污水反硝化過程的研究進(jìn)展

污水反硝化過程的研究進(jìn)展

反硝化是一種抗硝化細(xì)菌的氧氣反應(yīng)，通過反硝化細(xì)菌的作用，亞硝酸鹽逐漸還原到最終電子受體。結(jié)果，亞硝酸鹽逐漸還原到no和nio，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閚io。反硝化在污水脫氮過程中具有重要意義。污水中的含氮有機(jī)物經(jīng)過異養(yǎng)菌的氨化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡?再經(jīng)過硝化細(xì)菌的硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}和硝酸鹽態(tài)氮,最后經(jīng)過反硝化細(xì)菌的反硝化作用將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為NO、N2O,并最終變?yōu)镹2,從而將含氮物質(zhì)從污水處理系統(tǒng)中排出。反硝化細(xì)菌(Denitrifyingbacteria)是一類兼性厭氧微生物,當(dāng)處于缺氧環(huán)境時(shí),反硝化細(xì)菌可用硝酸鹽、氮化物等作為末端電子受體。有些反硝化細(xì)菌能還原硝酸鹽和亞硝酸鹽,有些反硝化細(xì)菌只能將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。1反硝化細(xì)菌的群落組成當(dāng)環(huán)境中有分子態(tài)氧存在時(shí),反硝化細(xì)菌氧化分解有機(jī)物,利用分子態(tài)氧作為最終電子受體。在無分子態(tài)氧存在下,反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體,有機(jī)物則作為碳源及電子供體提供能量。在污水處理中,當(dāng)溶解氧(DO)小于或等于0.5mg/L情況下,反硝化細(xì)菌利用污水中的有機(jī)碳源(污水中的BOD)作為氫供體,以硝酸態(tài)鹽作為電子受體,將硝酸鹽還原為NO、N2O或N2,這既可消除污水中的氮,又可恢復(fù)環(huán)境的pH穩(wěn)定性,對(duì)污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行起重要作用。活性污泥系統(tǒng)中10%~90%的細(xì)菌具有反硝化能力。系統(tǒng)中缺乏供反硝化細(xì)菌利用的碳源物質(zhì)通常導(dǎo)致反硝化效率降低。當(dāng)缺乏有機(jī)物時(shí),無機(jī)物如氫、Na2S等可作為反硝化反應(yīng)的電子供體,微生物通過消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源反硝化,結(jié)果導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)的減少,同時(shí)生成NH3。因此污水處理系統(tǒng)中應(yīng)在必要時(shí)及時(shí)加入一些甲醇等作為反硝化過程的電子供體。在污水處理系統(tǒng)中反硝化細(xì)菌的種類很多,大約有50多個(gè)屬,130多個(gè)種。已經(jīng)報(bào)道的包括無色桿菌屬(Achromobacter),芽孢桿菌屬(Bacillus),短桿菌屬(Brevibacterium),腸桿菌屬(Enterbacter),乳桿菌屬(Lactobacillus),微球菌屬(Micrococcus),假單胞菌屬(Pseudomonas),螺菌屬(Spirillum)等。有些種類在厭氧條件下既能進(jìn)行反硝化,又能分解芳香化合物。如一株固氮弧菌和一株屬于螺菌屬的細(xì)菌能在反硝化條件下分解酚。這類反硝化細(xì)菌既可消除污水中的氮同時(shí)又消除了含氮的有毒有害污染物。污水處理系統(tǒng)中微生物的群落組成非常復(fù)雜,Hoshino等用分子方法分析反硝化體系中微生物群落的組成成分。但活性污泥中存在的大量微生物是不可培養(yǎng)微生物,傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法不能真實(shí)反應(yīng)活性污泥中反硝化細(xì)菌的真實(shí)情況。許多研究應(yīng)用16SrDNA序列研究微生物的種群多樣性,但反硝化細(xì)菌屬于系統(tǒng)發(fā)育中不相關(guān)的種群,不適合用此方法來研究其種群結(jié)構(gòu),因此有人提出用功能基因來研究。