劉 洋 董貞君 應(yīng)清界 汪 蘋

(1.北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京 100048;2.江蘇仙融環(huán)境技術(shù)有限公司,江蘇無錫 214135)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益增長，人民生活水平不斷提高，食品工業(yè)污水排放量也越來越大.污水中不僅含有糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物，更含有大量的氮、磷化合物等[1].其中氮磷的過量排放會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[2].水體富營養(yǎng)化是我國當(dāng)今水環(huán)境面臨的重大問題，其危害主要表現(xiàn)在以下3方面:1)惡化水源水質(zhì)，增加給水處理難度和成本;2)水體感官惡化，降低水體的美學(xué)價(jià)值;3)破壞水體生態(tài)平衡，降低水體的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3-6].嚴(yán)重時(shí)會(huì)使水體中溶解氧下降，魚類大量死亡，甚至?xí)?dǎo)致湖泊消失.因此降低廢水中氮、磷含量顯得尤為重要.

硝化和反硝化作用是自然界氮素循環(huán)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié).傳統(tǒng)生物脫氮理論認(rèn)為硝化作用與反硝化作用完全是對(duì)立的兩個(gè)生化過程:硝化過程主要是由種類非常有限的化能自養(yǎng)型微生物完成的，反硝化過程主要是反硝化細(xì)菌的厭氧呼吸過程[7-8].但是，近二十年來生物脫氮理論和技術(shù)的新發(fā)展突破了對(duì)傳統(tǒng)理論的認(rèn)識(shí)[9-10].許多研究表明，不僅自養(yǎng)菌能完成硝化反應(yīng)，某些異養(yǎng)菌也可以進(jìn)行硝化作用[11-13];反硝化不只在厭氧和缺氧條件下進(jìn)行，在好氧情況下也能進(jìn)行.利用異養(yǎng)硝化好氧反硝化脫氮技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn):1)使硝化/反硝化過程在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，可以大大減少占地面積和建設(shè)資金;2)硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物，避免了硝化過程中的 NO的積累對(duì)硝化反應(yīng)的抑制，加快硝化反應(yīng)的速度[14];3)反硝化反應(yīng)增加的堿度補(bǔ)充硝化反應(yīng)減少的堿度，減少加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH值的化學(xué)物質(zhì)，降低成本[15].因此能同時(shí)進(jìn)行異養(yǎng)硝化和好氧反硝化的菌種的研究越來越受到人們的關(guān)注.

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢媚M廢水培養(yǎng)8株異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌，然后監(jiān)測水中 OD600、COD、NH3-N、TN和TP濃度隨時(shí)間變化的情況，從而找出最佳水力停留時(shí)間、最大去除率和最大去除速率等有工程應(yīng)用價(jià)值的參數(shù)，為進(jìn)一步提高食品工業(yè)廢水處理效率提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 菌源

本實(shí)驗(yàn)室已從SBR反應(yīng)器中篩選出8株具有異養(yǎng)硝化好氧反硝化功能的菌株，經(jīng)16S rDNA序列鑒定:1#戴爾福特菌(Delftia sp)，2#蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)，3#叢毛單胞菌(Comamonas sp)，4#蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)，5#蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)，6#芽孢桿菌(Bacillus sp)，7#芽孢桿菌(Bacillus sp)，8#巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium).

1.2 培養(yǎng)基

富集培養(yǎng)基:檸檬酸三鈉4.08 g，(NH4)2SO40.47 g， KH2PO41.0 g， FeCl2· 6H2O 0.5 g，CaCl2·7H2O 0.2 g，MgSO4·7H2O 1.0 g，蒸餾水 1 000 mL，pH 7.0～7.2，經(jīng)0.11 MPa 121℃滅菌20 min.

模擬廢水:(NH4)2SO40.47 g，琥珀酸鈉 5.62 g，維氏鹽溶液 50 mL，pH 7.2，蒸餾水 1 000 mL， 經(jīng)0.11 MPa 121℃滅菌20 min.維氏鹽溶液:K2HPO45.0 g，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.05 g，NaCl 2.5 g，MgSO4·7H2O 2.5 g，MnSO4·4H2O 0.05 g，蒸餾水 1 000 mL.

