高效硝化菌群影响因素分析

摘 要：为了提高生化系统的脱氮效率，该研究以自行构建的高效硝化菌群为研究对象，选取影响该菌群氨氮去除效果的6种因素作单因素实验，以得到该菌群适合的培养条件。实验结果表明该高效菌群对环境有较宽泛的适用条件，该菌群脱氮效果较佳的氨氮底物浓度范围为123.62～321.89 mg/L，适合的碳氮比为2.5～14，合适的pH值为7.0～8.5，摇床速度为90～150 r/min （相当于DO 1.5～2.5），适宜的温度范围为20～35 ℃，以上条件均有利于硝化反应的进行，其不利的生长条件为过高的底物浓度为大于423.65 mg/L，过低的温度为小于10 ℃。

关键词：生物脱氮 硝化菌群 碳氮比 溶解氧

中图分类号：X506 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（b）-0022-03

Analysis of Influencing Factors of High Efficiency Nitrifying Bacteria

Zhao Yongjiao

（Shenyang Academy of Environmental Sciences，Shenyang Liaoning，110016，China）

Abstract：In order to improve the nitrogen removal efficiency of biochemical systems， self-built efficiency nitrifying bacteria was the research object.This high efficiency nitrifying bacteria through single factor experiments the best cultivating conditions for the new nitrifying bacteria were the scope of ammonia concentration 123.62～321.89 mg/L， C/N of 2.5～14， pH value of 7.0～8.5， rotation speed of 90～150 r/min， temperature of 20～35 ℃，all of the above conditions were favorable for the nitration reaction. Its adverse growth conditions for high substrate concentration was greater than 423.65mg/L， the low temperature was less than 10℃.

Key Words：Biological Nitrogen Removal Nitrifying Bacteria；C/N；DO

1 概述硝化由两个生理群微生物分两步反应

第一步骤是通过氨氧化细菌完成氨到亚硝酸盐的氧化；第二步骤是通过亚硝酸盐氧化细菌完成亚硝酸盐到硝酸盐的氧化。由于硝化细菌生长缓慢，很多种类的硝化细菌都是不可培养的，因此通过培养方法获得硝化细菌的纯菌株非常困难。在污水处理系统中，微生物主要分两大类，一类是异养微生物，一类是自养微生物，异养微生物本身数量多增殖速率快，而自养微生物数量少又生长缓慢。因此，通过扩大培养的方法构建高效硝化菌群培养物，应用于污水处理脱氮，将对特定水体具有了良好的脱氮效果。在这项研究中，通过研究影响硝化细菌环境条件来优化硝化细菌的培养条件。

2 材料与方法

在试验中对影响高效硝化菌群氨氮去除效果的6种因素作静态实验，以得到该菌群适合的培养条件。将实验室富集培养的硝化菌群取出菌液10 mL，离心取得湿菌体。

2.1 C/N对脱氮效果的影响

配置亚硝化细菌液体培养基，碳氮比选择9个梯度分别为0、0.6、2.5、4.5、6.5、8、11、14和18，利用无菌操作将菌体接种于上述各培养基中，150 r/min摇床并于室温30 ℃培养12 h后测定氨氮浓度。本试验中氨氮底物浓度为215 mg/L，C/N的变化通过调节碳源改变。

2.2 氨氮底物浓度对脱氮效果的影响

配置亚硝化细菌液体培养基，770.45 mg/L、423.65 mg/L、319.69 mg/L、271.62 mg/L、215.73 mg/L、125.62 mg/L、64.32 mg/L和18.25 mg/L，利用无菌操作将菌体接种于上述各培养基中，150 r/min摇床并于室温30 ℃培养12 h后测定氨氮降解情况。

2.3 DO值对脱氮效果的影响

由于硝化细菌为自养菌，溶解氧含量的变化会影响菌群的活性。本研究为考察溶解氧浓度的变化对硝化细菌处理氨氮的效果，通过改变摇床转速实现。配置亚硝化细菌液体培养基，氨氮浓度为215 mg/L，C/N为8的亚硝化细菌液体培养基中，pH值8，摇床转速选择290 r/min、220 r/min、150 r/min、90 r/min、60 r/min及静止状态6种不同条件下培养12 h后测定氨氮降解情况。

