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厌氧氨氧化菌特性及其在生物脱氮中的应用

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厌氧氨氧化菌特性及其在生物脱氮中的应用*祖 波1 张代钧1,2** 白玉华1(重庆大学环境科学系 重庆 400030)1(重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点试验室 重庆 400030)2*国家自然科学基金资助(No 50378094)教育部优秀青年教师基金项目(No 教人司[2003]355号)**通讯作者 Tel/Fax :86 023 ********,E ma i :l dzhang @cqu edu cn收稿日期:2005 05 09,修回日期:2005 07 11摘要:在无分子氧环境中,同时存在NH +4和NO -2时,NH +4作为反硝化的无机电子供体,NO -2作为电子受体,生成氮气,这一过程称为厌氧氨氧化。

目前已经发现了3种厌氧氨氧化菌(B rocadia ana mm ox i dans ,Kuenenia st utt gartiensis ,Scali ndua sorok i n ii);对厌氧氨氧化菌的细胞色素、营养物质、抑制物、结构特征和生化反应机理的研究表明,厌氧氨氧化菌具有多种代谢能力。

基于部分硝化至亚硝酸盐,然后与氨一起厌氧氨氧化,以及厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌的协同耦合作用,提出了几种生物脱氮的新工艺(ANAMM OX 、S HARON ANAMM OX 、CANON 和甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺)。

关键词:厌氧氨氧化菌,ANAMM OX,CANON,S HARON ANAMM OX中图分类号:X 703 文献标识码:A 文章编号:0253 2654(2006)01 0149 05The Character and App lication of Ana mm ox Bateria in W aste water B iot reat m ent*ZU Bo 1 Z HANG Dai Jun 1,2** B A IYu H ua 1(D e part m ent of E nviron m en t a lS cience ,Chon gqin g Universit y,C hon g qi ng 400030)1(K ey Labora t ory for t h eExploit a tion of S ou t h w estern R esource&the Envi ron m e n t a lD isaster C ontrolEng i n ee rin g,M i n ist ry of E ducation ,Ch on g qi ng 400030)2A bstract :An aerob i c amm on i u m oxi dati on i s a ne w p rocess i n w h i ch a mm on i u m is ox i d i zed w ith n itrite as t h e el ectron accep t or under anox i c cond iti ons ,prod u ci ng d i n itrogen gas Th ree ana mm ox b acteria (Brocadia ana mm oxi d ans ,K uene n i a stutt gartie n sis ,Scali n d ua soroki n ii)have been f ound recentl y Th e i nvestigati on on cytoch ro m e s p ectra ,nu tri ti on ,i nh i b i tors ,cell struct u res and b i oche m i stry reacti on m echan i s m s i n ana mm ox bacteria i nd icat ed t hat ana mmox bacteri a had t he poten ti al of d i verse m etaboli c t ypes Several novelm i crob ial n itrogenre m ovalp rocessesh ave been devel op ed (ANA MMOX proces s 、S HARON ANAMMOX process 、CANON p rocessand i n tegrati on ofm ethanogenesisw it h anaerob i c a mmon i u m ox i dation)K ey words :Ana mmox bacteri a ,ANAMMOX ,CANON ,S HARON ANA MMOX1977年B roda 指出,化能自养细菌能以NO -3、CO 2和NO -2作为氧化剂把NH +4氧化为N 2。

推测自然界可能存在以NO -2为电子受体的厌氧氨氧化反应[1]。

后来有研究发现氨氧化菌N itroso m onas euro paea 和N itroso m onas eutropha 能同时硝化与反硝化,利用NH 2OH 还原NO -2或NO 2,或者在缺氧条件下利用NH +4作为电子供体,把NH +4转化为N 2。

在利用NO 2为电子受体时,其厌氧氨氧化的最大速率(以单位蛋白质计)约为2nm ol/(m i n m g)。

然而在反硝化的小试实验中发现了一种特殊自养菌的优势微生物群体,它以NO -2为电子受体,最大比氨氧化速率(以单位蛋白质计)为55nmo l/(m i n m g)。

此反应比N itroso m onas快25倍,把这种细菌称为厌氧氨氧化菌[2]。

在无分子氧环境中,同时存在NH+4和NO 2时,NH+4作为反硝化的无机电子供体, NO-2作为电子受体,生成氮气,这一过程称为厌氧氨氧化。

近年来,在厌氧氨氧化菌生理生化特性的理论研究领域和废水生物脱氮的应用研究领域都有了许多新的发现,这对于全面认识厌氧氨氧化菌的性质、开发新的废水脱氮技术都具有重要意义。

