高效硝化菌群影響因素分析

摘 要：為了提高生化系統(tǒng)的脫氮效率，該研究以自行構(gòu)建的高效硝化菌群為研究對象，選取影響該菌群氨氮去除效果的6種因素作單因素實(shí)驗(yàn)，以得到該菌群適合的培養(yǎng)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該高效菌群對環(huán)境有較寬泛的適用條件，該菌群脫氮效果較佳的氨氮底物濃度范圍為123.62～321.89 mg/L，適合的碳氮比為2.5～14，合適的pH值為7.0～8.5，搖床速度為90～150 r/min （相當(dāng)于DO 1.5～2.5），適宜的溫度范圍為20～35 ℃，以上條件均有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，其不利的生長條件為過高的底物濃度為大于423.65 mg/L，過低的溫度為小于10 ℃。

關(guān)鍵詞：生物脫氮 硝化菌群 碳氮比 溶解氧

中圖分類號：X506 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0022-03

Analysis of Influencing Factors of High Efficiency Nitrifying Bacteria

Zhao Yongjiao

（Shenyang Academy of Environmental Sciences，Shenyang Liaoning，110016，China）

Abstract：In order to improve the nitrogen removal efficiency of biochemical systems， self-built efficiency nitrifying bacteria was the research object.This high efficiency nitrifying bacteria through single factor experiments the best cultivating conditions for the new nitrifying bacteria were the scope of ammonia concentration 123.62～321.89 mg/L， C/N of 2.5～14， pH value of 7.0～8.5， rotation speed of 90～150 r/min， temperature of 20～35 ℃，all of the above conditions were favorable for the nitration reaction. Its adverse growth conditions for high substrate concentration was greater than 423.65mg/L， the low temperature was less than 10℃.

Key Words：Biological Nitrogen Removal Nitrifying Bacteria；C/N；DO

1 概述硝化由兩個(gè)生理群微生物分兩步反應(yīng)

第一步驟是通過氨氧化細(xì)菌完成氨到亞硝酸鹽的氧化；第二步驟是通過亞硝酸鹽氧化細(xì)菌完成亞硝酸鹽到硝酸鹽的氧化。由于硝化細(xì)菌生長緩慢，很多種類的硝化細(xì)菌都是不可培養(yǎng)的，因此通過培養(yǎng)方法獲得硝化細(xì)菌的純菌株非常困難。在污水處理系統(tǒng)中，微生物主要分兩大類，一類是異養(yǎng)微生物，一類是自養(yǎng)微生物，異養(yǎng)微生物本身數(shù)量多增殖速率快，而自養(yǎng)微生物數(shù)量少又生長緩慢。因此，通過擴(kuò)大培養(yǎng)的方法構(gòu)建高效硝化菌群培養(yǎng)物，應(yīng)用于污水處理脫氮，將對特定水體具有了良好的脫氮效果。在這項(xiàng)研究中，通過研究影響硝化細(xì)菌環(huán)境條件來優(yōu)化硝化細(xì)菌的培養(yǎng)條件。

2 材料與方法

在試驗(yàn)中對影響高效硝化菌群氨氮去除效果的6種因素作靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，以得到該菌群適合的培養(yǎng)條件。將實(shí)驗(yàn)室富集培養(yǎng)的硝化菌群取出菌液10 mL，離心取得濕菌體。

2.1 C/N對脫氮效果的影響

配置亞硝化細(xì)菌液體培養(yǎng)基，碳氮比選擇9個(gè)梯度分別為0、0.6、2.5、4.5、6.5、8、11、14和18，利用無菌操作將菌體接種于上述各培養(yǎng)基中，150 r/min搖床并于室溫30 ℃培養(yǎng)12 h后測定氨氮濃度。本試驗(yàn)中氨氮底物濃度為215 mg/L，C/N的變化通過調(diào)節(jié)碳源改變。

2.2 氨氮底物濃度對脫氮效果的影響

配置亞硝化細(xì)菌液體培養(yǎng)基，770.45 mg/L、423.65 mg/L、319.69 mg/L、271.62 mg/L、215.73 mg/L、125.62 mg/L、64.32 mg/L和18.25 mg/L，利用無菌操作將菌體接種于上述各培養(yǎng)基中，150 r/min搖床并于室溫30 ℃培養(yǎng)12 h后測定氨氮降解情況。

2.3 DO值對脫氮效果的影響

由于硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌，溶解氧含量的變化會影響菌群的活性。本研究為考察溶解氧濃度的變化對硝化細(xì)菌處理氨氮的效果，通過改變搖床轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。配置亞硝化細(xì)菌液體培養(yǎng)基，氨氮濃度為215 mg/L，C/N為8的亞硝化細(xì)菌液體培養(yǎng)基中，pH值8，搖床轉(zhuǎn)速選擇290 r/min、220 r/min、150 r/min、90 r/min、60 r/min及靜止?fàn)顟B(tài)6種不同條件下培養(yǎng)12 h后測定氨氮降解情況。

