短程反硝化的微生物富集策略及应用研究进展_李芸.pdf

第 43 卷第 3 期2023年 3 月Vol.43 No.3Mar.，2023 工业水处理Industrial Water TreatmentDOI：10.19965/ki.iwt.2022-007939短程反硝化的微生物富集策略及应用研究进展李芸 1，2，熊星星 2，崔楠 2，黄志远 2（1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西南昌 330013）摘要 污废水的高效节能脱氮技术一直以来都是研究和应用的焦点。短程反硝化-厌氧氨氧化耦合工艺因具有能耗低、产泥少、温室气体减排和脱氮效果好等优点，已成为废水脱氮领域研究和应用的热点。其中，短程反硝化被认为是厌氧氨氧化菌获取底物（NO2-N）的重要途径之一，对其进行研究具有重要的科学和工程意义。基于此，综述了短程反硝化的工艺原理，总结了硫自养短程反硝化和异养短程反硝化微生物的富集方法，并探讨了短程反硝化-厌氧氨氧化耦合工艺处理城市污水、高浓度氨氮废水和硝酸盐废水的工程应用。最后对短程反硝化及其耦合厌氧氨氧化工艺的研究和应用方向进行了展望，以期为短程反硝化-厌氧氨氧化耦合工艺处理实际污水提供参考。关键词 短程反硝化；生物脱氮；亚硝酸盐积累；短程反硝化微生物中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1005-829X（2023）03-0039-09Research progress of enrichment strategy and application of partial denitrification microorganismsLI Yun1，2，XIONG Xingxing2，CUI Nan2，HUANG Zhiyuan2（1.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China University of Technology，Nanchang 330013，China；2.School of Water Resources and Environmental Engineering，East China University of Technology，Nanchang 330013，China）Abstract：Energy-efficient nitrogen removal technology for wastewater has always been the focus of research and application.The partial denitrification-anaerobic ammonia oxidation（PD-Anammox）coupling process has become hotspots of research and application in the field of wastewater nitrogen removal because of its advantages of low energy consumption，low sludge production，greenhouse gas emission reduction and good denitrification effect.Among them，partial denitrification is considered as one of the important ways for anaerobic ammonia oxidation bacteria to obtain substrate（NO2-N），and it is of great scientific and engineering significance to investigate it.Based on this，the process principle of partial denitrification was reviewed，the enrichment methods of sulfur-driven partial autotrophic denitrification and heterotrophic partial denitrification microorganisms were summarized.Furthermore，the engineering applications of PD-Anammox coupling process for treating municipal wastewater，high concentration ammonia wastewater and nitrate wastewater were discussed.Finally，the research and application direction of partial denitrification and its coupled anaerobic ammonia oxidation process were prospected，providing references for the subsequent application of PD-Anammox coupling process in actual sewage treatment.Key words：partial denitrification；biological nitrogen removal；nitrite accumulation；partial denitrification microorganisms在经济快速发展的同时，也伴随着一系列水体环境污染问题的出现。水中氮的积累会严重危害饮用水源地的安全，进而威胁到人类自身。