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)菌株經(jīng)富集培養(yǎng)48 h后按10%(體積比)的接種量接種到400 mL模擬廢水中，在30℃，180 r/min條件下進(jìn)行搖床震蕩培養(yǎng)96 h，培養(yǎng)過程中每隔24 h取樣1次，每次取樣10 mL，首先測定細(xì)菌光密度OD600，之后經(jīng)12 000 r/min離心，取上清液測定 COD，NH3-N，TN，TP.

確定總培養(yǎng)時(shí)間的原則是:生物量達(dá)到最大值后的48 h，終止培養(yǎng).

1.3.2 分析方法

OD600的測定采用紫外分光光度法;

COD，NH3-N，TN和TP的測定均采用DR 2800型哈希水質(zhì)測定儀，所需藥劑均為哈希原裝藥劑.

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌生長情況

為了研究COD、TN和TP去除效果與菌株生長之間的關(guān)系，每隔24 h進(jìn)行OD600測試，如圖1.由圖1可知，1#，2#在24 h時(shí)生物量已達(dá)到最大值，而其余6株在48 h時(shí)生物量才達(dá)到最大值，因此1#，2#總的培養(yǎng)時(shí)間定為72 h，而其余6株為96 h.從8株菌的生長曲線可以看出，8株菌的生長狀況良好，并且可以清楚地看到對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期幾個(gè)基本的生長階段.在接種到測試培養(yǎng)基之后的24 h內(nèi)菌株保持著較高的增長速率，細(xì)胞密度迅速增加;此后進(jìn)入穩(wěn)定期，細(xì)胞密度基本不變;72 h之后進(jìn)入衰亡期，細(xì)胞密度迅速減少.說明廢水中有機(jī)物的生物降解過程主要發(fā)生在0～24 h內(nèi).

圖1 生長曲線Fig.1 Curve of growth

2.2 生化性能

以琥珀酸鈉為唯一碳源研究8株菌生化性能，每隔24 h對(duì)培養(yǎng)基中COD濃度進(jìn)行測定，如圖2.由圖2可知，水中COD的濃度在0～24 h內(nèi)迅速降低，然后在24～48 h COD降解速率略有放緩但仍然較快.在0～48 h 8株菌COD的去除率為94.1%～97.0%，此段時(shí)間內(nèi)COD的去除量占總?cè)コ康?8.2%～100%，說明8株菌均具有很好的生化能力.COD的去除主要在48 h內(nèi)完成，這是因?yàn)檫@段時(shí)期菌株正處于對(duì)數(shù)生長期和穩(wěn)定期，細(xì)菌在這個(gè)時(shí)期生長速度達(dá)到高潮，此時(shí)需要消耗較多的能量，而這些用于細(xì)胞合成、硝化和反硝化的能量主要來自于細(xì)胞體對(duì)有機(jī)物的氧化.

圖2 水中COD濃度變化曲線Fig.2 Variation of COD concentration in water

2.3 氨氮去除能力

以硫酸銨為唯一氮源研究8株菌的氨氮去除能力(如圖3)，8株菌均表現(xiàn)出良好的氨氮去除能力.在0～48 h內(nèi)，水中氨氮的濃度隨著時(shí)間的推移而降低并在48 h時(shí)降到最低，此時(shí)氨氮的去除率在85.1% ～99.2%，其中2#最佳達(dá)到99.2%.8株菌的最大氨氮去除速率均出現(xiàn)在0～24 h，其中5#達(dá)到3 mg/L·h-1，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自養(yǎng)菌硝化速率 0.68 mg/L·h-1，為后面反硝化過程中所需NO3-N提供了保證.從圖3中還可以看到，在48～96 h，水中NH3-N濃度有一個(gè)小幅的增長，這可能是由于48 h后水中細(xì)胞體處于一個(gè)由穩(wěn)定期向衰亡期轉(zhuǎn)變的過程，這期間會(huì)有部分細(xì)胞體死亡并溶解于水中，從而導(dǎo)致水中NH3-N的上升.