2.4 温度

配置亚硝化细菌液体培养基，氨氮浓度为215 mg/L，C/N为8，pH 8.0，控制培养温度分别为40 ℃、35 ℃、30 ℃、25 ℃、20 ℃、10 ℃和4 ℃，接种后于150 r/min摇床培养12 h后测定氨氮浓度。

2.5 pH值对脱氮效果的影响

配置亚硝化细菌液体培养基，起始pH值分别为5、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5和9.5，氨氮浓度为215 mg/L，碳氮比为8，利用无菌操作将菌体接种于上述各培养基中，150 r/min摇床并于室温30 ℃培养12 h后测定氨氮降解情况。

2.6 实验用培养基

AOB MPN培养基：（NH4）2SO4 2 g/L，NaH2PO40.25 g/L，MnSO4/4H2O 0.01 g/L，K2HPO4 0.75 g/L，MgSO4/7H2O 0.03 g/L，CaCO3 5 g/L，蒸馏水1000 mL[1]；

3 实验结果

3.1 C/N对菌群氨氮降解效果的影响

从图1可见，碳氮比在0～8的范围内，氨氮降解速率和氨氮去除率均是上升趋势，且在达到8时，脱氮效果达到最佳，氨氮降解速率与氨氮去除率分别为5.9 mg/（L·h）及37.28%，这说明低浓度有机物不会影响硝化细菌对氨氮的利用，反而对硝化菌群的生长具有一定的促进作。当碳氮比在8～18范围时，氨氮去除效果不断减弱，在低于14后，氨氮去除效果迅速下降，并在碳氮比为18时达到最低点，这说明当污水中有机污染物含量较高时，它可能会刺激异养细菌的生长，与自养硝化细菌争夺溶解氧和微量物质，会对氨氮降解造成影响。适宜的碳氮比范围为2.5～14。正常污水处理系统中碳氮比能够满足该菌群对碳氮比的要求[2]。

3.2 氨氮浓度对菌群脱氨效果的影响

从图2可见，氨氮底物浓度对硝化速率的影响显著，氨氮底物浓度过低或过高均会影响硝化活性。在底物浓度为18.25 mg/L时，氨氮降解速率较低为0.665 mg/（L·h），在18.25 mg/L～123.62 mg/L，随氨氮浓度升高氨氮硝化速率不断提高，在底物浓度为215.733 mg/L时，氨氮降解速率达到最高为3.52 mg/（L·h），氨氮浓度在123.62～321.89 mg/L区间内，氨氮硝化速率保持稳定，都在3 mg/（L·h）以上。而当氨氮底物浓度过高，超过423.65 mg/L时，氨氮对硝化作用将产生抑制作用，氨氮降解速率有较大的下降，浓度超过770.45 mg/L时，氨氮降解速率降到1.6 mg/（L·h）。

3.3 DO值对菌群氨氮去除效果的影响

本试验考察溶解氧浓度对硝化菌群的氨氮去除效果是通过改变摇床转速实现的，如图4所示。通常高溶解氧的条件不会对硝化反应产生抑制作用，而兼氧或厌氧条件会对硝化反应的进行有较大的抑制作用。不进行振荡培养的条件下，硝化菌群的氨氮去除率非常低，而当转速不断升高，直至300 r/min，氨氮去除率和氨氮降解速率均不断提高，尤其在摇床转速达到90 r/min后，氨氮的降解效果趋于稳定，不再有大幅提高，转速为300 r/min时，氨氮降解速率和去除率均达到最高，分别为9.79 mg/（L·h）和51.53%，但是DO值太高不仅造成能源的浪费，故通过分析，选择转速为150 r/min，经测量DO值在1.5～2.0之间，满足硝化菌群对溶解氧的需求，实际污水处理系统中DO值也基本能控制在这个区间内。如在实际污水处理系统中，曝气量过大还会造成污泥松散，导致污泥膨胀发生。