這些功能基因包括細(xì)胞周質(zhì)空間及細(xì)胞膜結(jié)合的硝酸鹽還原酶基因(napA和narG)、含有細(xì)胞色素cd1和Cu的亞硝酸鹽還原酶(nirS和nirK)基因以及一氧化氮還原酶基因(nosZ)等。2影響廢水處理中反硝化反應(yīng)的因素2.1補(bǔ)充碳源對(duì)反硝化速率的影響一般認(rèn)為,當(dāng)污水中的BOD5/T-N值>3~5時(shí),即可認(rèn)為碳源是充足的,此時(shí)不需要補(bǔ)充外加碳源。甲醇作為碳源時(shí)反硝化速率高,被分解后的產(chǎn)物為CO2和H2O,但處理費(fèi)用較高。污水處理系統(tǒng)中碳源的種類不同可導(dǎo)致反硝化細(xì)菌的類群及反硝化活性不同。2.2生長(zhǎng)速率和反硝化酶反硝化過程最適宜的pH范圍為6.5~7.5,不適宜的pH值會(huì)影響反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率和反硝化酶的活性。當(dāng)pH值低于6.0或高于8.0時(shí),反應(yīng)受到強(qiáng)烈抑制。反硝化反應(yīng)對(duì)NO-3或NO-2的消耗有助于pH值保持在所需范圍內(nèi)并可補(bǔ)充在硝化過程中消耗的一部分堿度。2.3增殖速率和代謝速率反硝化細(xì)菌適宜的生長(zhǎng)溫度在25℃~35℃之間,低于15℃時(shí)增殖速率和代謝速率降低,導(dǎo)致反硝化速率降低。實(shí)際中反硝化一般控制在15℃~30℃。2.4保持氧系統(tǒng)低氧氧化反應(yīng)當(dāng)同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí),反硝化細(xì)菌優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸。微生物從有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧呼吸的關(guān)鍵是合成無氧呼吸的酶,而分子態(tài)氧的存在會(huì)抑制這類酶的合成及活性。為了保證反硝化過程的順利進(jìn)行,必須保持嚴(yán)格的缺氧狀態(tài)。一般認(rèn)為,系統(tǒng)中溶解氧保持在0.5mg/L以下時(shí)反硝化才能正常進(jìn)行。另外,一些其它因素如污水中有毒有害物質(zhì)、鹽度等都會(huì)影響反消化過程的進(jìn)行,如隨著污水中鹽度的增加,反硝化活性逐漸降低。3酸鹽還原酶系統(tǒng)反硝化過程是在一系列酶的催化下將硝酸鹽逐漸還原的過程。在這一過程中硝酸鹽代替氧作為電子受體。硝酸鹽還原酶催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。根據(jù)微生物不同,亞硝酸鹽(NO-2)變?yōu)镹O,或者由cd1或Cu-亞硝酸鹽還原酶催化。NO變?yōu)镹2O由含有細(xì)胞色素bc的NO還原酶催化,N2O轉(zhuǎn)變?yōu)镹2,由含有Cu的N2O還原酶催化。到目前為止發(fā)現(xiàn)每個(gè)細(xì)菌中并不含有全部這些還原酶。對(duì)硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶了解的相對(duì)清楚,對(duì)NO和N2O還原酶的了解則較少。3.1催化酶活性位點(diǎn)在反硝化細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)兩種類型的硝酸鹽還原酶,一種與細(xì)胞膜相連接,另一種位于周質(zhì)空間。膜結(jié)合的硝酸鹽還原酶已經(jīng)在銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa),脫氮副球菌(Paracoccusdenitrificans),施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri),熒光假單胞菌(P.fluorescens),大腸桿菌(E.coli)等進(jìn)行了研究。膜結(jié)合的硝酸鹽還原酶含有3個(gè)亞基,其中的α亞基是催化亞基,是這個(gè)酶的活性位點(diǎn)。α亞基由narG編碼。可溶的β亞基,由narH編碼,含有4個(gè)[4Fe-4S]簇。γ亞基,由narI編碼,含有2個(gè)b型血紅素。