好氧反硝化技术处理水产养殖废水研究进展

第４５卷第５期渔业现代化Ｖｏｌ.４５Ｎｏ.５２０１８年１０月ＦＩＳＨＥＲＹＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮＯｃｔ.２０１８ＤＯＩ:１０渔业现代化２０１８年升高ꎬ有利于反硝化作用的进行[１０]ꎮ实际生产中ꎬ由于外部环境多变ꎬ微生物群落复杂以及电子传递不均匀等因素ꎬ使得在微生物絮体内或者生物膜表面产生多种微环境ꎮ１.２生物化学机理生物化学机理认为在反硝化过程中ꎬ硝酸盐被还原导致总氮的损失ꎬ其反应过程为:ＮＯ－３—ＮＯ－２—ＮＯ—Ｎ２Ｏ—Ｎ２ꎮ在这个反应过程中ꎬ产生的３种气体(ＮＯ、Ｎ２Ｏ和Ｎ２)溢出使总氮质量浓度降低ꎬ此过程中ꎬ以ＮＯ和Ｎ２Ｏ形式去除的氮量约占１０％[１１]ꎮＨｏｎｇ等[１２]发现如果Ｃ/Ｎ较低ꎬ溶氧较低ꎬ都能导致Ｎ２Ｏ释放量增大ꎬ反硝化中Ｎ２Ｏ的最大积累量可达到总氮去除率的５０％~８０％ꎬ构成了好氧条件下总氮损失的一部分ꎬ然而这部分不是反硝化脱氮ꎬ但往往将其归功于反硝化作用ꎬ因此生物化学机理和微环境理论都认为在有氧条件下的反硝化仍是传统意义的缺氧反硝化ꎮ１.３微生物理论１.３.１协同呼吸理论协同呼吸理论[１３]认为ꎬ在好氧反硝化过程中ꎬ硝酸盐和氧气均可作为电子受体参与反应ꎬ细胞色素ｃ和细胞色素ａａ３之间电子传输过程中的“瓶颈”可被克服ꎬ因而电子流就可以同时传输给反硝化酶和氧气ꎬ故反硝化就可以在好氧环境中发生(图１)ꎮＨｕａｎｇ等[１４]也认为ꎬ氧气和硝酸盐氮同时存在时ꎬ反硝化作为辅助电子传递途径ꎬ是对有氧呼吸的补充ꎬ可防止烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(ＮＡＤＰ)的大量积累ꎮ此外ꎬ细胞色素的氧化还原水平会控制电子流向不同的细胞色素ꎬ以确定电子是否能够发生反硝化ꎮＷｉｌｓｏｎ等[１５]提出的好氧反硝化过程中电子传递见图１ꎬ反硝化细菌可以将电子从被还原的物质传递给Ｏ２ꎬ同时也可通过硝酸盐还原酶将电子传递给硝酸根ꎮ注:Ｎａｒ为硝酸盐还原酶ꎻＮｉｒ为亚硝酸盐还原酶ꎻＮｏｒ为一氧化氮还原酶ꎻＮｏｓ为一氧化二氮还原酶图１好氧反硝化细菌电子传递过程Ｆｉｇ.１Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｅｒｏｂｉｃｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ１.３.２好氧反硝化酶作用好氧反硝化被认为是一个涉及４种酶ꎬ即硝酸盐还原酶(Ｎａｒ)、亚硝酸盐还原酶(Ｎｉｒ)、一氧化氮还原酶(Ｎｏｒ)和一氧化二氮还原酶(Ｎｏｓ)的４步复杂生化还原反应ꎮ从好氧反硝化酶系角度阐述好氧反硝化机理开始于对泛养硫球Ｔｈｉｏｓｐｈａｅｒａｐａｎｔｏｔｒｏｐｈａ[１６](现更名为脱氮副球菌Ｐａｒａｃｏｃｃｕｓｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ)的研究ꎬ在Ｔ.ｐａｎｔｏｔｒｏｐｈａ内包含着膜内硝酸盐还原酶(Ｎａｒ)和周质硝酸盐还原酶(Ｎａｐ)ꎬ在好氧条件下ꎬＮａｐ优先被还原ꎬ而在厌氧条件下ꎬＮａｐ的活性被抑制ꎬＮａｒ活跃ꎬ被优先利用ꎮＢｅｌｌ等[１７]利用Ｎａｒ对含氮化合物在不同条件下敏感性进行试验ꎬ发现在厌氧环境下ꎬ９０％的Ｎａｒ活性被抑制ꎬ而在好氧的环境下ꎬ好氧生长细胞被抑制了２５％ꎮＮｉｒ主要有２种ꎬ一种是人们熟知的细胞色素ｃｄ１ꎬ由Ｎｉｒｓ基因编码ꎻ另一种是Ｎｉｒꎬ位于外周胞质ꎬ是一种可溶性含铜酶ꎬ由Ｎｉｒｋ基因编码ꎮ刘兴等[１８]研究铜绿假单胞菌ＹＹ２４发现ꎬ该菌存在膜结合ＮａｒꎬＮｉｒ类型为细胞色素ｃｄ１型ＮｉｒꎮＮｏｓ已在Ｐ.ｓｔｕｔｚｅｒｉ、Ｐ.ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ等细菌中分离提纯ꎬ其部分特征已被确定由ＮｏｒＣＢ基因编码[１９]ꎮ好氧反硝化菌的Ｎｏｓ是一种含铜蛋白ꎬ位于膜外周质中[２０]ꎮＢｅｌｌ等[１７]认为ꎬ在氧气存在条件下脱氮副球菌细胞Ｎｏｓ具有活性ꎬ且能将ＮＯ、Ｎ２Ｏ两种气体同时还原ꎮ硝酸盐降解过程是因为好氧反硝化菌菌体内依次产生ＮａｒꎬＮｉｒꎬＮｏｒ和Ｎｏｓꎬ最终生成氮气ꎮ８第５期黄志涛等:好氧反硝化技术处理水产养殖废水研究进展２好氧反硝化影响因素影响好氧反硝化反应的因素有碳氮比(Ｃ/Ｎ)、溶氧(ＤＯ)、碳源、温度、ｐＨ等ꎬ但不同的菌株种类、好氧反硝化反应器结构以及环境调控措施使得它们的影响能力各不相同ꎮ近几年的研究表明ꎬ在水产养殖废水处理中ꎬ反硝化主要受碳源、溶氧和碳氮比等因素的影响[１２ꎬ１４ꎬ２１]ꎮ２.１碳源碳源是细菌生长过程中必不可少的能量来源ꎬ碳源越充足ꎬ好氧反硝化速率越快ꎬ总氮去除率也越高[２１]ꎮ孙庆花等[２２]从海洋沉积物中分离出一株好氧反硝化细菌ꎬ即克雷伯氏菌Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａｓｐ.ꎬ发现以柠檬酸三钠为碳源时ꎬ硝酸盐氮的去除率为９０.２７％ꎬ且无亚硝酸盐氮积累ꎮＨａｍｌｉｎ等[２３]利用甲醇、乙酸、葡萄糖、水解的淀粉作为反硝化的碳源对西伯利亚鲟鱼养殖水体进行净化试验ꎬ发现４种碳源均能有效地将硝酸盐氮质量浓度从１１~５７ｍｇ/Ｌ降至接近０的质量浓度ꎬ在不考虑碳源限制的条件下ꎬ每天最大的反硝化率为６７