生物脫氮工藝處理含鹽廢水研究進展

楊振琳

【摘 要】本文主要論述了生物脫氮工藝處理鹽廢水主要策略、微生物機體調節滲透壓機制、以及相容性溶質的作用機理。其中相容性溶質策略在目前來看最為經濟有效。研究厭氧氨氧化耦合反硝化工藝運用相容性溶質處理含鹽有機廢水對于拓展生物脫氮工藝的實際應用領域具有的重要的理論指導意義。

【關鍵詞】含鹽廢水；相容性溶質；厭氧氨氧化；反硝化

中圖分類號： X703 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0153-002

【Abstract】this paper mainly discusses the main strategies of biological denitrification treatment，the mechanism of regulating osmotic pressure of microorganism and the mechanism of compatibility solute.The compatibility solute strategy is most economical and effective at present.It is important to study the application of compatible solute in the treatment of anaerobic ammonia oxidation to the practical application field of biological denitrification technology.

【Key words】Saline wastewater；Compatible solute；Anaerobic ammonia oxidation；Denitrification

1 含鹽（海水）廢水的來源；危害及其處理現狀

由于淡水資源短缺且水質下降，海水的應用越來越受到人們的廣泛關注，尤其是在沿海地區。制革廠，食品，飲料和紡織工業，以及漁業也都排放高鹽度的廢水 FADDIN EN.CITE {Belkin， 1993 #38；Dalmacija，1996 #39；Feijoo， 1995 #40}。海水應用于廁所沖洗系統來緩解水資源短缺的問題。這不可避免的產生了大量的海水廢水，然而，由于鹽度的不利影響，傳統的廢水工藝處理這種廢水面臨著巨大的挑戰。

鹽度對微生物代謝活動，污染物清除，污泥沉降有負面影響。鹽度會造成微生物的滲透壓快速改變，導致菌體細胞破裂或抑制微生物的生長，破壞生物的代謝功能并降低生物的講解能力，使生物處理系統受到破壞。

傳統的處理廠提供了處理鹽水的可行方法。然而，這些方法大多使用精密的設備，這些設備需要大量的經濟投資和消耗大量的能源。此外，這些常規方法在控制漫射污染方面是無效的（通常指的是非點源污染）。

2 厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝

在實踐中，許多來源的廢水，如牲畜養殖、廢棄物處理和護發產品工業，都含有高濃度的氮和化學需氧量（COD），這意味著單一anammox過程很難有效地處理廢水。目前，人們對厭氧氨氧化與反硝化耦合工藝（SAD）研究的興趣越來越濃厚。研究發現，在有機碳存在的環境中，在有機碳存在的環境中，厭氧氨氧化與反硝化反應能同步發生且相互促進。AnAOB與反硝化菌（HDB）的協同作用可以消除有機物質、溫度和溫度的抑制作用。厭氧氨氧化與反硝化耦合過程可以將anammox產生的NO3--N轉化為NO2--N，然后轉化為N2。Anammox利用反硝化產生的中間產物NO2--N作為電子受體。反硝化產生的CO2可為ANAMMOX提供無機碳源，同時減輕了溫室氣體的排放。SAD工藝可以解決傳統生物脫氮工藝外碳源不足的問題。

然而，SAD受很多因素影響，細菌生長速率、底物濃度、pH值、溫度、碳氮比、鹽度等。當前的研究對于耦合反應中國氮素去除的貢獻率、AnAOB與HDB的競爭關系以及耦合反應器的運行狀況等方面都存在認識上的缺陷。如何平衡各因素以及有機物對AnAOB的抑制作用對于Anammox與反硝化耦合工藝的穩定運行至關重要。

