.5hr→沉淀1hr→排水，每个周期排水2L进水2L，曝气阶段溶解氧控制在2.5～3.0mg/L。采用试验进水CODcr为720mg/L, NH₄⁺-N为110mg/L。经过3个月的驯化，脱氮效果达到稳定的水平，总氮的去除率达到90％以上，CODcr去除率达到95％以上，实验期间污泥浓度MLSS=3368mg/L。

　　2.2 亚硝化菌和硝化菌的NH₄⁺–N耐受性实验

　　于250 mL锥形瓶中分别加入100 mL(亚)硝化富集培养基，再取5滴活性污泥样液接种到富集培养基中，在各锥形瓶中分别加入NH₄Cl溶液0mL、1mL 、2mL、 3mL、4mL、5mL、6mL、7mL ，于28゜C气浴恒温振荡器中振荡培养7天，观察各瓶(亚)硝化细菌的生长情况。每隔一天在白瓷板上按1：1的比例加入格里斯试剂的Ⅰ液和Ⅱ液，然后用无菌滴管分别取一滴富集培养液的培养物于白瓷板上，可观察到有些溶液的颜色逐渐变化。并且取各溶液用分光光度计测其吸光度。

　　颜色变化主要是由于培养时间不同，对NH₄⁺-N耐受性不同，(亚)硝化细菌消耗的营养物量不同，产生的NO₂^-的量不同，与格里斯试剂反应，所得溶液颜色深浅不同，因此可采取用分光光度计测定亚硝化细菌的生长情况，以衡量其对NH₄⁺-N的耐受性能力。

　　2.3亚硝化细菌的氨氮耐受性试验

　　按2.2所述的方法振荡培养7天，每隔一天观察。加入0mL、1mL 、2mL、 3mL、4mL、5mL、6 mL NH₄Cl溶液的培养液颜色逐渐由浅粉色变到深红色；但加入NH₄Cl溶液为7mL的，颜色并没有渐增，一直都是浅粉色。

　　以蒸馏水为参比，取各溶液用分光光度计测其500nm处的吸光度：用干净的移液管吸取不同浓度的2mL培养液分别于洁净试管中，再在每根试管中分别滴加一滴格里斯试剂Ⅰ液和一滴Ⅱ液，然后用移液管吸取1 mL 的Ⅰ液和1mL的Ⅱ液，果然试管中的培养液中加入0mL、1mL 、2mL、 3mL、4mL、5mL、6 mL NH₄Cl溶液的颜色是深红色，而加入7mLNH₄Cl溶液的培养液是浅红色。在500nm处测其吸光度，发现所有的培养液的吸光度都是无穷大，于是又分别从格样液中吸出1 mL的样液于另一干净试管中，再吸取4mL的蒸馏水于此试管中，即将样液稀释5倍。再装样液于比色皿中，测其吸光度数据见表1，根据表1中数据作图1和图2。

　　表1 不同的NH₄Cl加入量下不同培养时间亚硝化菌样品的吸光度

　　由图1可知，在加入0mL、1mL 、2mL、 3mL、4mL、5mL、6 mL下亚硝化菌均可生长，当加入4mL26.2mg/L的NH₄Cl溶液时，此时培养液NH₄⁺-N浓度是26.2×4/1000=104.8mg/L，样品的吸光值达到最大，说明亚硝化细菌生长数量最多，相比较而言该浓度是亚硝化菌的最适宜耐受浓度。由图2可以看出，当加入NH₄Cl溶液为7mL时，培养7天，吸光度几乎没有变化，说明细菌的数量并没有明显的增加，说明在NH₄⁺-N浓度为183.4 mg/L时亚硝酸细菌的生长几乎被抑制了。由于培养液NH₄⁺-N浓度间隔较大，以致曲线上的点连续性并不理想，不能完全以104.8mg/L和157.2mg/L作为亚硝化菌对NH₄⁺-N的最适宜和最大耐受浓度。但可以从曲线上估计出亚硝化菌对NH₄⁺-N的最适宜耐受浓度为100mg/L～150mg/L；最高耐受浓度为180mg/L左右。

　　2.4 硝化细菌的氨氮耐受性试验

　　方法基本与亚硝化菌的实验方法相同，只是显色剂是二苯胺－硫酸试剂，观察到的变化是加入NH₄Cl溶液0mL、1mL 、2mL、 3mL、4mL、5mL、6mL的培养液，颜色由浅蓝色变到深蓝色；加入7mLNH₄Cl溶液，颜色基本一直是浅蓝色。测其吸光度数据见表2，根据表2中数据作图3和图4。

　　表2 不同的NH₄Cl加入量下不同培养时间硝化菌样品的吸光度

　　由图3可知，在加入0mL、1mL 、2mL、 3mL、4mL、5mL、6 mL下硝化菌均可生长，当加入3mL26.2mg/L的NH₄Cl溶液时，此时培养液NH₄⁺-N的浓度是26.2×3/1000=78.6mg/L，样品的吸光值达到最大，说明亚硝化细菌生长数量最多，相比较而言该浓度是硝化菌的最适宜耐受浓度。由图4可以看出，当加入NH₄Cl溶液为7mL时，培养7天，吸光度几乎没有变化，说明细菌的数量并没有明显的增加，说明在NH₄⁺-N浓度为183.4 mg/L时亚硝酸细菌的生长几乎被抑制了。同样的道理，可以从曲线上上估计亚硝化菌对NH₄⁺-N的最适宜耐受浓度为75mg/L～100mg/L；最高耐受浓度为180mg/L左右。

　　3. 实验结果与讨论

　　通过对亚硝化菌和硝化菌的专项培养，找出亚硝化菌对NH₄⁺-N的最适宜耐受浓度为100mg/L～150mg/L；最高耐受浓度为180mg/L左右；硝化菌对NH₄⁺-N的最适宜耐受浓度为75mg/L～100mg/L；最高耐受浓度为180mg/L左右。

　　参考文献

　　1.高延耀，夏四清，周增炎.城市污水生物脱氮除磷工艺评述.环境科学1999,20(1):110～112

　　2.陈际达，曲中堂，邓钥，刘峥，汪俊.亚硝酸盐反硝化脱氮.重庆大学学报.2002，25（3）：81～83

　　3.任勇祥，彭党聪，王志盈，袁林江.亚硝酸型硝化反硝化工艺处理焦化废水中试研究。西安建筑科技大学学报。2002，34（256～259）