寻求污废水的高效节能脱氮技术一直以来都是研究和应用的焦点。近些年发展出的厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation，Anammox）工艺依靠较少氧气需求基金项目 江西省重点研发计划项目（20202BBGL73086，20201BBG71012）开放科学（资源服务）标识码（OSID）：专论与综述工业水处理 2023-03，43（3）40量、无需外加碳源和产泥少等优点，在众多生物脱氮工艺中脱颖而出，并常与短程硝化（Partial nitrification，PN）结合成 PN-Anammox 工艺用于含氮废水处理1。然而 PN-Anammox 工艺也存在一定的局限性，如亚硝酸盐氧化菌（NOB）增殖，异养菌与自养菌相互竞争，无法处理硝酸盐废水等，尤其是其存在脱氮不完全的问题（即有部分硝氮产生）2。目前，为解决该问题，通常采取 2种措施，一是在 Anammox工艺后增加反硝化单元用以去除产生的硝氮，二是将短程反硝化（Partial denitrification，PD）与 Anammox 结合成 PD-Anammox 工艺，即将 Anammox 产生的硝氮进行短程反硝化至亚硝氮，再与氨氮一同进行厌氧氨氧化予以去除。对比来讲，第二种方法可以进一步节省碳源投加量，降低成本，在处理含硝酸盐废水方面具有极大的经济优势。近些年已有一些关于 PD 及其与 Anammox 耦合用于多种污废水脱氮方面的研究3-5，PD 作为 PD-Anammox 工艺的一部分，其功能微生物的特性与富集方法对耦合工艺的启动及运行起着关键作用，部分研究对此进行了报道6-7。笔者对近年来 PD 微生物及其工艺应用的研究进行了梳理，通过分析功能微生物的环境条件、生理代谢和微生物学特性等来探讨其富集策略，同时综述了 PD在不同污废水脱氮处理中的应用进展并对其进行了展望，以期为 PD与Anammox耦合处理实际污水的应用推广提供参考。1 短程反硝化概述反硝化是自然界氮循环中的重要环节，常规的反硝化是在反硝化微生物的作用下，NO3-N 被逐步还原到 N2的过程8，此过程需要在多种功能酶的协同参与下完成9。具备所有功能酶的完全反硝化菌在这一过程中会短暂积累某些中间产物，如 NO2-N和 N2O10-11。这是因为不同酶的合成与活性受到多种因素的影响，进而影响了反硝化过程中各种含氮化合物的还原速率，产生中间产物的积累。PD即是将 NO3-N 仅还原到 NO2-N，实现 NO2-N 的积累。研究表明，环境中存在缺乏一种或多种功能酶的不完全反硝化菌12-14，通过这些不完全反硝化菌群可实现 PD15。由此可见，PD 可以通过以下 2 种方式实现：（1）调控酶的活性，即抑制常规反硝化过程中的 Nir、Nor、Nos 酶活性，提高 Nar 酶活性，将反应控制在 NO2-N 积累阶段；（2）驯化和富集以 NO2-N 为最终产物的 PD菌群来实现 NO2-N积累。反硝化菌广泛分布在自然界中，根据电子供体类型可将其分为异养反硝化菌和自养反硝化菌（包括硫自养反硝化菌、氢自养反硝化菌、铁自养反硝化菌等）2 大类，目前关于 PD 的研究主要集中在硫短程自养反硝化和异养短程反硝化 2个方面。2 短程反硝化微生物的富集2.1硫短程自养反硝化硫自养反硝化（Sulfur autotrophic denitrification，SAD）是指以还原态硫作为电子供体的自养反硝化过程。研究表明，以总溶解硫化物（Total dissolved sulfide，TDS）或单质硫为电子供体的自养反硝化在特定条件下会积累大量的如 NO2-N 和 N2O 等中间产物16。例如，以硫化物为基质的硫自养反硝化的反应过程见式（1）式（4）17，在合适的条件下，该反应过程可被限制在第一步，由此积累大量的 NO2-N。这类以 NO2-N 为最终产物的 SAD 工艺就是硫短程自养反硝化工艺（Sulfur-driven partial autotrophic denitrification，SPAD）。S2-+NO3-+2H+S0+NO2-+H2O（1）5S0+3NO3-+5NO2-+2OH-5SO42-+4N2+H2O（2）2.5S0+5NO2-2.5SO42-+2.5N2（3）3S2-+2NO2-+8H+3S0+N2+4H2O（4）2.1.1典型反硝化脱硫微生物反硝化脱硫细菌（NR-SOB）是一类以还原态硫为电子供体，将 NO3-N 还原为 N2的自养型微生物，它通过氧化还原的方式来获取自身生长所需能量。目前，已报道的 NR-SOB 大致分为严格化能自养型菌、兼性自养型菌和巨大丝状菌 3类18。此外，Pseudomonas、Bacillus、Ochrobactrum、Rhodococcus 菌属也被证明具有同步反硝化脱硫能力19。获得具有高效脱氮除硫功能的微生物对硫自养反硝化的应用与发展具有重要意义。表 1列举了部分已鉴定和分离出来的反硝化脱硫微生物。在表 1 所提及的反硝化脱硫微生物中，Pseudomonas fluorescens在初始 NOx-N 较低条件下，能迅速将 NO3-N 还原为 NO2-N，而其将 NO2-N 继续还原为 N2的能力较弱30，因此，对 Pseudomonas fluorescens进行富集有利于 SPAD 的实现。另外，Thiobacillus 41工业水处理 2023-03，43（3）李芸，等：短程反硝化的微生物富集策略及应用研究进展denitrificans 和 Sulfurimonas denitrificans 被 认 为 是SPAD 系统中常见的功能菌。尽管全基因组分析已经证实了这 2 个菌种均具有完全反硝化途径，但它们的硝酸盐还原酶属于不同类型，分别为 Thiobacillus denitrificans 中 Nar 基因编码的膜结合硝酸盐还原酶31和 Sulfurimonas denitrificans 中 Nap 基因编码的周质硝酸盐还原酶21。此外，Thiobacillus denitrific