3 微生物機體調節滲透壓的策略

微生物機體在高鹽度條件下調節滲透壓以生存有倆種基礎策略，“saltin”策略和“相容性溶質”策略。細胞通常運用“相容性溶質”策略不僅僅是在高鹽度環境下的滲透脅迫，而且在其他極端環境的條件下。第一種策略是細胞增加細胞內的離子濃度（主要是鉀離子）來平衡細胞外滲透壓，并且細胞內的酶須適應這些新的環境。全部的生理機能已經適應了滲透環境的厭氧嗜鹽菌用所謂的“saltin”策略。大量的微生物會積累一種叫做“相容性溶質”的有機物。通過有機相容性溶質的作用，不需要細胞內酶的特殊適應，高的外部環境的滲透壓和細胞質內是相同的，同時，細胞內處于高離子強度時，相容性溶質還可以作為蛋白質的穩定劑。

4 相容性溶質的作用機理

微生物機體積累CS是由其基因編碼的蛋白質（包括酶）或者從環境轉運而來、或者從頭合成而來，因而CS的組成和含量包含著微生物的遺傳信息。相容性溶質具有穩定蛋白質的特性，這種特性支持適當多肽鏈的折疊。相容性溶質的作用發生在溶劑結構的變化中，或者蛋白質動態特性的微妙變化中，而不是通過改變蛋白質本身的結構。除了他們的滲透功能外，相容性溶質也可以保護大分子，例如保護膜變性。在高滲透壓環境下，微生物機體不完全依賴于從頭到尾合成相容性溶質，當環境中存在CS時，他們還可以從環境中吸收CS。這種轉運方式更大程度的促進了CS的經濟積累。而對于非嗜鹽生物，無法合成含氮的CS，可以轉換為這種更加節省能量的滲透調節方式，從而增加了對鹽度的耐受閾值。許多研究表明從環境中積累相容性溶質要比生物機體自身合成節省能量。微生物優先選擇高效的相容性溶質具有以下特點：在沒有轉運系統脅迫時，不透過細胞膜；分子量小、溶解度高；生理pH條件下不帶電荷但有極性基因以保持與水親和勢；對細胞內正常的代謝活動無干擾。多數微生物通過相容性溶質的調節，既可以在高鹽環境中成長，又可以在低鹽環境中成長，并且避免了體內大量蛋白質的修飾，減少了不必要的遺傳信息。因而利用相容性溶質來調節滲透壓是一種遺傳上更簡單更靈活的適應策略。基于細胞的這個機制，很多生物廢水處理研究通過在廢水或者介質外源投加相容性溶質來減輕惡劣的環境壓力。

5 厭氧氨氧化/反硝化運用相容性溶質處理海水廢水的研究進展

Cyplik等研究了在15g/LNacl條件下四氫嘧啶和海藻糖對反硝化作用的影響。研究發現投加1mmol四氫嘧啶加快了反硝化過程，使得NO3-和NO2-分別在5天和7天之后被完全去除，然而在沒有投加CS的反應過程中，NO3-和NO2-分別在8天和9天之后被去除。Cyplik等指出，投加1mmol四氫嘧啶條件下，脂肪酶和硝酸鹽還原酶的相對酶活性分別增加了32%和35%。比硝酸鹽還原速率達到5.7mgN（gVSS·h），高于沒有沒有投加四氫嘧啶的值（3.2mgN（gVSS·h）），然而海藻糖的添加對反硝化速率卻沒有明顯的影響。

劉等研究發現1mmol的甜菜堿對anammox緩解鹽度抑制是有效的。在鹽度為25g/L條件下，分別添加1mmol的甜菜堿、海藻糖、四氫嘧啶，比厭氧氨氧化活性與沒有投加相容性溶質相比分別提高了59.0%、51.3%、39.7%。陳輝等運用上流序式批式反應器（UASB），在5-30gNaCl/L條件下，投加50-5000mmol的甜菜堿對NH4+和NO2-的去除沒有積極的作用。這可能是由于AnAOB和HDB對于NO2--N的競爭導致AnAOB的生長受到限制。兩種結果截然不同，混合的微生物例如anammox微生物和反硝化微生物對相容性溶質的吸收是相對緩慢的。

【參考文獻】

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