施氏假單胞菌菌株的脫氮特性

胡國元，張 凱，袁 軍，楊 洋，雷夢婕，章建國

(1. 武漢工程大學化工與制藥學院 綠色化工過程教育部重點實驗室， 湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.合肥工業大學生物與食品工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

污水脫氨氮處理廠是基于傳統生物脫氮工藝而建造的，即先由自養好氧硝化細菌進行硝化作用把氨氮變成硝酸氮，再由厭氧或者缺氧的異養反硝化細菌進行反硝化作用，把硝酸氮變成氮氣.這是兩個單獨的過程，一般在兩個反應單元交替進行.這個系統有如下幾個缺點[1-3]：a.反應周期長，基建設施投入大，反應后留下產物難處理；b.菌種問題，即自養硝化菌生長緩慢，易受溫度和有機物的影響；c.脫氮過程中存在反應產物對硝化與反硝化的遏制作用；d.反硝化過程中，反硝化細菌是異養菌，它的生長和脫氮都需要大量的有機碳源，而系統的有機碳在硝化階段的曝氣池中大部分被消耗，當反硝化過程有機碳含量低時往往向其投入碳源(如甲醇).而施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri)菌株WIT-1是異養硝化-好氧反硝化菌株，在最適條件下，24 h對氨氮的去除率可以達到100%，48 h對化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的去除率為73.44%[4].它的發現克服上述缺點，使同時硝化與反硝化工藝成為可能，所以菌株WIT-1對污水脫氮的應用前景廣闊.

本研究主要考察菌株WIT-1對硝態氮的降解作用和對生活污水脫氨氮的基本條件，為菌株WIT-1實際應用做前期的理論探討工作.

1 實驗部分

1.1 材料

1.1.1 菌種來源 施氏假單胞菌(P.stutzeri)菌株WIT-1為本實驗室分離保存菌種.

1.1.2 培養基 反硝化培養基[4](g/L)：Na2HPO4·7H2O 7.9；KH2PO41.5； MgSO4·7H2O 0.1；丁二酸鈉0.845；微量元素溶液2 mL；其中KNO3的質量含量隨著試驗內容而變.

生活污水，取自中國地質大學(武漢)生活污水排污口，COD為300 mg/L左右，氨氮含量為38 mg/L左右.

1.2 方法

1.2.1 菌株WIT-1對脫硝態氮過程試驗 以丁二酸鈉為碳源，配制COD為500 mg/L，初始硝態氮質量濃度為100 mg/L的反硝化培養基.250 mL錐形瓶分裝100 mL培養液，接種擴大培養后的菌株WIT-1菌液2%(體積比)，置于 30 ℃、180 r/min的搖床上振蕩培養.分別在培養0、6、12、24、48 h取樣，離心5 min，轉速8 000 r/min，取上清液測定其氨氮含量，對照組接同體積的無菌水.

1.2.2 菌株WIT-1對硝態氮濃度的耐受性試驗 以丁二酸鈉為碳源，配制COD為500 mg/L，初始硝態氮濃度分別為100、200、300、400、500、800 mg/L的培養基.250 mL錐形瓶裝液量、接種量、培養條件、取樣、離心等同1.2.1，在培養24 h后測定其硝態氮的去除率.

1.2.3 滅菌生活污水脫氨氮試驗 在裝有四粒玻璃珠和150 mL滅菌的生活污水的250 mL錐形瓶中，接種量、培養條件、取樣、離心、氨氮含量測定等同1.2.1，另外測定0、48 h COD含量.

1.2.4未滅菌生活污水脫氨氮試驗 在裝有四粒玻璃珠和150 mL未滅菌的生活污水的250 mL錐形瓶中，接種量、培養條件、取樣、離心、氨氮含量測定等同1.2.1，同時測定0、6、12、24、48 h COD含量.對照組接同體積的無菌水.

1.2.5 提高未滅菌的生活污水中COD含量的脫氨氮試驗 在未滅菌的生活污水中添加丁二酸鈉的含量，使生活污水的初始COD含量為500 mg/L，接種量、培養條件、取樣、離心、氨氮含量測定等同1.2.4，不設置對照組，測定0、48 h COD含量.

1.2.6 提高未滅菌生活污水接菌量的脫氨氮試驗 菌株WIT-1的接菌量由原來的2%增加到8%，培養條件、取樣、離心、氨氮含量與COD含量測定等同1.2.5.

2 結果與分析

2.1 菌株WIT-1對脫硝態氮過程測定

2.2 菌株WIT-1對硝態氮濃度的耐受性試驗

如圖2所示，不同初始硝態氮條件下菌株WIT-1去除硝態氮試驗結果表明，隨著初始硝態氮濃度的增加硝態氮去除率在下降.當初始硝態氮的含量小于500 mg/L時，其對硝態氮的去除率為5.20%～98.04%，相應的去除量為25～98.04 mg/L.當初始硝態氮的含量800 mg/L時，其對硝態氮的去除率為0.這有可能是低C/N比能使菌株WIT-1對硝態氮濃度的耐受性降低.