2.4 溫度

配置亞硝化細(xì)菌液體培養(yǎng)基，氨氮濃度為215 mg/L，C/N為8，pH 8.0，控制培養(yǎng)溫度分別為40 ℃、35 ℃、30 ℃、25 ℃、20 ℃、10 ℃和4 ℃，接種后于150 r/min搖床培養(yǎng)12 h后測定氨氮濃度。

2.5 pH值對脫氮效果的影響

配置亞硝化細(xì)菌液體培養(yǎng)基，起始pH值分別為5、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5和9.5，氨氮濃度為215 mg/L，碳氮比為8，利用無菌操作將菌體接種于上述各培養(yǎng)基中，150 r/min搖床并于室溫30 ℃培養(yǎng)12 h后測定氨氮降解情況。

2.6 實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)基

AOB MPN培養(yǎng)基：（NH4）2SO4 2 g/L，NaH2PO40.25 g/L，MnSO4/4H2O 0.01 g/L，K2HPO4 0.75 g/L，MgSO4/7H2O 0.03 g/L，CaCO3 5 g/L，蒸餾水1000 mL[1]；

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 C/N對菌群氨氮降解效果的影響

從圖1可見，碳氮比在0～8的范圍內(nèi)，氨氮降解速率和氨氮去除率均是上升趨勢，且在達(dá)到8時(shí)，脫氮效果達(dá)到最佳，氨氮降解速率與氨氮去除率分別為5.9 mg/（L·h）及37.28%，這說明低濃度有機(jī)物不會影響硝化細(xì)菌對氨氮的利用，反而對硝化菌群的生長具有一定的促進(jìn)作。當(dāng)碳氮比在8～18范圍時(shí)，氨氮去除效果不斷減弱，在低于14后，氨氮去除效果迅速下降，并在碳氮比為18時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，這說明當(dāng)污水中有機(jī)污染物含量較高時(shí)，它可能會刺激異養(yǎng)細(xì)菌的生長，與自養(yǎng)硝化細(xì)菌爭奪溶解氧和微量物質(zhì)，會對氨氮降解造成影響。適宜的碳氮比范圍為2.5～14。正常污水處理系統(tǒng)中碳氮比能夠滿足該菌群對碳氮比的要求[2]。

3.2 氨氮濃度對菌群脫氨效果的影響

從圖2可見，氨氮底物濃度對硝化速率的影響顯著，氨氮底物濃度過低或過高均會影響硝化活性。在底物濃度為18.25 mg/L時(shí)，氨氮降解速率較低為0.665 mg/（L·h），在18.25 mg/L～123.62 mg/L，隨氨氮濃度升高氨氮硝化速率不斷提高，在底物濃度為215.733 mg/L時(shí)，氨氮降解速率達(dá)到最高為3.52 mg/（L·h），氨氮濃度在123.62～321.89 mg/L區(qū)間內(nèi)，氨氮硝化速率保持穩(wěn)定，都在3 mg/（L·h）以上。而當(dāng)氨氮底物濃度過高，超過423.65 mg/L時(shí)，氨氮對硝化作用將產(chǎn)生抑制作用，氨氮降解速率有較大的下降，濃度超過770.45 mg/L時(shí)，氨氮降解速率降到1.6 mg/（L·h）。

3.3 DO值對菌群氨氮去除效果的影響

本試驗(yàn)考察溶解氧濃度對硝化菌群的氨氮去除效果是通過改變搖床轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。通常高溶解氧的條件不會對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用，而兼氧或厭氧條件會對硝化反應(yīng)的進(jìn)行有較大的抑制作用。不進(jìn)行振蕩培養(yǎng)的條件下，硝化菌群的氨氮去除率非常低，而當(dāng)轉(zhuǎn)速不斷升高，直至300 r/min，氨氮去除率和氨氮降解速率均不斷提高，尤其在搖床轉(zhuǎn)速達(dá)到90 r/min后，氨氮的降解效果趨于穩(wěn)定，不再有大幅提高，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，氨氮降解速率和去除率均達(dá)到最高，分別為9.79 mg/（L·h）和51.53%，但是DO值太高不僅造成能源的浪費(fèi)，故通過分析，選擇轉(zhuǎn)速為150 r/min，經(jīng)測量DO值在1.5～2.0之間，滿足硝化菌群對溶解氧的需求，實(shí)際污水處理系統(tǒng)中DO值也基本能控制在這個(gè)區(qū)間內(nèi)。如在實(shí)際污水處理系統(tǒng)中，曝氣量過大還會造成污泥松散，導(dǎo)致污泥膨脹發(fā)生。

