脱氮除磷技术研究进展论文

第1 卷第1 期2 0 0 0 年2 月 环境污染治理技术与设备Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control Vol . 1 , No . 1Feb . , 2 0 0 0生物脱氮除磷工艺中的微生物及其相互关系X郭劲松 黄天寅 龙腾锐(重庆建筑大学城市建设学院,重庆400045)摘 要本文着重对近年来脱氮除磷微生物学方面的研究进展进行了综述,分析了生物脱氮除磷反应器中各类功能微生物间的相互作用关系,营养物代谢机理和对处理效率的贡献,讨论了脱氮除磷生物学应深入研究的一些问题。关键词:废水处理 脱氮除磷 微生物一、前 言生物方法脱氮除磷由于其处理效率高、运行成本较低、污泥相对易处理,受到广泛重视。目前已经发展了诸如A/ O、A2/ O、Bardenpho 、UCT、VIP、SBR 及氧化沟等较为成功的脱氮除磷工艺。在生物脱氮除磷过程中,微生物的种类、数量和代谢活性以及它们之间相互作用关系所形成的微生态系统的特征,直接影响着废水处理的效率。因此,分析研究脱氮除磷微生物的种类及其相互作用的关系,对于生物脱氮除磷工艺的优化控制管理和开发新工艺将会起到重要作用。二、生物脱氮除磷活性污泥微生物组成11 脱氮微生物一般生物废水处理反应器内的微生物都能降解蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等含氮化合物以获得生命活动所需能量和其它小分子物质,并生成氨氮,这个过程称为氨化[1 ] 。蛋白质的分解过程如下[2 ] :蛋白质 蛋白酶 蛋白胨 蛋白酶 多肽 肽酶 氨基酸不同微生物所具有的蛋白酶也不尽相同,如枯草杆菌有明胶酶和酪蛋白酶,而大肠杆菌没有这两种酶,因此不能分解明胶和酪蛋白。污水中能分解蛋白质的微生物种类很多,特别是假单胞菌属、牙孢菌属中某些种均能产生蛋白酶。真菌中的曲霉、毛霉和木霉也能X 本研究得到国家自然科学基金资助(59838300)© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.产生蛋白酶分解蛋白质。氨基酸被吸收进入微生物细胞后,有的转化为另一种氨基酸用于合成菌体蛋白质或某些含氮化合物的合成。而另一部分氨基酸的降解主要通过脱氨基和脱羧基两种方式。由于微生物类型、氨基酸种类与环境条件不同,脱氨方式也不同,主要有:a. 氧化脱氮:在有氧条件下好氧微生物将氨基酸氧化成酮基酸和氨。b. 还原脱氮:在厌氧条件下,专性厌氧菌和兼性厌氧菌将氨基酸还原成饱和脂肪酸和氨。c. 水解脱氮和减饱和脱氮:不同氨基酸经此两种方式脱氨生成不同的产物。如大肠杆菌及变形杆菌水解色氨酸,生成吲哚、丙酮酸及氨;粪链球菌使精氨酸产生瓜氨酸;大肠杆菌、变形杆菌、枯草杆菌和酵母菌等能将半胱氨酸分解为丙酮酸、氨和硫化氢。硝化反应是在好氧状态下由亚硝酸菌( Nit rosomonas ) 与硝酸菌( Nit robacter) 共同完成的。亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝酸球菌属等,硝酸菌有硝酸杆菌、螺菌属和球菌属等,两者都属专性好氧菌。硝化细菌几乎生活在所有污水处理过程中,它们都是革蓝氏染色阴性,具有强烈的好氧性,不能在酸性条件下生长,由于这两类细菌不需要有机物作为养料,且是通过氧化无机的氮化合物得到所需的能量,故它们是化能自养型的细菌[3 ] 。亚硝酸菌和硝酸菌以无机化合物CO2 -3 、HCO -3 及CO2 等为碳源,以NH+4 及NO -2 为电子供体,O2 为电子受体,使氨氮氧化并合成新细胞,反应式可表示为:55NH+4 + 76O2 + 109HCO-3 亚硝酸菌 C5H7NO2 + 54NO -2 + 57H2O + 104H2CO3400NO -2 + NH+4 + 4H2CO3 + HCO -3 + 195O2 硝酸菌 C5H7NO2 + 3H2O + 400NO -3污水生物处理系统中微生物在无氧条件下大多具有反硝化能力,常见的有变形杆菌、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属等[4 ] 。