圖1 施氏假單胞菌菌株WIT-1對的降解曲線Fig.1 Degradation curves of nitrate nitrogen of P.stutzeri strain WIT-1 注：圖中數據為3次重復試驗結果的平均值，以下同.

圖2 施氏假單胞菌菌株WIT-1不同初始硝態氮條件下去除硝態氮的影響Fig.2 Effect of P.stutzeri strain WIT-1 removing nitrate nitrogen under different initial nitrate nitrogen

2.3 滅菌生活污水脫氨氮試驗

為了考察菌株WIT-1在生活污水中應用能力，先把菌株WIT-1接種到滅菌的生活污水中，測量菌株WIT-1的脫氨氮和除COD的能力.菌株WIT-1在滅菌生活污水脫氨氮試驗結果如圖3所示.由圖3可知，在12 h菌株WIT-1對氨氮的去除率為92.845%，并且在12 h以后趨于穩定.這與文獻[4]中菌株WIT-1在不同的COD濃度下脫氨氮過程的測定結果中，脫氨氮曲線的趨勢是一樣的.這說明滅菌生活污水的COD可能在500 mg/L左右或者以上.對滅菌生活污水的初始COD測定結果693.76 mg/L，比未滅菌的生活污水的COD高，究其原因可能是一些浮游的不溶有機物和細菌經過高溫分解而充分溶解所致，48 h滅菌生活污水的COD為2 016.24 mg/L，這說明菌株WIT-1對COD沒有降解反而增加，可能是污水中缺少某些必須元素，或者某些毒素遏制了菌株WIT-1的生長或則某些酶受到遏制.

圖3 施氏假單胞菌株WIT-1在滅菌生活污水脫氨氮曲線Fig.3 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia under the sterilization domestic sewage

2.4 未滅菌生活污水脫氨氮試驗

前面所做人工廢水脫氨氮試驗和滅菌生活污水脫氨氮試驗，都是人工模擬試驗，考慮菌種WIT-1在沒有其它菌種干擾條件下，脫氨氮和除COD的試驗.為了驗證菌株WIT-1是否能夠在實際污水中脫氨氮，直接把菌株接種到未滅菌生活污水中進行脫氨氮試驗.其測量結果如圖4和圖5所示.

圖4 施氏假單胞菌菌株WIT-1在未滅菌生活污水脫氨氮和去COD曲線Fig.4 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia and COD under the non-sterilized domestic sewage

由圖4和圖5可知，實驗組中菌株WIT-1在未滅菌生活污水的脫氨氮曲線是先降低后上升趨于平衡，而對照組中氨氮基本上無明顯變化.氨氮含量上升的原因可能是a.菌株WIT-1沒有有機物作為碳源，脫氨氮能力減弱，而污水中其它微生物多多少少都有些合成氨氮作用.b.菌株WIT-1與污水中其它微生物有競爭作用，競爭使菌株WIT-1的細胞破解死亡，其中的氨氮又被重新釋放出來.c.祝貴兵等[7]人研究的某些抑制劑會影響硝化反應，生活污水中的某些物質遏制了菌株WIT-1的脫氨氮的硝化酶.COD含量都是下降趨勢，對照組比實驗組下降得快.因為實驗組菌株WIT-1在脫氨氮前COD差不多都有一個上升的趨勢.菌株WIT-1對生活污水脫氨氮效果不是很理想，12 h對生活污水中的氨氮的去除率為32.741%，但48 h后對氨氮的去除率下降到22.203%.Joo等[8]人研究的異養硝化菌AlcaligenesfaecalisNo.4處理養豬廢水時，當C/N質量比為4時，對氨氮的去除率為80%，當C/N質量比為7～8時，對氨氮的去除率為100%.所以適當調節C/N有助于異養硝化作用.針對原因a,通過添加丁二酸鈉提高污水的COD從而提高其對氨氮的去除率；針對原因b,通過增大其接種量來提高其對氨氮的去除率.

