高效硝化菌群影響因素分析

摘 要：為了提高生化系統的脫氮效率，該研究以自行構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種因素作單因素實驗，以得到該菌群適合的培養條件。實驗結果表明該高效菌群對環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的進行，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 ℃。

關鍵詞：生物脫氮 硝化菌群 碳氮比 溶解氧

中圖分類號：X506 文獻標識碼：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 概述硝化由兩個生理群微生物分兩步反應

第一步驟是通過氨氧化細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菌完成亞硝酸鹽到硝酸鹽的氧化。由于硝化細菌生長緩慢，很多種類的硝化細菌都是不可培養的，因此通過培養方法獲得硝化細菌的純菌株非常困難。在污水處理系統中，微生物主要分兩大類，一類是異養微生物，一類是自養微生物，異養微生物本身數量多增殖速率快，而自養微生物數量少又生長緩慢。因此，通過擴大培養的方法構建高效硝化菌群培養物，應用于污水處理脫氮，將對特定水體具有了良好的脫氮效果。在這項研究中，通過研究影響硝化細菌環境條件來優化硝化細菌的培養條件。

2 材料與方法

在試驗中對影響高效硝化菌群氨氮去除效果的6種因素作靜態實驗，以得到該菌群適合的培養條件。將實驗室富集培養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

配置亞硝化細菌液體培養基，碳氮比選擇9個梯度分別為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基中，150 r/min搖床并于室溫30 ℃培養12 h后測定氨氮濃度。本試驗中氨氮底物濃度為215 mg/L，C/N的變化通過調節碳源改變。

2.2 氨氮底物濃度對脫氮效果的影響

配置亞硝化細菌液體培養基，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基中，150 r/min搖床并于室溫30 ℃培養12 h后測定氨氮降解情況。

2.3 DO值對脫氮效果的影響

由于硝化細菌為自養菌，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菌處理氨氮的效果，通過改變搖床轉速實現。配置亞硝化細菌液體培養基，氨氮濃度為215 mg/L，C/N為8的亞硝化細菌液體培養基中，pH值8，搖床轉速選擇290 r/min、220 r/min、150 r/min、90 r/min、60 r/min及靜止狀態6種不同條件下培養12 h后測定氨氮降解情況。

2.4 溫度

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

2.5 pH值對脫氮效果的影響

配置亞硝化細菌液體培養基，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基中，150 r/min搖床并于室溫30 ℃培養12 h后測定氨氮降解情況。

2.6 實驗用培養基

AOB MPN培養基：（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 實驗結果

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，氨氮降解速率和氨氮去除率均是上升趨勢，且在達到8時，脫氮效果達到最佳，氨氮降解速率與氨氮去除率分別為5.9 mg/（L·h）及37.28%，這說明低濃度有機物不會影響硝化細菌對氨氮的利用，反而對硝化菌群的生長具有一定的促進作。當碳氮比在8～18范圍時，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時達到最低點，這說明當污水中有機污染物含量較高時，它可能會刺激異養細菌的生長，與自養硝化細菌爭奪溶解氧和微量物質，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，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，氨氮降解速率達到最高為3.52 mg/（L·h），氨氮濃度在123.62～321.89 mg/L區間內，氨氮硝化速率保持穩定，都在3 mg/（L·h）以上。而當氨氮底物濃度過高，超過423.65 mg/L時，氨氮對硝化作用將產生抑制作用，氨氮降解速率有較大的下降，濃度超過770.45 mg/L時，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速實現的，如圖4所示。通常高溶解氧的條件不會對硝化反應產生抑制作用，而兼氧或厭氧條件會對硝化反應的進行有較大的抑制作用。不進行振蕩培養的條件下，硝化菌群的氨氮去除率非常低，而當轉速不斷升高，直至300 r/min，氨氮去除率和氨氮降解速率均不斷提高，尤其在搖床轉速達到90 r/min后，氨氮的降解效果趨于穩定，不再有大幅提高，轉速為300 r/min時，氨氮降解速率和去除率均達到最高，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，故通過分析，選擇轉速為150 r/min，經測量DO值在1.5～2.0之間，滿足硝化菌群對溶解氧的需求，實際污水處理系統中DO值也基本能控制在這個區間內。如在實際污水處理系統中，曝氣量過大還會造成污泥松散，導致污泥膨脹發生。

3.4 溫度對菌群氨氮降解效果的影響

如圖4所示，在試驗溫度4～45 ℃區間內，溫度對菌群氨氮降解效果呈拋物線狀，并在30 ℃時，氨氮降解速率及氨氮去除率達到最大值分別為8.04 mg/（L·h）和40.58 %。溫度對硝化細菌活性有較大影響，溫度為4 ℃時，硝化作用幾乎停止，低于10 ℃及高于45 ℃時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 ℃區間內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，故在試驗過程中選擇30 ℃作為試驗溫度。在實際污水處理系統中，水溫通常達不到30 ℃，但在20 ℃以上時，該菌群也有較好的氨氮去除效果，故在工程應用中應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區間內，高效硝化菌群對氨氮的去除呈現先升高后降低的現象。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，氨氮去除速率和氨氮去除率都較低。在pH值5.0時，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，氨氮去除率及降解速率達到最高，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。一般污水處理系統中的pH值為7.2～7.5，該菌群在pH值為7.5左右時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區間內，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，氨氮去除效果最好，氨氮降解速率達到8.04mg/（L·h），氨氮去除率達到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。所以在以后的試驗中選擇的pH值都為8.0～8.5。而一般污水處理系統中的pH值為7.2～7.5，該菌群在pH值為7.5左右時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值進行了測定，結果表明Nitrosomonas的最適pH值為8.1[3]。Groenewegh認為，硝化反應的適宜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pH值低于5.5時，硝化反應完全停止[4]，我們的試驗結果與此基本吻合。

4 結論

該研究以特定環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。試驗結果表明：該高效菌群對環境條件有較寬泛的適用條件，適合的C/N為2～14，氨氮底物濃度區間為123.62～321.89 mg/L，合適的搖床轉速為90～140 r/min，相當于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的進行，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

[1] 趙勇嬌.硝化細菌群落結構變化對系統脫氮性能的影響[J].環境工程，2014（S1）：302-304.

[2] 趙勇嬌.強化淹沒式生物膜活性污泥復合工藝中硝化菌群特性研究[D].哈爾濱工業大學，2008.

[3] C.Grunditz，G.Dalharnrnar. Development of nitrification inhibition assays using pure cultures of nitrosomonas and nitrobacter[J].Water Research， 2001（35）：433-440.

[4] J.B.Groeneweg，W.Tappe. Ammonia oxidation in Nitrosomonas at NH3 concentrations near Km：effects of pH and temperature[J].Water Research，1994，28（28）：2561-2566.