这些细菌利用硝酸盐中的氧进行呼吸,氧化分解有机物,将硝态氮还原为N2 或N2O ,其过程如下[5 ] :NO -3硝酸盐还原酶NO -2亚硝酸盐还原酶NO氧化氮还原酶N2O氧化亚氮还原酶N2Payne[6 ] (1973) 系统回顾了具有反硝化能力的废水处理微生物,指出有些类群只具有硝酸盐还原酶,故只能将NO -3 还原至NO-2 ,如无色杆菌属、放线杆菌属、气单胞菌属、琼脂杆菌属、芽孢杆菌属等;而其它类群由于具有反硝化中的全部酶系,因此能将NO-3 还原成N2 ,如微球杆菌属、丙酸杆菌属、螺菌属等。在所有反硝化菌中,有些是专性好氧菌,有些是兼性厌氧菌。它们在好氧、厌氧或缺氧条件下,即使利用相同的有机基质,但通过不同的呼吸途径,产生的能量不同,同时细胞产量也不同。此外,少数专性和兼性自养细菌也能还原硝酸盐,如硫杆菌属细菌能以氢气还原性H2S 等无机物为电子供体,在厌氧条件下利用NO -3 作为电子受体来氧化还原性硫。Kuenen J G等[7 ] (1987) 及Robert son L A. 等[8 ] (1992) 发现,许多异养型硝化细菌能进行好氧反硝化反应,在产生NO -3 和NO -2 的过程中将这些产物还原,这为在同一反应器中在同一条件下完成生物脱氮提供了可能。Vandegraaf 等[9 ] (1995) 研究发现异养硝化、好氧反硝化细菌Thiosphaera pantot ropha 能把NH+4 氧化成NO-2 ,尔后通过反硝化途径将NO-2 (与外源提供的NO -2 和NO -3 一起) 还原为N2 ,从而完成脱氮。 1 期 郭劲松等:生物脱氮除磷工艺中的微生物及其相互关系 9 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights A 等[10 ] (1995) 发现氨确实可以直接作为电子供体进行反硝化反应,并称之为Anaerobic Ammonium Oxidation (厌氧氨生物氧化) 。Vandegraaf 等[11 ] (1996) 通过研究,证实了厌氧氨生物氧化是一个微生物过程,在厌氧分批培养中,氨与硝酸盐同时被转化,仅有微量的亚硝酸盐积累,一旦硝酸盐耗尽,氨转化即停止,但其中起作用的菌属还待进一步研究。21 除磷微生物在有氧条件下摄取磷,在厌氧条件下释放磷原理[12 ,13 ,14 ,15 ] ,目前已被普遍接受。Fuhs 等[16 ] (1975) 对Baltimore Black River 和Seneca Falls 这两个具有很好除磷效果的污水厂曝气池中的活性污泥进行检测,发现不动杆菌属( Acinetobacter) 与磷的去除密切相关。Buchan[17 ] (1983) 研究分析了除磷效果良好的几个试验装置及污水厂的曝气活性污泥,表明不动杆菌是其中的优势菌种,他认为废水生物除磷过程首先是富集不动杆菌属,然后通过该菌过量吸收磷达到除磷的目的。此后,Lotter[18 ] (1985) ,Cloete 等[19 ] (1985) ,Bay2ly 等[20 ] (1989) 和Beacham[21 ] (1990) 也分别在除磷活性污泥中检测到了大量的不动杆菌属。然而,Brodich 等[22 ] (1983) 发现其生物除磷试验装置活性污泥的微生物中,不动杆菌属是少数菌属,只占总量的1 %～10 %,而优势菌属为气单胞菌属和假单胞菌属。Hiraishi 等[23 ](1989) 比较了生物除磷工艺活性污泥与非除磷工艺活性污泥的微生物组成,发现两者中的不动杆菌都不占优势,在除磷A/ O 法活性污泥中不动杆菌属只占大约1 %。由此可见不动杆菌并不是唯一的除磷微生物,还有其它微生物的除磷能力也不容忽视。