膜結(jié)合的硝酸鹽還原酶形成2個(gè)結(jié)構(gòu)域,α和β組成細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域,γ亞基組成膜結(jié)構(gòu)域,γ亞基對(duì)于α和β與細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)細(xì)胞質(zhì)的吸附起作用,即通過γ亞基與細(xì)胞膜相連,γ亞基接受電子并把電子傳遞給β亞基(通過b-血紅素)。周質(zhì)空間硝酸鹽還原酶由2個(gè)亞基組成,NapA和NapB。前者是大亞基,含有鉬輔因子和一個(gè)[4Fe-4S]。NapB是一個(gè)C-型細(xì)胞色素,NapC是推測(cè)的膜結(jié)合的亞基,其功能是作為電子傳遞體。nap基因簇已經(jīng)在許多反硝化細(xì)菌中發(fā)現(xiàn),包括富養(yǎng)羅爾斯通氏菌(Ralstoniaeutropha),脫氮副球菌(Paracoccusdenitrificans)等。膜結(jié)合的和周質(zhì)空間硝酸鹽還原酶在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因組成和生物化學(xué)特性都存在許多差異。膜結(jié)合的酶能還原氯酸鹽,以NADPH作為電子供體,其活性被低濃度的疊氮化合物所抑制。周質(zhì)空間硝酸鹽還原酶不能以NADPH作為電子供體,對(duì)低濃度疊氮化合物不敏感。在可進(jìn)行有氧反硝化的脫氮副球菌(Paracoccusdenitrificans)中兩種類型的酶都存在,其中周質(zhì)空間硝酸鹽還原酶在好氧和厭氧條件下都能表達(dá),但在厭氧條件下,大多數(shù)硝酸鹽還原酶的活性是由膜結(jié)合的硝酸鹽還原酶所體現(xiàn),因此推測(cè)周質(zhì)空間硝酸鹽還原酶在有氧條件下催化第一步反應(yīng)。3.2反硝化細(xì)菌的結(jié)構(gòu)及功能基因在反硝化細(xì)菌的功能基因中研究最多的是亞硝酸鹽還原酶基因。亞硝酸鹽還原酶是反硝化途徑的關(guān)鍵酶,已作為反硝化細(xì)菌的分子標(biāo)記用于研究其種群結(jié)構(gòu)及多樣性。不同反硝化細(xì)菌中存在兩個(gè)獨(dú)特類型的亞硝酸鹽還原酶(NirS和NirK),盡管這兩種類型的酶在結(jié)構(gòu)等方面存在差異,但它們執(zhí)行相同的生理功能。這兩個(gè)酶分布于分類地位不相關(guān)的微生物種群中,也可發(fā)現(xiàn)于同一種微生物的不同菌株中。NirS的分布更廣,在已經(jīng)研究過的反硝化細(xì)菌中,只有30%的菌株含有NirK。NirS和NirK表現(xiàn)出不同的免疫學(xué)和分子量特性。研究反硝化細(xì)菌亞硝酸鹽還原酶基因nirK和nirS主要是根據(jù)變形菌綱(Proteobacteria)設(shè)計(jì)探針。SARAHALLIN等根據(jù)nirK和nirS基因設(shè)計(jì)了兩套PCR引物研究污水處理系統(tǒng)反硝化細(xì)菌的種群。XueduanLiu等通過PCR方法用nir基因研究了墨西哥大陸邊緣沉積物中反硝化細(xì)菌中反硝化基因的分子多樣性。燕永亮等對(duì)nir及相關(guān)基因進(jìn)行了基因結(jié)構(gòu)分析。這些研究為進(jìn)一步探索反硝化機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。4臭氧存在時(shí)產(chǎn)生耐受力許多微生物能有氧呼吸,同時(shí)反硝化。從污水中分離的副球菌屬的細(xì)菌(Paracoccuspantotrophus)是首先被描述的有氧反硝化細(xì)菌,硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為N2可在大氣氧存在情況下發(fā)生。施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzer)是另一個(gè)報(bào)道的有氧反硝化細(xì)菌,對(duì)氧的耐受力要超過Paracoccuspantotrophus。有氧反硝化細(xì)菌的許多問題還需深入研究。Paracoccuspantotrophus在有氧條件下不表達(dá)亞硝酸鹽還原酶,所以有氧條件下還原亞硝酸鹽的機(jī)制還不清楚。大多數(shù)反硝化細(xì)菌在有氧條件下產(chǎn)生N2O而不是N2。