3.4 温度对菌群氨氮降解效果的影响

如图4所示，在试验温度4～45 ℃区间内，温度对菌群氨氮降解效果呈抛物线状，并在30 ℃时，氨氮降解速率及氨氮去除率达到最大值分别为8.04 mg/（L·h）和40.58 %。温度对硝化细菌活性有较大影响，温度为4 ℃时，硝化作用几乎停止，低于10 ℃及高于45 ℃时硝化作用均比较微弱，在温度由10 ℃逐渐上升到30 ℃过程中，硝化菌群对氨氮的去除率有显著提高，但温度超过30 ℃后降解效果又有所下降，25～35 ℃区间内菌群对氨氮的降解效果较佳。可见菌群适宜的最佳温度在30 ℃附近，故在试验过程中选择30 ℃作为试验温度。在实际污水处理系统中，水温通常达不到30 ℃，但在20 ℃以上时，该菌群也有较好的氨氮去除效果，故在工程应用中应注意水温对投菌效果的影响。

3.5 pH值对菌群氨氮降解效果的影响

从图5可见，在pH值5.0～10.0区间内，高效硝化菌群对氨氮的去除呈现先升高后降低的现象。在酸性条件及碱性较大的条件下，硝化菌群活性受到影响，在pH值低于6.5及大于8.5时，氨氮去除速率和氨氮去除率都较低。在pH值5.0时，硝化作用非常微弱，氨氮降解速率仅为1.33 mg/（L·h），氨氮去除率为6.9%，在pH值升高到6.5后，氨氮去除率和降解速率均有显著升高，在pH 8.0时，氨氮去除率及降解速率达到最高，分别为8.05 mg/（L·h）和41.63%，在pH值8.5以后，硝化作用明显下降。一般污水处理系统中的pH值为7.2～7.5，该菌群在pH值为7.5左右时也具有良好的氨氮降解效果。而在弱碱性条件下，在7.5～8.5区间内，硝化菌群活性较佳，氨氮去除效果较好，降解速率和去除率都较高，尤其在pH值为8.0时，氨氮去除效果最好，氨氮降解速率达到8.04mg/（L·h），氨氮去除率达到41.6%。在pH值低于7.0及高于8.0的情况下，氨氮去除均呈下降的趋势，但是在碱性条件下的下降幅度明显小于在酸性条件下的下降幅度。这说明硝化菌群更适于在弱碱性的条件下生长。所以在以后的试验中选择的pH值都为8.0～8.5。而一般污水处理系统中的pH值为7.2～7.5，该菌群在pH值为7.5左右时也具有良好的氨氮降解效果[2]。

Grunditz等从污水处理厂活性污泥中分离了Nitrosomonas，并对其pH值进行了测定，结果表明Nitrosomonas的最适pH值为8.1[3]。Groenewegh认为，硝化反应的适宜pH值在7.5～9.0之间，硝化活性最高的pH值在8.0～8.5，pH<6.5或pH>9.8硝化速率将下降50%，当pH值低于5.5时，硝化反应完全停止[4]，我们的试验结果与此基本吻合。

4 结论

该研究以特定环境中富集的硝化菌群为研究对象，并研究了碳氮比、氨氮底物浓度、溶解氧、温度、pH值对菌群的氨氮降解效果的影响。试验结果表明：该高效菌群对环境条件有较宽泛的适用条件，适合的C/N为2～14，氨氮底物浓度区间为123.62～321.89 mg/L，合适的摇床转速为90～140 r/min，相当于DO值1.5～2.5 mg/L，适宜的温度范围为20-35 ℃，合适的pH值在7.0～8.5，以上条件均有利于硝化反应的进行，其不利的生长条件为过高的底物浓度为大于423.65 mg/L，过低的温度为小于10 ℃。

参考文献

[1] 赵勇娇.硝化细菌群落结构变化对系统脱氮性能的影响[J].环境工程，2014（S1）：302-304.

[2] 赵勇娇.强化淹没式生物膜活性污泥复合工艺中硝化菌群特性研究[D].哈尔滨工业大学，2008.

[3] C.Grunditz，G.Dalharnrnar. Development of nitrification inhibition assays using pure cultures of nitrosomonas and nitrobacter[J].Water Research， 2001（35）：433-440.

[4] J.B.Groeneweg，W.Tappe. Ammonia oxidation in Nitrosomonas at NH3 concentrations near Km：effects of pH and temperature[J].Water Research，1994，28（28）：2561-2566.