鹽分對生物脫氮過程影響的研究進展

朱曉華，李澤琴，陳茂霞,邱雨婷，譚周亮

（（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059; 2.中國科學(xué)院成都生物研究所,四川成都610041）

鹽分對生物脫氮過程影響的研究進展

朱曉華1，李澤琴1，陳茂霞2,邱雨婷1，譚周亮2

（（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059; 2.中國科學(xué)院成都生物研究所,四川成都610041）

含鹽廢水處理中生物脫氮是難題，重點闡述了鹽分對不同脫氮方式微生物的影響，總結(jié)了含鹽廢水生物脫氮強化措施，指出應(yīng)從細胞分子水平研究鹽分對脫氮微生物的脅迫機制，加快耐鹽脫氮菌種特別是嗜鹽菌的篩選，以及針對不同微生物結(jié)合反應(yīng)器做出參數(shù)優(yōu)化策略。

鹽脅迫;生物脫氮;異養(yǎng)硝化-好氧反硝化;厭氧氨氧化;短程硝化反硝化

氮素是我國目前造成水體污染的主要原因之一，大量的氮素進入水體會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，甚至危害生物的生存與健康。脫氮技術(shù)，特別是廢水生物脫氮技術(shù)因其具有經(jīng)濟、高效、無害的特點，引起廣泛關(guān)注。脫氮微生物是廢水生物脫氮技術(shù)的核心，但脫氮效率容易受環(huán)境條件（如溫度、鹽度）、進水水質(zhì)（pH值、有毒物質(zhì)等）等脅迫因素影響。鹽類物質(zhì)引起的廢水高滲透壓會降低微生物活性，抑制微生物的代謝作用，使酶代謝活性減弱，以至降低反應(yīng)動力學(xué)系數(shù)，最終使廢水中氮素去除效率下降；嚴重時將導(dǎo)致細胞脫水，最后發(fā)生質(zhì)壁分離，甚至死亡[1]。

目前，部分研究者已經(jīng)馴化和篩選出耐鹽脫氮微生物，但其研究主要集中在對處理效率的影響層面，對于脫氮微生物環(huán)境脅迫響應(yīng)的系統(tǒng)研究較少。從鹽分對不同微生物脫氮過程的影響以及含鹽廢水生物脫氮強化措施等方面展開綜述，以期為鹽脅迫下廢水生物脫氮的機理研究以及應(yīng)對策略和技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 鹽分對不同微生物脫氮過程的影響

1.1鹽分對傳統(tǒng)脫氮過程的影響

傳統(tǒng)微生物脫氮途徑主要依靠硝化和反硝化兩個階段完成。傳統(tǒng)生物處理對廢水中離子強度變化很敏感，鹽含量的增加可能導(dǎo)致微生物的正常代謝功能遭到破壞，其代謝途徑減少。

硝化過程是生物脫氮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鹽度是影響其微生物活性的環(huán)境因子之一。Campos等[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)NaCl濃度高于3%時，活性污泥系統(tǒng)的硝化作用失效，而Chen等[3]則得出活性污泥硝化的耐鹽極限是6.5 g/L。

不同脫氮過程的細菌對鹽度的敏感性不同。周鵬等[4]發(fā)現(xiàn)，氯化鈉濃度為20 g/L時，異養(yǎng)菌受到79%的抑制作用，而反硝化菌僅受到25%的抑制作用，表明反硝化菌在受鹽度沖擊時，所受到的抑制作用較小；而AOB比NOB有更強的鹽度耐受力。

1.2鹽分對異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過程的影響

微生物降解有機底物的同時將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽、亞硝酸鹽和羥胺的過程被稱為異養(yǎng)硝化，好氧反硝化則指微生物可以同時利用氧和硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體進行的呼吸作用[5]。多數(shù)研究顯示異養(yǎng)硝化菌同時也是好氧反硝化菌，其耐鹽脫氮性能如表1所示[6-11]。

由于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌與傳統(tǒng)脫氮細菌相比，具有世代周期短、耐受低DO和高有機負荷、對環(huán)境的適應(yīng)能力強等優(yōu)點，在含鹽污水脫氮處理方面有較大的應(yīng)用潛力[10]。

1.3鹽分對厭氧氨氧化過程的影響

厭氧氨氧化是指以NH4+為電子供體，NO2-為電子受體，生成N2的生物反應(yīng)。Kuypers等[12]從死海樣品中

分離出厭氧氨氧化菌株Candidatus Scalinduasorokini，表明部分厭氧氨氧化菌具有耐鹽性。高鹽度顯著抑制厭氧氨氧化活性，這種抑制具有可逆性，但由于高鹽環(huán)境對細菌生長有負面影響，反應(yīng)器長期運行于高鹽度條件下，容易出現(xiàn)功能衰退[13]。

表1 部分具有耐鹽性能的異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌

1.4鹽分對短程硝化反硝化過程的影響

短程硝化反硝化是指反硝化作用以NO3-為電子受體，其標(biāo)志是有穩(wěn)定且高效的亞硝酸鹽的積累。

Aslan等[14]研究生物濾池發(fā)現(xiàn)，1 g/L NaCl濃度可以促進較高的活性，NH4-N去除效率從92%增加到95%。繼續(xù)增加NaCl濃度會引起NH4-N氧化，抑制效果急劇增加。支霞輝]等[15]的研究顯示，適當(dāng)增加鹽度將有助于增強AOB的活性，增加硝化階段亞硝酸鹽的積累，縮短反應(yīng)時間。此外，SBR，SBBR及氣提式反應(yīng)器等也被證明可以通過利用鹽度抑制實現(xiàn)短程硝化。

