污水處理廠深度處理生物脫氮技術及影響因素

摘 要：當進行污水處理廠深度處理生物脫氮技術研究時，從不同的環境來源采集分離樣品，使用專業的試劑和方法，從采集的樣品中提取菌株的基因組DNA。提取出的DNA會經過純化，然后利用PCR技術擴增其中的16Sr DNA基因并進行微生物的表型鑒定，即通過觀察微生物的形態，進一步補充基因鑒定的結果。對處理后的污水進行水質指標檢測，例如pH值、溶解氧、氨氮等。試驗結果表明，污水處理廠深度處理生物脫氮技術影響因素有3種，碳源、碳氮比、溫度，當丙酸鈉為唯一碳源時，氮去除率可達85.2%；當最佳碳氮比C/N為7時，氮去除率為94.5%；當溫度為20℃～32℃時，氮基本去除率均達到95%以上。

關鍵詞：污水；處理廠；生物脫氮；碳源；碳氮比

中圖分類號：X 703" 文獻標志碼：A

氮是水環境中重要的污染物，大量釋放可引起水體富營養化，導致水藻爆發，使水里的溶氧減少，對水生動物的生存造成破壞。因此，有效去除污水中的氮素，實現廢水的達標排放，成為當前環境保護領域亟待解決的問題。生物脫氮技術作為一種高效、環保的廢水處理方法，在污水處理廠深度處理中得到了廣泛應用。這項技術是通過微生物的新陳代謝，把含氮化合物從污水中分離出來，然后釋放到大氣中，從而實現廢水的凈化[1]。然而，影響生物脫氮的許多因素，例如溫度、碳源、碳氮比等，這些因素會直接或間接影響微生物的活性，進而影響生物脫氮的效率和穩定性。因此，研究污水處理廠深度處理生物脫氮技術及其影響因素，對提高廢水處理效率、減少氮排放、保護生態環境具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗準備

本文建立了一種生物脫氮濾池的深度處理方案，如圖1所示。試驗設備被分成缺氧濾池和好氧濾池，兩者都是由有機玻璃制成的，每根柱子的直徑都為60mm，填充物的填充高度為600mm，高徑比為12。試驗采用上行式進水方式，污水從底層入池，上層溢流排放。在好氧濾池的底部設置通氣管，以確保足夠的溶解氧。在2個濾池的底部設置直徑為8mm～10mm的大顆粒級生物陶粒；小顆粒級配生物陶粒在上層均勻分布，顆粒尺寸為3mm～5mm。生物陶粒顆粒尺寸均勻，強度高，表面有許多微孔，內部網狀結構交錯，不易結板，具有良好的生物掛膜條件，可以獲得高質量的生物膜[2]。

試驗主要儀器如下：上海菁海儀器有限公司生產的YP2002N型號電子天平，用于精確測量質量；澳柯瑪股份公司的BC/BD-217HFA型號冰箱，用于儲存試驗樣本；SANYO品牌的MDF-U53V型號超低溫冰箱，適用于長期保存生物樣品；寧波海曙賽福實驗儀器廠提供的SPX-450型號生化培養箱，用于微生物培養；Thereto Scientific的4360型號恒溫搖床，為試驗提供穩定的溫度環境；電熱恒溫鼓風干燥箱DGG-9140B來自上海森信實驗儀器有限公司，用于樣品干燥處理；高壓蒸汽滅菌鍋YXQ-LS-50A由上海博迅實業有限公司制造，保障實驗室的無菌環境；Eppendorf Research的移液器系列滿足不同體積的液體取用需求；超凈工作臺ZHJH-C1109B由上海智城分析儀器制造有限公司提供，為試驗操作提供無塵環境；通風櫥KD-1來自世安SHINE SCIENCE，保障實驗室通風；水質測定儀5B-1來自連華科技，用于水質分析；離心機Centrifuge 5417C和紫外分光光度計UV-6000PC分別由Eppendorf Research和METASH上海元析儀器有限公司生產，為試驗提供離心和光譜分析功能；連華科技的玻璃比色皿、日立的S-3400N型號電子顯微鏡、Biolog的GEN III OmniLog ID型號全自動微生物鑒定系統以及HI 93703-11N型號濁度儀等。同時，OLYMPUS的CX21FS1型號光學顯微鏡和佳能的a6000型號相機為試驗的觀察記錄工作提供了便利。Tanon天能的Tanon 1600型號凝膠成像系統為凝膠分析提供了高效工具。