Mino[24 ] (1987) 提出内源糖通过EMP 途径(酵解途径) 降解,获得的能量用来吸收醋酸以合成PHB(聚羟基丁酸盐) ,除磷菌在厌氧段降解内源糖的反应式为:CH2O + 0. 083C6H10O5 (CH) + 0. 44HPO2 -3 + 0. 023H2O 1. 33CH1. 5O0. 5 (PHB) + 0. 17CO2 + 0. 44H3PO4图1 厌氧状态放磷[ 21 ]在好氧或有NO -3 存在条件下,因消耗PHB 及内源碳而建立起的三羧酸循环和呼吸链产生氢离子,为维持细胞质子动力pmf的恒定趋向,细胞吸收过量磷,并合成丰富的Poly - P[25 ] 。除磷菌生化反应模型如图2 所示。31 具有反硝化能力的除磷菌(DPB)在污水生物处理中,生物除磷通常是与生物脱氮(硝化与反硝化) 工艺一起应用。如图2 所示,有些除磷菌亦能利用NO -3 作为电子受体,在吸收磷的同时进行反硝化。许多研究者[27 ] [28 ,29 ,30 ]在活性污泥系统和实验室培养中发现了具有反硝化能力的除磷菌(DPB) 。NO -3 被用来氧化细胞内储存的PHB ,然后以氮分子的形式从废水中排除。这样引起水体富营养化的氮、磷两大主要元素都被去除。Kuba[31 ] (1994) 发现DPB 除磷能力与传统A/ O 工艺中普通除磷菌相似,同时也具有建立在内源PHB 和糖类物质(Carbohy2drate) 基础上类似的生物代谢机理。在特定的条件下,除磷菌具有很强的反硝化能力。 1 0 郭劲松等:生物脱氮除磷工艺中的微生物及其相互关系 1 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights [32 ] (1997) 在Holten 污水处理厂的研究表明,约有50 %的除磷菌参与了反硝化活动。图2 好氧/ 缺氧状态吸磷[ 26 ]三、生物脱氮除磷工艺反应器中微生物关系一般来说[33 ] ,微生物的相互关系有三种可能:第一,一种微生物的生长和代谢对另一种微生物的生长产生有利影响,或者相互有利,形成有利关系,如生物间的共生和互生;第二,一种微生物的生长与代谢对另一种微生物的生长产生不利影响,或者相互有害,形成有害关系,如微生物间的拮抗、竞争、寄生和捕食;第三,两种微生物生活在一起,两者间发生无关紧要、没有意义的相互影响,表现出彼此对生长和代谢无明显的有利或有害影响,形成中性关系,如种间共处。11 有利关系微生物之间的有利关系可分为互生关系和共生关系。互生关系是微生物间比较松散的联合,在联合中可以是一方得利,即一方为另一方提供或改善生活条件,或者是双方都得利。而共生关系是两种微生物紧密地结合在一起,当这种关系高度发展时,就形成特殊的共同体,在生理上表现出一定的分工,在组织和形态上产生新的结构。生物脱氮系统中,互生关系主要表现为在化学水平的协作,即微生物间相互提供生长因子、代谢刺激物或降解对方的代谢抑制物,平衡pH 值,维持适当的氧化还原电位或消除中间产物的累积。氨化细菌,亚硝酸菌,硝酸菌及反硝化菌之间就表现为互生关系。在氮素转化过程中,氨化细菌分解有机氮化合物产生氨,为亚硝酸菌创造了必需的生活条件,但对氨化细菌则无害也无利。亚硝酸菌氧化氨,生成亚硝酸,又为硝酸菌创造了必要的生活条件。Chai Sung Gee 等[34 ]研究了亚硝化单胞菌属与硝化杆菌在反应器内的相互作用,运用悬浮生长实验获得的稳态氨和亚硝酸氧化的数据确定了这两种细菌数量的生长参数,得出结论:硝化杆菌的活性依赖于硝化杆菌对亚硝化单胞菌的数量比例,而亚硝化单胞菌的活性则不受两者之间数量比例的影响。可以断定这两个种群之间必然存在着酶促共栖或生物化学的能量转移。反硝化菌则在厌氧条件下将NO-3 、NO -2 还原为N2 气体,从污水的液相中排出,为亚硝化菌和硝化菌解除抑制因子,同时反硝化过程还提高了反应器内的碱度,部分地补充了硝化过程所消耗的碱度,有利于反应器内pH 值稳定在硝化菌活性较大的范围内。