圖5 對照組未滅菌生活污水脫氨氮和去COD曲線Fig.5 The curves of removing ammonia and COD under the non-sterilized domestic sewage without the strain WIT-1

2.5 提高未滅菌的生活污水中COD含量的脫氨氮試驗

為了解決菌株WIT-1在未滅菌生活污水中因為沒有足夠有機物作為碳源，脫氨氮能力減弱，向污水培養基中加入丁二酸鈉使其初始COD的含量為500 mg/L.通過提高COD含量來提高菌株WIT-1對氨氮的去除率，其測量結果如圖6所示.菌株WIT-1在未滅菌生活污水的脫氨氮曲線是先降低后上升趨于平衡.它對生活污水脫氨氮效果也不是很理想，雖然12 h對氨氮的去除率為52.765%，比沒有加丁二酸鈉脫氮效率好，但是48 h后對氨氮的去除率又下降到21.507%.圖6與圖4中脫氨氮曲線情況一致，其曲線上升可能原因同2.4中原因，也有可能丁二酸鈉增加的量不夠.針對上述原因，增大其接種量，不僅提高了COD含量也增加了WIT-1菌種含量.

圖6 增加COD施氏假單胞菌菌株WIT-1脫氨氮曲線Fig.6 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia by increasing the COD

2.6 提高未滅菌生活污水接菌量的脫氨氮試驗

提高接菌量，不僅能提高菌種WIT-1與其他菌種的競爭能力，而且能夠提高其對氨氮的去除率.通過提高接菌量，來提高菌種WIT-1在未滅菌生活污水中進行脫氨氮能力.提高接菌量其氨氮含量變化曲線如圖7所示.

圖7 增加接菌量施氏假單胞菌菌株WIT-1脫氨氮曲線Fig.7 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia by increasing the inoculation

由圖7可知，在12 h，菌株WIT-1對氨氮的去除率達到了100%，但是在12 h以后，其氨氮含量有很大幅度的提高，在48 h其對氨氮的去除率下降到27.428%.其初始COD含量為1 669.36 mg/L，48 h時COD含量為86.72 mg/L.氨氮回升原因可能是生活污水中的某些物質遏制了菌株WIT-1的脫氨氮的硝化酶.菌株WIT-1與污水中其它微生物有競爭作用，競爭使菌株WIT-1的細胞破解死亡，其中的氨氮又被重新釋放出來.對比圖4到圖7，菌株WIT-1在未滅菌生活污水脫氨氮曲線都是先降低后上升，在12 h對氨氮的去除率隨著COD含量和接種量的依次增加而增加，最高時達到了100%，并且48 h對氨氮的去除含量都在10 mg/L左右.

3 結 語

a. 異養硝化-好氧反硝化菌株WIT-1對硝態氮的耐受性為800 mg/L.

b.菌株WIT-1對滅菌生活污水的脫氨氮效果顯著，去除率能達到92.845%，但它對滅菌生活污水COD的去除效果不理想.分析可能是因為某些物質遏制了菌株生長或者菌株的某些酶受到遏制.

c.當菌株WIT-1應用于未滅菌生活污水時，菌株WIT-1的接種量為2%，12 h對生活污水中的氨氮的去除率為32.741%.當初始 COD含量增加到500 mg/L或者菌株的接種量提高為8%時，12 h對氨氮的去除率分別為52.765%、100%，但48 h對氨氮的去除率又下降到20%左右.而在菌株用于人工廢水時脫氨氮效果良好，說明菌株WIT-1受自然環境影響比較大.

當菌株WIT-1應用于未滅菌生活污水時，如果脫氨氮反應在12 h停止，是否有助于提高整體氨氮的去除率；搖瓶試驗脫氨氮效率與開放試驗脫氨氮效率是否一致以及如何把菌株WIT-1作為工程菌株應用污水，這些都需要進一步的研究.

參考文獻：

[1] 丁元娜,代進,騰欣宇. 生物脫氮技術研究現狀探討[J]. 純堿工業,2011,1: 22-25.

[2] 王英閣,胡宗泰. 生物脫氮新工藝研究進展[J]. 上海化工,2008,33(11): 1-5.

[3] 黃君濤,鐘理,熊帆. 污水生物脫氮新工藝[J]. 廣東化工,2004(9/10): 55-58.

[4] 張凱,雷夢婕,胡國元,等. 一株好氧反硝化細菌WIT-1的分離鑒定及其脫氨氮特性[J]. 武漢工程大學學報,2011,33(11): 14-18.

[5] 國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會. 水和廢水監測分析方法[M].4版.北京: 中國環境科學出版社,2002：211-213,266-268,279-281．

[6] 蔡昌鳳,梁磊. 高效好氧反硝化細菌的篩選及脫氮特性的研究[J]. 環境科學與技術,2011,34(1): 42.

[7] 祝貴兵,彭永臻,郭建華. 短程硝化反硝化生物脫氮技術[J]. 哈爾濱工業大學學報,2008,40(10): 1552-1557.

[8] Joo H S,Hirai M,Shoda M. Piggery wastewater treatment usingAlcaligenesfaecalisstrain No.4 with heterotrophic nitrification and aerobic denitrifacation[J]. Water Research,2006,40(16):3029-3036.