如上所述，劑量的鹽度有助于實現(xiàn)短程硝化反硝化現(xiàn)象，提高菌群活性，但不同菌株的鹽適應(yīng)性差異決定了其實現(xiàn)的鹽度范圍。

2 含鹽廢水生物脫氮強化措施

2.1高鹽廢水脫氮工藝優(yōu)化與改造

2.1.1反應(yīng)器與工藝選擇

選擇不同的反應(yīng)器和工藝，可以有效減輕鹽分對脫氮效果的影響，如Zhang等[16]利用一種新型淹沒式微生物脫鹽-反硝化作用電池，陰極的NO3-通過自養(yǎng)反硝化作用被削減至N2，經(jīng)過12 h從地下水中去除了90.5%的硝酸鹽，并且能夠減少地下水的含鹽量。Ikeda等[17]在高鹽度條件下利用下行式海綿懸掛反應(yīng)器處理苯酚和氨合成廢水，通過流出物的再循環(huán)來增強反硝化作用，反應(yīng)器的反硝化作用比率從無回流的19.1± 14.1%增加到了58.6±6.2%（回流比1.5）。

2.1.2添加滲透壓保護物質(zhì)

甜菜堿、谷氨酸鹽等很多物質(zhì)被證明在很多細菌中都起著滲透壓保護的作用，有利于維持和提高微生物活性。周建等[18]發(fā)現(xiàn)甜菜堿對硝化效能有較大影響，其投加量（1.5 mmol/L內(nèi)）越大亞硝化及硝化速率越快，NO2-N及NO3-N濃度越高；投加1.5 mmol/L甜菜堿可使馴化時間縮短近10 d。Alba-Loi等[19]發(fā)現(xiàn)，耐鹽酵在1 mol NaCl中生長時，母體內(nèi)的谷氨酸脫氫酶是對照的5倍，表明谷氨酸在高鹽環(huán)境下具有保護酶活性不受高離子強度影響的作用。此外，四氫嘧啶、膽堿等也被證明是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。

2.1.3改變廢水離子環(huán)境

廢水生物系統(tǒng)遭遇高濃度鈉鹽沖擊時，可通過改變廢水離子環(huán)境或投加具有拮抗作用的物質(zhì)，緩解鹽脅迫對微生物的抑制。如單獨或組合投加對Na+具有拮抗作用的K+，Ca2+，Mg2+以及Fe2+等，能大大減輕Na+對生物處理的抑制作用[20]。又如，按比例投加少量三甲胺乙內(nèi)酯，可減輕如間歇反應(yīng)器、CSTR、流化床和UASB等反應(yīng)器中Na+及Na+濃度驟升對厭氧微生物的抑制作用[21]。

2.2生物強化技術(shù)

生物強化技術(shù)是為提高系統(tǒng)去除污染物的能力，向廢水處理系統(tǒng)或者污染地投加特定功能微生物的一種工藝。由于淡水微生物的耐鹽能力有限，利用嗜鹽微生物處理高含鹽廢水成為最好的選擇。Shi等[22]通過將海洋嗜鹽細菌引入到間歇曝氣生物濾池中處理含鹽廢水，COD、總氮和總磷去除率分別提高約8.6%，15.7%，17.3%。

此外，馴化也是提高微生物耐鹽脫氮能力的重要手段之一。金仁村等[13]發(fā)現(xiàn)，NaCl濃度30 g/L時，馴化后污泥的厭氧氨氧化活性比未經(jīng)馴化污泥高22.4%。馴化污泥由高鹽環(huán)境轉(zhuǎn)移至無鹽環(huán)境時，其厭氧氨氧化活性提高43.1%。

3 結(jié)語與展望

高鹽脅迫下利用生物系統(tǒng)進行脫氮處理技術(shù)上是可行的，但不同微生物鹽適應(yīng)性的差異使得研究結(jié)論存在分歧。大量研究表明，嗜鹽菌在含鹽廢水脫氮中的應(yīng)用有一定前景，其中異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌的

耐鹽性能突出。在未來的研究與應(yīng)用中，應(yīng)加深研究鹽分對脫氮微生物細胞分子水平的脅迫機制，加快耐鹽脫氮菌種特別是嗜鹽菌的篩選，同時針對不同微生物結(jié)合反應(yīng)器做出參數(shù)優(yōu)化策略。

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Review on the researches about the effects of salt on biological nitrogen removal process

ZHU Xiaohua1,LI Zeqin1,CHEN Maoxia2,QIU Yuting1,TAN Zhouliang2
（1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China；2.Chinese Academy of Sciences Chengdu Institute of Biological Research,Chengdu 610041,China）

Biological nitrogen removal is a difficult problem in the treatment of waste water containing salt.This paper focused on the effects of different nitrogen salt fermentation,and summarized the enhanced nitrogen removal measures with biological salt waste water.It pointed that some studies should be made from cell and molecular on salt stress mechanism ofdenitrogenation microorganism,and the screening of salt tolerant nitrogen species should be speed up,especially the halophilic bacteria.Finally some doptimization strategies were put forward according to the different microorganisms with reactor parameters.

salt stress;biological denitrification;heterotrophic nitrification and aerobic denitrification;anaerobic ammonia oxidation;shortcut nitrification denitrification

X703

A

1674-0912（2015）03-0035-03

2015－02－25）

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃重點項目；國家自然科學(xué)基金項目（51208489）；四川省科技廳項目（2012SZ0161）

朱曉華（1989-），男，四川什邡人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境污染與控制技術(shù)

李澤琴（1959-），女，博導(dǎo)，教授。