為了滿足試驗需求，準備特定的試劑和相應的培養基，以下是所需材料。

氨氮校準溶液：量取2.345g硫酸銨，溶解于1000mL去離子水中，制備成氨氮濃度為600mg/L的儲備液。試驗時，取5mL儲備液，稀釋至500mL，即得氨氮濃度為6mg/L的工作溶液。

亞硝酸鹽氮標準儲備溶液：精準稱取0.85g亞硝酸鈉，充分溶解于200mL蒸餾水中，使其保持在1000mL，1mL該溶液含有大約0.25mg亞硝酸氮，放在一個褐色的瓶子里，加1mL的三氯甲烷，在2℃～5℃保存，保質期可達1個月。

亞硝氮標準中間液：在50mL容量的亞硝氮標樣中精確地定容到250mL，1mL該溶液含有50μg亞硝酸氮，裝在一個褐色的瓶子里，在2℃～5℃保存，可以維持一個星期。

亞硝酸鹽氮溶液：取15.00mL的基礎溶液，轉移至一個250mL的量瓶中，加入適量蒸餾水稀釋至刻度線，使溶液總體積達到250mL。這樣配制的溶液，亞硝酸鹽氮含量為1.50μg/mL。為確保其有效性，建議該溶液配制后立即使用。

氨基磺酸顯色液：在一個200mL的量筒中，先倒入80mL的蒸餾水，接著按照順序，先添加15mL的鹽酸，隨后是3g的鄰苯二甲酸氫鉀和0.3g的甲萘胺。操作完成后，將此混合液移至一個1000mL的量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，確保溶液均勻并達到所需濃度。

硝態氮儲備溶液：將高純度的NH4NO3精準稱量至0.524g，經過100℃下的3h干燥處理，隨后溶解于蒸餾水中，并精確調整溶液體積至500mL的刻度線。為保持溶液的穩定性，添加1.5mL甲醇作為保護劑。此溶液在妥善保存條件下可維持5個月，其硝酸根離子濃度為0.250mg/mL。

LB培養基配方：使用5g蛋白胨、3g酵母浸出物和5g氯化鈉[3]，溶于1L去離子水中，調整pH值至7.2，隨后在121℃下滅菌15min。如果需要制備固體培養基，就額外添加2%的瓊脂粉。

異養硝化培養基配方：采用6g甘油作為碳源，并加入0.8g的NH4NO3、5g的NaCl、0.8g的K2HPO4、0.2g的MgSO4·7H2O和0.02g的MnSO4·H2O，溶解于1L蒸餾水中，調整pH值至6.8～7.0。滅菌后，如果需要制備固體培養基，就加入1.2%的瓊脂。當進行試驗時，使用HCl和NaOH來精確調節培養基的pH值。

好氧反硝化培養基配方：使用蔗糖6g作為碳源，添加0.8g NaNO3，總鹽類12g，KHP（磷酸氫鉀）0.9g，Mg鹽0.2g，Fe鹽0.02g。混合于1L蒸餾水中，調整pH值至7.2，并進行20min的高溫滅菌處理。

