生物脫氮工藝處理含鹽廢水研究進(jìn)展

楊振琳

【摘 要】本文主要論述了生物脫氮工藝處理鹽廢水主要策略、微生物機(jī)體調(diào)節(jié)滲透壓機(jī)制、以及相容性溶質(zhì)的作用機(jī)理。其中相容性溶質(zhì)策略在目前來(lái)看最為經(jīng)濟(jì)有效。研究厭氧氨氧化耦合反硝化工藝運(yùn)用相容性溶質(zhì)處理含鹽有機(jī)廢水對(duì)于拓展生物脫氮工藝的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域具有的重要的理論指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】含鹽廢水；相容性溶質(zhì)；厭氧氨氧化；反硝化

中圖分類(lèi)號(hào)： X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）06-0153-002

【Abstract】this paper mainly discusses the main strategies of biological denitrification treatment，the mechanism of regulating osmotic pressure of microorganism and the mechanism of compatibility solute.The compatibility solute strategy is most economical and effective at present.It is important to study the application of compatible solute in the treatment of anaerobic ammonia oxidation to the practical application field of biological denitrification technology.

【Key words】Saline wastewater；Compatible solute；Anaerobic ammonia oxidation；Denitrification

1 含鹽（海水）廢水的來(lái)源；危害及其處理現(xiàn)狀

由于淡水資源短缺且水質(zhì)下降，海水的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，尤其是在沿海地區(qū)。制革廠，食品，飲料和紡織工業(yè)，以及漁業(yè)也都排放高鹽度的廢水 FADDIN EN.CITE {Belkin， 1993 #38；Dalmacija，1996 #39；Feijoo， 1995 #40}。海水應(yīng)用于廁所沖洗系統(tǒng)來(lái)緩解水資源短缺的問(wèn)題。這不可避免的產(chǎn)生了大量的海水廢水，然而，由于鹽度的不利影響，傳統(tǒng)的廢水工藝處理這種廢水面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

鹽度對(duì)微生物代謝活動(dòng)，污染物清除，污泥沉降有負(fù)面影響。鹽度會(huì)造成微生物的滲透壓快速改變，導(dǎo)致菌體細(xì)胞破裂或抑制微生物的生長(zhǎng)，破壞生物的代謝功能并降低生物的講解能力，使生物處理系統(tǒng)受到破壞。

傳統(tǒng)的處理廠提供了處理鹽水的可行方法。然而，這些方法大多使用精密的設(shè)備，這些設(shè)備需要大量的經(jīng)濟(jì)投資和消耗大量的能源。此外，這些常規(guī)方法在控制漫射污染方面是無(wú)效的（通常指的是非點(diǎn)源污染）。

2 厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝

在實(shí)踐中，許多來(lái)源的廢水，如牲畜養(yǎng)殖、廢棄物處理和護(hù)發(fā)產(chǎn)品工業(yè)，都含有高濃度的氮和化學(xué)需氧量（COD），這意味著單一anammox過(guò)程很難有效地處理廢水。目前，人們對(duì)厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝（SAD）研究的興趣越來(lái)越濃厚。研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)碳存在的環(huán)境中，在有機(jī)碳存在的環(huán)境中，厭氧氨氧化與反硝化反應(yīng)能同步發(fā)生且相互促進(jìn)。AnAOB與反硝化菌（HDB）的協(xié)同作用可以消除有機(jī)物質(zhì)、溫度和溫度的抑制作用。厭氧氨氧化與反硝化耦合過(guò)程可以將anammox產(chǎn)生的NO3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N，然后轉(zhuǎn)化為N2。Anammox利用反硝化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物NO2--N作為電子受體。反硝化產(chǎn)生的CO2可為ANAMMOX提供無(wú)機(jī)碳源，同時(shí)減輕了溫室氣體的排放。SAD工藝可以解決傳統(tǒng)生物脫氮工藝外碳源不足的問(wèn)題。

然而，SAD受很多因素影響，細(xì)菌生長(zhǎng)速率、底物濃度、pH值、溫度、碳氮比、鹽度等。當(dāng)前的研究對(duì)于耦合反應(yīng)中國(guó)氮素去除的貢獻(xiàn)率、AnAOB與HDB的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系以及耦合反應(yīng)器的運(yùn)行狀況等方面都存在認(rèn)識(shí)上的缺陷。如何平衡各因素以及有機(jī)物對(duì)AnAOB的抑制作用對(duì)于Anammox與反硝化耦合工藝的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

3 微生物機(jī)體調(diào)節(jié)滲透壓的策略

微生物機(jī)體在高鹽度條件下調(diào)節(jié)滲透壓以生存有倆種基礎(chǔ)策略，“saltin”策略和“相容性溶質(zhì)”策略。細(xì)胞通常運(yùn)用“相容性溶質(zhì)”策略不僅僅是在高鹽度環(huán)境下的滲透脅迫，而且在其他極端環(huán)境的條件下。第一種策略是細(xì)胞增加細(xì)胞內(nèi)的離子濃度（主要是鉀離子）來(lái)平衡細(xì)胞外滲透壓，并且細(xì)胞內(nèi)的酶須適應(yīng)這些新的環(huán)境。全部的生理機(jī)能已經(jīng)適應(yīng)了滲透環(huán)境的厭氧嗜鹽菌用所謂的“saltin”策略。大量的微生物會(huì)積累一種叫做“相容性溶質(zhì)”的有機(jī)物。通過(guò)有機(jī)相容性溶質(zhì)的作用，不需要細(xì)胞內(nèi)酶的特殊適應(yīng)，高的外部環(huán)境的滲透壓和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)是相同的，同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)處于高離子強(qiáng)度時(shí)，相容性溶質(zhì)還可以作為蛋白質(zhì)的穩(wěn)定劑。

