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水处理的一种——厌氧氨氧化菌

2017-09-06 16:22:53 来源:网络

有机物的影响

我国学者在这方面进行了一些研究,例如,胡勇有等发现在有机碳源(葡萄糖)存在的ANAMMOX反应器中,厌氧氨氧化作用和反硝化作用可以同时存在,且适宜的COD/NH4+-N比值范围为0-1.57;胡勇有等,华南理工大学学报,2007

郑平等以酵母膏为有机碳源发现,容积总氮负荷低于0.43kg˙m-3˙d-1时,有机物对ANAMMOX反应器运行性能的影响较小;郑平,环境科学学报,2006

李捷等以实际生活污水作有机碳和无机碳源,认为有机碳的存在将会降低ANAMMOX菌的活性,浓度越高其抑制作用越强,但短时间内该抑制作用是可逆的;李捷,给水排水,2008

随着对ANAMMOX菌研究的不断深入,人们发现ANAMMOX菌除了能够以铵盐和亚硝酸盐为电子供体和电子受体外,还能以有机物(如乙酸、丙酸)为电子供体,以硫酸盐为电子受体,并且能够参与完全不同的反应途径,例如异化硝酸盐还原为铵盐(DNRA)和将羟胺歧化为氮气和铵盐。

研究表明,ANAMMOX菌代谢有机物的过程实际上是一种新的代谢途径:ANAMMOX菌Kueneniastuttgartiensis具有异化硝酸盐/亚硝酸盐还原为铵盐(DNRA)的能力,进而将铵盐(产物)和亚硝酸盐(原料/中间体)通过传统厌氧氨氧化途径转化为氮气。在DNRA过程中,ANAMMOX菌以硝酸盐/亚硝酸盐为电子受体,以有机物(甲酸盐)为电子供体,产物为铵盐和CO2。

厌氧氨氧化

厌氧氨氧化新途径(DNRA)示意图

Kartal, et al. Environ Microbiol, 2007

厌氧氨氧化

Guven, et al. AEM, 2005

Guven 等人发现某些有机物的确可以被 ANAMMOX 菌所利用,并被氧化为 CO2。他们发现醇类物质(甲醇、乙醇)抑制厌氧氨氧化过程,葡萄糖、甲酸盐和丙胺酸对其没有影响,而乙酸盐和丙酸盐能够被其利用,特别是丙酸盐利用效率更高。研究还发现,ANAMMOX 菌利用丙酸盐时,必须以亚硝酸盐或硝酸盐为电子受体,铵盐和丙酸盐之间存在竞争。

亚硝酸盐和磷酸盐的影响

不同的菌种对亚硝酸盐的耐受力不同,当NO2-浓度高于 10 mmol/L 时即对“Candidantus Brocadia anammoxidans”产生抑制作用; Jetten, et al. FEMS Microbiol Rev, 1998

加入 5 mmol/L 以上的PO43-会完全抑制“Candidantus Brocadia anammoxidans”的活性,但 1 mmol/L 的 PO43-对其活性无影响;Degraaf, et al. Microbiol-UK,1996

“Candidantus Kuenenia stuttgartiensis”对 PO43-和 NO2-的耐受力则较高,分别达 20 mmol/L 和 13mmol/L; Egli, et al. Arch Microbiol, 2001

厌氧氨氧化

Kimura, et al. Appl Microbiol Biotechnol, 2010

Kimura 等人研究发现对于生物膜 ANAMMOX 反应器而言,亚硝酸盐浓度274mg-N/L 是抑制 ANAMMOX 菌活性的分水岭:即亚硝酸盐浓度超过该浓度时ANAMMOX 活性逐渐降低,当浓度达到 750 mg-N/L 时 ANAMMOX 活性只有未受影响时的 10%;而当亚硝酸盐浓度降至 274 mg-N/L 以下时,ANAMMOX 活性可以在 3 天内恢复到原有水平。

Cho 等人研究了高浓度亚硝酸盐对 ANAMMOX颗粒污泥的影响,研究发现 ANAMMOX 颗粒污泥对亚硝酸盐的耐受能力较高,临界抑制浓度为 400 mg-N/L,是悬浮污泥系统临界抑制浓度的 2 倍左右。Cho, et al. Chemosphere, 2010

抑制剂的影响

在已有报道中,一些抗生素和无机试剂也能对ANAMMOX菌有抑制作用。

早期试验曾证实抗生素(青霉素、氯霉素、氨苄青霉素)、氯化汞、2,4-二硝基酚等试剂对ANAMMOX菌的确存在抑制作用,从而确定了ANAMMOX过程是微生物作用的结果。

近几年,又有几种 ANAMMOX 菌的抑制剂及其抑制浓度被确

定,包括游离氨(IC50=55mM)、硝酸盐(IC50=45mM)、乙酸(IC50=39mM)、硫化物(IC50=0.3mM)、盐酸四环素(IC50=55mM)。(IC50:半抑制浓度,用来衡量抑制剂的抑制能力,能力越强,数值越低) Dapena-Mora, et al. Enzyme Microb Tech, 2007

Fernandez 等人研究发现若将浓度为 20 mg/L 的氯霉素连续加入一个 ANAMMOX-SBR 反应器中,该反应器的 ANAMMOX 活性降低 25%,而 50 mg/L 的盐酸四环素同样使反应器活性降低25%。Fernandez, et al. Process Biochem, 2009

综上所述,在利用 ANAMMOX 工艺处理含有上述物质的含氮废水前应首先去除这些物质,或者降低这些抑制剂的浓度到临界抑制浓度以下。

厌氧氨氧化

SRT的影响

ANAMMOX菌的世代时间长,这对厌氧氨氧化反应器的启动十分不利。一般说来,由于ANAMMOX菌的增殖速率很慢,选择较长污泥龄(SRT)对于启动厌氧氨氧化系统而言是有利的。但有研究表明,较长SRT并不利于缩短反应器的启动时间和控制ANAMMOX菌的增殖速率。

Van der Star 等人在利用MBR 富集培养 ANAMMOX 菌时发现,当 SRT 分别为 16 天和 12 天时,ANAMMOX菌的世代时间分别为 11 天和 8.3 天,且 ANAMMOX 菌的最高纯度(97.6%)出现在 SRT=12d 阶段。van der Star, et al. BIOTECHNOL BIOENG, 2008

由于以上研究结果都基于悬浮系统,因此系统内 SRT 究竟如何影响 MBR 反应器内的厌氧氨氧化过程还需要进一步探究。

温度的影响

温度是影响微生物酶促反应的主要因素之一,其主要影响途径有两种:1) 影响酶催化反应的速率;2) 影响基质扩散到细胞的速率。

厌氧氨氧化

左剑恶等通过实验发现当反应温度在30 ~ 35℃ 时, 其厌氧氨氧化速率最高, 为0.171 ~ 0.174 mg/( mg ˙ d); 当温度升至40℃时, 其活性明显下降, 仅为0.091mg/(mg˙ d);而当温度低于30℃ 时, 其活性也明显下降。左剑恶等,环境科学,2006

DOSTA等将温度从15℃升至40℃,厌氧氨氧化反应速率呈指数形式增加,超过40℃,厌氧氨氧化活性剧降在废水生物处理中,厌氧氨氧化属于对温度变化比较敏感的反应类型,理论上提高温度有利于加速反应,但是当温度达到45℃时,反应速率下降,细胞溶解,活性逐渐消失,沉淀出水为橙红色,这可能与细胞在高温下破裂释放出细胞色素C有关,细胞色素C是厌氧氨氧化体的重要组成部分。 Dosta, et al. J Hazardous Materials, 2008

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