50倍TAE緩沖液：含Tris 20g，冰乙酸6mL，EDTA溶液（0.5mol/L）8mL，加水至總量100mL。電泳前須稀釋至1倍濃度使用。

BUG平板：BUG培養基50g，配合1L去離子水，經微波處理溶解，再于120℃下滅菌10min，隨后冷卻至約50℃使用。

2%戊二醛溶液：取20%戊二醛2mL，加蒸餾水4mL，再加入0.1mol/L磷酸緩沖液（pH值7.2）4mL，定容至10mL。

PBS緩沖液制備：在1L水中加入1mol/L磷酸氫二鈉80mL和1mol/L磷酸二氫鈉20mL，pH值調至7.4。

1.2 污水處理廠深度處理生物脫氮方法

1.2.1 分離來源樣品采集

首先，選取某污水處理廠，稱量污水10mL，將200mL的異養硝化培養基滅菌后，置于25℃環境中，并在120rad/min的搖床上培養4d。期間，每隔24h，以5%的比例進行連續3次的接種傳代。其次，用0.5%的NaCl溶液對所得菌懸液進行梯度稀釋。再次，利用無菌刮刀在異養硝化固體培養基上均勻涂布稀釋液，并在25℃條件下培養4d。從次，挑選出形態和顏色各異的單個菌落，并在異養硝化培養基上進行三次劃線純化。在嚴格的無菌操作下，選擇純化的菌落轉移至異養硝化液體培養基中繼續培養7天。最后，通過測定氮濃度，篩選氮去除率超過40%的菌株，認定為異養硝化細菌，并進行甘油管保存。

1.2.2 提取目標菌株的基因組DNA

使用細菌DNA提取試劑盒，從2mL培養液中提取出基因組DNA，取5μL作為樣本，通過1%瓊脂糖凝膠電泳來驗證提取的DNA質量。

1.2.3 16SrDNA基因擴增

使用細菌通用的341f和806r引物進行PCR擴增，以獲取16SrDNA基因片段。PCR反應體系包含2μL的341f引物，2μL的806r引物，30μL的2×PCR Master Mix，14μL的ddH2O，2μL的模板DNA。PCR擴增條件設置如下：首先，在95℃下預變性5min。其次，再完成35個循環，每個循環在95℃下變性30s，在58℃退火30s，72℃下延伸45s。在72℃下延長10min。為了驗證PCR產物，使用1.5%的瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，并通過GelRed染料進行染色[4]，然后進行凝膠成像分析。最后，對PCR產物進行測序，并利用NCBI數據庫進行比對分析，以鑒定16SrDNA基因所對應的物種。

1.2.4 微生物形態特征識別

本文菌株的形態特征鑒定選用了Biolog公司GENⅣ鑒定板，這款鑒定板集成了75種不同碳源、25種化學敏感性物質以及標準的正、負控制孔。試驗遵循Protocol B流程，在專用BUG平板上進行厭氧培養，并將溫度設定為30℃。接種過程中，使用BIOLOG公司提供的IF-B接種液，并嚴格控制菌液懸濁度在92%～96%的透光率范圍內。接著，借助精確的移液裝置，將120μL的菌液接種至GENⅣ鑒定板上，然后將鑒定板放入先進的微生物自動分析系統。經過24h的培養周期，對所得數據進行分析解讀。

1.2.5 水質指標檢測

水樣通過0.22μm尼龍材質的過濾器凈化后，運用5B-4型號水質分析儀，根據規范步驟檢測氮的含量。在濃度檢測環節，采用可見光光度法，借助UV-7000型分光光度計[5]進行精確測量。同時，由pH-100型實驗室pH計細致測定pH值。

2 不同影響因素分析

選用Biolog公司GENⅣ鑒定板，這款鑒定板集成了75種不同碳源、25種化學敏感性物質，結果顯示該微生物為N81菌株。N81菌株氧化能力最強，氮通過硝化作用會轉化亞硝氮、硝態氮等其他氮形態，因此選取N81菌株為污水處理廠深度處理的異養硝化強化菌株。