3.4 溫度對菌群氨氮降解效果的影響

如圖4所示，在試驗(yàn)溫度4～45 ℃區(qū)間內(nèi)，溫度對菌群氨氮降解效果呈拋物線狀，并在30 ℃時(shí)，氨氮降解速率及氨氮去除率達(dá)到最大值分別為8.04 mg/（L·h）和40.58 %。溫度對硝化細(xì)菌活性有較大影響，溫度為4 ℃時(shí)，硝化作用幾乎停止，低于10 ℃及高于45 ℃時(shí)硝化作用均比較微弱，在溫度由10 ℃逐漸上升到30 ℃過程中，硝化菌群對氨氮的去除率有顯著提高，但溫度超過30 ℃后降解效果又有所下降，25～35 ℃區(qū)間內(nèi)菌群對氨氮的降解效果較佳。可見菌群適宜的最佳溫度在30 ℃附近，故在試驗(yàn)過程中選擇30 ℃作為試驗(yàn)溫度。在實(shí)際污水處理系統(tǒng)中，水溫通常達(dá)不到30 ℃，但在20 ℃以上時(shí)，該菌群也有較好的氨氮去除效果，故在工程應(yīng)用中應(yīng)注意水溫對投菌效果的影響。

3.5 pH值對菌群氨氮降解效果的影響

從圖5可見，在pH值5.0～10.0區(qū)間內(nèi)，高效硝化菌群對氨氮的去除呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。在酸性條件及堿性較大的條件下，硝化菌群活性受到影響，在pH值低于6.5及大于8.5時(shí)，氨氮去除速率和氨氮去除率都較低。在pH值5.0時(shí)，硝化作用非常微弱，氨氮降解速率僅為1.33 mg/（L·h），氨氮去除率為6.9%，在pH值升高到6.5后，氨氮去除率和降解速率均有顯著升高，在pH 8.0時(shí)，氨氮去除率及降解速率達(dá)到最高，分別為8.05 mg/（L·h）和41.63%，在pH值8.5以后，硝化作用明顯下降。一般污水處理系統(tǒng)中的pH值為7.2～7.5，該菌群在pH值為7.5左右時(shí)也具有良好的氨氮降解效果。而在弱堿性條件下，在7.5～8.5區(qū)間內(nèi)，硝化菌群活性較佳，氨氮去除效果較好，降解速率和去除率都較高，尤其在pH值為8.0時(shí)，氨氮去除效果最好，氨氮降解速率達(dá)到8.04mg/（L·h），氨氮去除率達(dá)到41.6%。在pH值低于7.0及高于8.0的情況下，氨氮去除均呈下降的趨勢，但是在堿性條件下的下降幅度明顯小于在酸性條件下的下降幅度。這說明硝化菌群更適于在弱堿性的條件下生長。所以在以后的試驗(yàn)中選擇的pH值都為8.0～8.5。而一般污水處理系統(tǒng)中的pH值為7.2～7.5，該菌群在pH值為7.5左右時(shí)也具有良好的氨氮降解效果[2]。

Grunditz等從污水處理廠活性污泥中分離了Nitrosomonas，并對其pH值進(jìn)行了測定，結(jié)果表明Nitrosomonas的最適pH值為8.1[3]。Groenewegh認(rèn)為，硝化反應(yīng)的適宜pH值在7.5～9.0之間，硝化活性最高的pH值在8.0～8.5，pH<6.5或pH>9.8硝化速率將下降50%，當(dāng)pH值低于5.5時(shí)，硝化反應(yīng)完全停止[4]，我們的試驗(yàn)結(jié)果與此基本吻合。

4 結(jié)論

該研究以特定環(huán)境中富集的硝化菌群為研究對象，并研究了碳氮比、氨氮底物濃度、溶解氧、溫度、pH值對菌群的氨氮降解效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：該高效菌群對環(huán)境條件有較寬泛的適用條件，適合的C/N為2～14，氨氮底物濃度區(qū)間為123.62～321.89 mg/L，合適的搖床轉(zhuǎn)速為90～140 r/min，相當(dāng)于DO值1.5～2.5 mg/L，適宜的溫度范圍為20-35 ℃，合適的pH值在7.0～8.5，以上條件均有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，其不利的生長條件為過高的底物濃度為大于423.65 mg/L，過低的溫度為小于10 ℃。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙勇嬌.硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)脫氮性能的影響[J].環(huán)境工程，2014（S1）：302-304.

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