氨的厌氧氧化_王建龙

氨的厌氧氧化王建龙(清华大学环境工程系、环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100084)关键词氨氧化废水脱氮工业排放的含氮废水和农业施用的氮肥随雨水冲刷入江河、湖泊,生活污水排入受纳水体等,对环境造成的污染越来越严重,已引起人们的普遍关注。这是因为氨氮是引起水体富营养化的主要因素。如何去除水体中的氨氮是水污染防治界研究的重点和热点之一。生物脱氮是去除水中氨氮的有效方法,该方法由两段工艺共同完成,即硝化与反硝化。最近的一些研究表明,生物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的现象,如硝化过程不仅由自养菌完成,异养菌也可以参与硝化;氨氧化也可以在厌氧条件下发生等[1～3]。这些现象的发现为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理论和思路。本文将对氨的厌氧氧化研究现状作一简要介绍。1.硝化作用硝化作用由硝化细菌在好氧条件下进行,这些细菌以CO2为碳源,通过氧化NH4+获得能量。硝化过程可分为两个阶段:阶段Ⅰ:2NH4++O2→2NO2-+4H++2H2O+能量阶段Ⅱ:2NO2-+O2→2NO3-+能量这两个阶段分别由亚硝化菌(Nitro-somonas)和硝化菌(Nitrobacter)完成。亚硝化菌,如Nitrosonomaseuropaea、N.multi-farmis和Nitrosonomassp.在适当条件下可以产生NO、N2O和N2,表明亚硝化菌在氧限制或厌氧条件下具有调节功能。近期研究表明:N.europaea在严格厌氧条件下可以利用亚硝酸盐作为电子受体。N.europaea和NitrosovibriostrainK71即使在好氧条件下也可以产生NO。这些实验结果改变了人们对硝化过程的传统认识,例如,有些硝化菌并不是专性自养菌,某些种属的Nitrobacter在适当条件下甚至可以发生反硝化[2]。2.NH4+的厌氧氧化硝化是一个需氧过程,因此,需要好氧环境。而大多数反硝化菌仅仅在厌氧条件下发生随后的反硝化过程。然而,最近研究发现,在厌氧反应器中出现了NH4+浓度降低的现象,并且NH4+浓度的降低与NO3-的去除有一定的比例关系,发生的反应可假定为[4]:5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+ΔG=-297kJ/molNH4+进一步研究表明,NO2-也可以作为电子受体进行如下反应:NH4++NO2-→N2+2H2OΔG=-358kJ/molNH4+厌氧NH4+氧化过程的总反应是一个产生能量的反应。因此,从理论上讲,可以提供能量供微生物生长。另有研究表明:在有氧条件下,N.eu-ropaea可以利用NO2-作为终端电子受体,产生N2O。15N标记的同位素实验发现,N2O和N2来自于NO2-的还原,而不是NH4+氧化。Remede研究了N.europaea的反应,也认为NO和N2O主要来自于NO2-的还原。尽管羟胺氧化所需的氧可能来自水,但最初的NH4+氧化成羟胺仍然需要分子态氧,因此,氧化NH4+的自养硝化菌不能在厌氧反硝化条件—37—《生命的化学》1997年17卷6期表1NH4+氧化途径及反应自由能反应序号反应方程式ΔG°(kJ/molNH4+)15NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+-2972NH4++NO2-→N2+2H2O-358310NH4++2NO3-+5O2→6N2+16H2O+8H+-31042NH4++2O2+H2→N2+4H2O+2H+-43558NH4++6O2→4N2+12H2O+8H+-316下生长。NH4+的各种氧化途径及反应自由能总结于表1所示。对表1还有几点需说明的。(1)Gibbs自由能的计算依据参考文献[5]。(2)反应式1、2表示NH4+的厌氧氧化。(3)反应式3的反应机理是NH4+在脱氢酶作用下首先氧化成羟胺,反应中NO3-和O2均作为电子受体,其具体过程如下:5NH4++5H2O→5NH2OH+10[H]+5H+20[H]+5O2→10H2O5NH2OH+NO3-+H+→3N2+8H2O(4)反应式4的机理是NH4+首先在单氧合酶催化下形成羟胺,具体过程为:2NH4++2O2+4[H]→2NH2OH+2H2O+2H+2NH2OH→N2+2H2O+2[H]在总反应式4中,2[H]表示为H2。(5)反应式5表示NH4+直接氧化成N2,以O2作为电子受体。参考文献[1]MunchEVetal.WatRes,1996,30(2):277～284[2]StepanovALetal.BiotechnolApplBiochem,1997,25(2):97～104[3]KuenenJGetal.FEMSMicrobiolRev,1994,15:109～117[4]NielEWJetal.FEMSMicrobiolEcol,1993,102:109～118[5]ThauerRKe