2.1 碳源影響

碳源不僅是構建微生物細胞的基本元素，還通過其代謝途徑為微生物的生長提供動力。鑒于碳源在化學結構和分子量上的多樣性，菌株在利用不同碳源時具有不同的效率。為了深入探究碳源如何影響異養硝化過程的效果，選用了果糖、麥芽糖、乳酸鈉、丙酸鈉和酒石酸鉀鈉作為試驗碳源。對比這些碳源在異養硝化試驗中的表現，如圖2所示。

由圖2數據分析，當使用乳酸鈉和丙酸鈉作為碳源時，N81菌株的異養硝化性能顯著優于使用果糖和麥芽糖的情況。這主要是因為乳酸鈉和丙酸鈉的分子結構較簡單，使微生物更容易攝取和代謝這些物質，從而提高了能量生成的效率。特別是當丙酸鈉作為唯一碳源時，經過48h的試驗，氮去除率高達85.2%，這一數據遠超過其他碳源所達到的效果。綜上所述，N81菌株在異養反硝化過程中，對乳酸鈉和丙酸鈉的利用能力表現出色。因此，當處理含氮廢水時，添加乳酸鈉和丙酸鈉這樣的小分子有機酸，將能有效提升異養硝化細菌的硝化或反硝化能力，進而加速水體中氮的去除過程。

2.2 碳氮比影響

研究指出，碳氮比（C/N）對異養硝化細菌N81的活性具有顯著影響，過高或過低的C/N比均可能削弱其氨氧化能力。因此，本文設計了C/N比為0.5、1.5、3、5、7、9的6個梯度，以探究N81異養硝化的最佳C/N比條件。試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，N81菌株的氮去除率在培養初期隨著C/N比增加而逐步提升。當C/N比達到7時，氮去除效果尤為顯著，經過60h的培養，氮去除率高達95.3%。當C/N比進一步增至9時，N81菌株的氮去除率與C/N=7時相近，這表明過量的碳源對氮去除的促進效果并不顯著。當碳源不足時，菌體生長受限，氨氧化效率隨之降低；而碳源充足時，菌體生長穩定，代謝活動旺盛，氨氧化效率也達到穩定水平。因此，在以丙酸鈉為碳源的情況下，N81菌株的異養硝化最佳C/N比為7，其在24h的氮去除率可達94.5%。

2.3 培養溫度影響

異養硝化細菌N81菌株的生長顯著受溫度影響，其適宜生長的溫度區間為10℃～40℃，這與多數中溫異養硝化細菌的生長溫度范圍吻合。因此，在探究溫度對異養硝化作用影響的試驗中，選擇12℃、20℃、28℃、32℃和38℃5個溫度梯度進行測試，試驗結果如圖4所示。

圖4中的數據顯示，溫度對N81菌株的異養硝化效果有顯著的調控作用。在12℃的低溫條件下，氮的去除速度明顯放緩，經過24h后去除率僅維持在23%左右，導致殘留氮濃度高達165mg/L。相反，在38℃的高溫環境中，氮的濃度幾乎未見下降，去除率極低，僅為5%。然而，在20℃～32℃內，N81菌株的硝化效率達到最佳狀態，3個溫度點下的24h去除率均超過95%，且氮濃度均低于20mg/L。

3 結語

對污水處理廠深度處理生物脫氮技術及其影響因素的深入研究可以發現，生物脫氮技術在去除污水中氮素方面發揮至關重要的作用。然而，在實際應用過程中，多種因素，例如溫度、碳源和碳氮比等，均會對生物脫氮的效率和穩定性產生顯著影響。未來，隨著環境保護要求不斷提高和污水處理技術持續創新，生物脫氮技術將在污水處理廠深度處理中發揮更重要的作用。

參考文獻

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[3]李瑞祥，王鑫，李田.低碳污水微生物氮轉化工藝研究進展[J].工業水處理，2022，42（6）：22-32.

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[5]吳新年，郭家磊，郭倩倩，等.生活污水生物脫氮技術影響因素研究[J].價值工程，2020，39（11）：215-216.