圖3 水中NH3-N濃度變化曲線Fig.3 Variation of NH3-N concentration in water

2.4 脫氮性能

以水中TN含量為指標(biāo)研究8株菌脫氮性能(如圖4)，8株菌均表現(xiàn)出良好的脫氮能力.在0～24 h內(nèi)，水中總氮的濃度隨著時(shí)間的推移而迅速降低，除6#和8#是在48 h時(shí)達(dá)到最低，其余7株均在24 h時(shí)達(dá)到最低，此時(shí)總氮的去除率在74.1% ～97.7%，其中5#脫氮性能最佳達(dá)到97.7%.8株菌的最大脫氮速率均出現(xiàn)在0～24 h，這段時(shí)間正是細(xì)胞處于對(duì)數(shù)增值的期間，其中最大脫氮速率是5#達(dá)到3.54 mg/L·h-1.最大脫氮速率與最大氨氮去除速率出現(xiàn)的時(shí)間均為0～24 h，可以推斷硝化和反硝化過程是同步進(jìn)行的，這也正是硝化和反硝化效率都能保持較高水平的原因，硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物，避免了硝化過程中NO-3的積累對(duì)硝化反應(yīng)的抑制，加速了硝化反應(yīng)的速度.在48～96 h，水中總氮濃度有一個(gè)小幅的增長，這可能是由于48 h后水中細(xì)胞體處于一個(gè)由穩(wěn)定期向衰亡期轉(zhuǎn)變的過程，這期間會(huì)有部分細(xì)胞體死亡并溶解于水中，從而導(dǎo)致水中總氮的上升.

2.5 除磷能力

圖4 水中TN濃度變化曲線Fig.4 Variation of TN concentration in water

以磷酸氫二鉀為唯一磷源研究8株菌除磷能力(如圖5)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的推移，水中的TP濃度非但沒有降低反而略微升高.這可能由3個(gè)原因造成:1)本實(shí)驗(yàn)從始至終都是在好氧狀態(tài)進(jìn)行，所以菌株沒有厭氧釋磷的過程，從而也就影響其在好氧狀態(tài)下吸收磷的能力，這也是水中總磷含量沒有降低的原因;2)由于在前期富集階段吸附在菌體細(xì)胞上的磷溶解到水中，從而導(dǎo)致水中總磷含量上升;3)在細(xì)胞衰亡期會(huì)有大量細(xì)胞死亡溶解，這也是導(dǎo)致水中總磷含量可能上升的另一個(gè)原因.雖然水中總磷濃度沒有下降，但COD和TN去除率卻非?？捎^.這表明8株異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌能在磷源低消耗的情況下很好完成COD和TN去除，因此此類菌株適用于COD/P和N/P偏高的廢水.

圖5 水中總磷濃度變化曲線Fig.5 Variation of TP concentration in water

3 結(jié) 論

1)在以琥珀酸鈉為碳源、硫酸銨為氮源、磷酸氫二鉀為磷源的條件培養(yǎng)下，發(fā)現(xiàn)8株菌均有很好的生化能力和脫氮能力，其中COD去除率為95.7% ～97.2%、NH3-N去除率為64.2% ～87.8%，TN去除率為71.3% ～89.2%，但除磷效果不明顯.

2)對(duì)比細(xì)胞生長曲線圖可以看出，8株菌對(duì)COD、NH3-N、TN的較大去除速率均出現(xiàn)在細(xì)胞的對(duì)數(shù)生長期，因此較佳水力停留時(shí)間應(yīng)為24 h.而在此之后，不僅去除速率會(huì)放緩甚至還會(huì)出現(xiàn)各指標(biāo)濃度略有所上升的現(xiàn)象，這可能與細(xì)胞在經(jīng)歷了增長期、穩(wěn)定期后來到了衰亡期有關(guān).

3)8株菌都在磷源低消耗的情況下，表現(xiàn)出了很好的生化能力和脫氮能力.這說明該類菌株適用于處理具有N/P較高的食品廢水，如在處理味精廢水、屠宰廢水時(shí)，無需補(bǔ)充磷源，可節(jié)省一定的處理費(fèi)用.

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