NaokiTakaya等研究檢測(cè)到兩株細(xì)菌使硝酸鹽還原需要氧,也屬于有氧反硝化細(xì)菌。由于有氧反硝化細(xì)菌在環(huán)境中的特殊意義,對(duì)其進(jìn)行研究受到廣泛關(guān)注。5自養(yǎng)反硝化細(xì)菌近年來發(fā)現(xiàn)一些自養(yǎng)細(xì)菌能夠利用一些無機(jī)物(CO2,HCO3-)在氧化過程中釋放出來的能量將硝酸鹽還原,進(jìn)行反硝化作用,這類細(xì)菌稱為自養(yǎng)反硝化細(xì)菌。由于不需要投放有機(jī)物作為碳源可節(jié)省開支,同時(shí)由于只產(chǎn)生極少量的污泥,可使污泥的處理量降低到最低。因此,自養(yǎng)反硝化細(xì)菌在污水脫氮中具有重要意義。倍受關(guān)注的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌有脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)和反硝化硫微螺菌(Thiomicrospiradenitrificans)。6硝酸鹽作為電子受體污水生物除磷是非常經(jīng)濟(jì)有效的方法,聚磷菌需要交替的好氧和厭氧條件,在厭氧區(qū)釋放磷,而在好氧區(qū)則在細(xì)胞中合成并積累多聚磷酸鹽。最近發(fā)現(xiàn)一些聚磷菌在好氧或缺氧條件下以硝酸鹽作為電子受體而積累磷。這類細(xì)菌被稱為反硝化除磷細(xì)菌(DenitrifyingPhosphorus-removingBacteria)。反硝化除磷細(xì)菌能在聚磷的同時(shí)進(jìn)行硝酸鹽的去除,而不需要厭氧和好氧的相互交替。反硝化除磷細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)可在理論上探討反硝化細(xì)菌和除磷細(xì)菌之間的關(guān)系,在實(shí)際中可探討污水脫氮除磷的新機(jī)制和新工藝。7問題和視角的現(xiàn)狀7.1保證污水的脫氮處理反硝化是污水脫氮的最后環(huán)節(jié),硝化作用和反硝化作用必須處于動(dòng)態(tài)的平衡過程才能保證良好的污水脫氮效果。硝化作用和反硝化作用分別由硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌完成,而這兩類細(xì)菌分別要求不同的環(huán)境條件。因此,如何在污水處理的不同區(qū)段創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件,分別滿足硝化細(xì)菌和反硝化的生長(zhǎng)繁殖成為提高污水脫氮效率的關(guān)鍵。7.2創(chuàng)造適宜環(huán)境在污水處理系統(tǒng)中存在許多種類的反硝化細(xì)菌,其種群隨季節(jié)等環(huán)境條件的變化而發(fā)生。因此發(fā)現(xiàn)每個(gè)季節(jié)污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮主要作用的優(yōu)勢(shì)種群并創(chuàng)造適宜環(huán)境是很重要的。我們從2004年開始對(duì)污水處理系統(tǒng)中反硝化細(xì)菌的數(shù)量、種群及不同季節(jié)的優(yōu)勢(shì)種類進(jìn)行了初步研究,為深入研究反硝化細(xì)菌及在污水脫氮中的作用奠定了基礎(chǔ)。7.3低溫反硝化細(xì)菌的分離在北方地區(qū),除夏季外環(huán)境溫度都很低,導(dǎo)致反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖慢,反硝化活性低。我們從北京某污水處理廠取樣進(jìn)行低溫反硝化細(xì)菌的分離篩選,并通過16SrDNA序列分析方法對(duì)所分離的反硝化細(xì)菌進(jìn)行了初步鑒定。發(fā)現(xiàn)低溫反硝化細(xì)菌在污水處理系統(tǒng)中是存在的,所分離的反硝化細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)室條件下,在5℃~10℃具有反硝化的活性(未發(fā)表)。7.4反硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)近年來,雖然發(fā)現(xiàn)了不同類型的反硝化細(xì)菌,但這些反硝化細(xì)菌如何成為反應(yīng)體