4 相容性溶質(zhì)的作用機(jī)理

微生物機(jī)體積累CS是由其基因編碼的蛋白質(zhì)（包括酶）或者從環(huán)境轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)、或者從頭合成而來(lái)，因而CS的組成和含量包含著微生物的遺傳信息。相容性溶質(zhì)具有穩(wěn)定蛋白質(zhì)的特性，這種特性支持適當(dāng)多肽鏈的折疊。相容性溶質(zhì)的作用發(fā)生在溶劑結(jié)構(gòu)的變化中，或者蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)特性的微妙變化中，而不是通過(guò)改變蛋白質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)。除了他們的滲透功能外，相容性溶質(zhì)也可以保護(hù)大分子，例如保護(hù)膜變性。在高滲透壓環(huán)境下，微生物機(jī)體不完全依賴(lài)于從頭到尾合成相容性溶質(zhì)，當(dāng)環(huán)境中存在CS時(shí)，他們還可以從環(huán)境中吸收CS。這種轉(zhuǎn)運(yùn)方式更大程度的促進(jìn)了CS的經(jīng)濟(jì)積累。而對(duì)于非嗜鹽生物，無(wú)法合成含氮的CS，可以轉(zhuǎn)換為這種更加節(jié)省能量的滲透調(diào)節(jié)方式，從而增加了對(duì)鹽度的耐受閾值。許多研究表明從環(huán)境中積累相容性溶質(zhì)要比生物機(jī)體自身合成節(jié)省能量。微生物優(yōu)先選擇高效的相容性溶質(zhì)具有以下特點(diǎn)：在沒(méi)有轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)脅迫時(shí)，不透過(guò)細(xì)胞膜；分子量小、溶解度高；生理pH條件下不帶電荷但有極性基因以保持與水親和勢(shì)；對(duì)細(xì)胞內(nèi)正常的代謝活動(dòng)無(wú)干擾。多數(shù)微生物通過(guò)相容性溶質(zhì)的調(diào)節(jié)，既可以在高鹽環(huán)境中成長(zhǎng)，又可以在低鹽環(huán)境中成長(zhǎng)，并且避免了體內(nèi)大量蛋白質(zhì)的修飾，減少了不必要的遺傳信息。因而利用相容性溶質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)滲透壓是一種遺傳上更簡(jiǎn)單更靈活的適應(yīng)策略。基于細(xì)胞的這個(gè)機(jī)制，很多生物廢水處理研究通過(guò)在廢水或者介質(zhì)外源投加相容性溶質(zhì)來(lái)減輕惡劣的環(huán)境壓力。

5 厭氧氨氧化/反硝化運(yùn)用相容性溶質(zhì)處理海水廢水的研究進(jìn)展

Cyplik等研究了在15g/LNacl條件下四氫嘧啶和海藻糖對(duì)反硝化作用的影響。研究發(fā)現(xiàn)投加1mmol四氫嘧啶加快了反硝化過(guò)程，使得NO3-和NO2-分別在5天和7天之后被完全去除，然而在沒(méi)有投加CS的反應(yīng)過(guò)程中，NO3-和NO2-分別在8天和9天之后被去除。Cyplik等指出，投加1mmol四氫嘧啶條件下，脂肪酶和硝酸鹽還原酶的相對(duì)酶活性分別增加了32%和35%。比硝酸鹽還原速率達(dá)到5.7mgN（gVSS·h），高于沒(méi)有沒(méi)有投加四氫嘧啶的值（3.2mgN（gVSS·h）），然而海藻糖的添加對(duì)反硝化速率卻沒(méi)有明顯的影響。

劉等研究發(fā)現(xiàn)1mmol的甜菜堿對(duì)anammox緩解鹽度抑制是有效的。在鹽度為25g/L條件下，分別添加1mmol的甜菜堿、海藻糖、四氫嘧啶，比厭氧氨氧化活性與沒(méi)有投加相容性溶質(zhì)相比分別提高了59.0%、51.3%、39.7%。陳輝等運(yùn)用上流序式批式反應(yīng)器（UASB），在5-30gNaCl/L條件下，投加50-5000mmol的甜菜堿對(duì)NH4+和NO2-的去除沒(méi)有積極的作用。這可能是由于AnAOB和HDB對(duì)于NO2--N的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致AnAOB的生長(zhǎng)受到限制。兩種結(jié)果截然不同，混合的微生物例如anammox微生物和反硝化微生物對(duì)相容性溶質(zhì)的吸收是相對(duì)緩慢的。

【參考文獻(xiàn)】

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