1 厌氧氨氧化细菌的微生物学特性1 1 厌氧氨氧化菌的菌种1 1 1 Cand iadatus B rocad ia anamm ox i d ans!:Strous等研究了SB R反应器中厌氧氨氧化污泥(优势菌为B anamm ox i d ans)的生理学参数。

富集培养得到的细菌70%以上是一种优势自养菌。

经过p H7 4、20mm o l/L的K2H PO4/KH2PO4缓冲剂和2 5%的戊二醛混合液处理后,在电子显微镜下表现出不规则的微生物特性。

采用改进的Percoll密度梯度离心分离法分离得到了非常纯的细胞悬浮物,在每200~800个细菌中含有不到1个杂细菌。

这些纯化的厌氧氨氧化菌活性很高,从中提取的DNA通过PCR扩增确认。

16S r R NA的分析表明B ana mm ox i d ans是厌氧氨氧化工艺的功能微生物,确认了厌氧氨氧化菌是P lancto m ycet a les序列中自养菌的一个新成员,被命名为Cand i a datus B anamm ox i d ans![3]。

此菌种适宜的p H值和温度范围分别为6 7~8 3,20∀~43∀。

最佳条件:p H8 0,温度40∀[2]。

对NH+4和NO-2的亲和力常数低于0 1mg N/L,生物量细胞产率(以单位氨计)为(0 066#0 001)mo l/m o,l最大比氨消耗速率(以单位蛋白质计)为(45#5)n m o l/(m in m g),倍增时间为11d[2]。

1 12 Cand i a datus Kueneni a stutt g artiensis!:Candidatus K stutt g artiensis!菌是从德国和瑞士几个污水处理厂的生物膜反应器中发现的。

E gli等的研究结果表明, K stutt g artiensis与B anamm oxidans的作用方式类似,电镜显示其细菌结构也类似。

但它对磷酸盐有更高耐受性(20mm ol/L),对亚硝酸盐耐受性则为13mm o l/L,在细胞密度更低的情况下有活性。

最大的厌氧氨氧化活性(以单位蛋白质计)为26 5nm ol/ (m g m in),比B anamm ox i d ans低。

pH范围是6 5~9 0,最佳为8 0。

最佳温度为37∀,在45∀时观察不到厌氧氨氧化活性,并且发现温度降至37∀时厌氧氨氧化活性不会恢复。

在11∀时的活性约为37∀的24%,可见它适宜生存于中温偏碱性环境[4]。

1 1 3 Cand i d atus S calindua sorokinii!:最近在黑海发现的Cand i d atus Scalindua soro kinii!。

它又分为两种厌氧氨氧化菌种Cand i d at u s Scalindua brodae!和Cand i d atus S calindua wagneri![5],其生理特性研究较少。

1 2 厌氧氨氧化菌的细胞结构及色素 厌氧氨氧化菌是革兰氏阴性光损性球状化能自养菌,直径不到1 m[3]。

具有蛋白质的S层,细胞壁上存在漏斗状结构,无肽聚糖,厌氧氨氧化菌有一个单一双分子层(膜)即厌氧氨氧化体(ana mm oxoso m e)。

厌氧氨氧化菌的细胞质因此被ana mm oxoso m e分为3个部分:(A)外部区域(细胞壁(ce ll w a ll),细胞质膜(cytoplas m ic m e m brane),PP质(paryphop las m),细胞内质膜(i n tra cy toplas m ic m e m brande))。

(B)核糖质(ribop las m)。

(C)厌氧氨氧化体膜(ana mm ox oso m e m e m brane),厌氧氨氧化体(ana mm oxoso m e),类核(nucleo i d)[6],见图1。

在富集培养期间,厌氧氨氧化菌污泥颜色从棕色变为深红。

对厌氧氨氧化菌细胞和细胞提取物的可见光谱分析发现c型细胞色素的吸收信号明显增加。

77K的细胞光谱分析表明图1 浮霉状菌纲细菌的电镜观察没有a 型、b 型和d 1型的细胞色素。

在厌氧氨氧化活性增加期间,468nm处的吸收信号逐渐增加并达到最高值,用CO 处理后就消失[2]。

1 3 厌氧氨氧化菌的营养 厌氧氨氧化菌培养基含NH +4(5~30mm o l/L)、NO -2(5~35mm ol/L )、重碳酸盐(10mm o l/L)、矿物质及微量元素[2]。

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厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用

厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用

厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用水质控制的重要指标就是氮含量。

在工业社会发展的前提下, 水体富氧化问题日益加重。

因此, 当前水处理技术的研究重点就是对氮污染的控制与治理。

传统废水处理一般是硝化-反硝化的脱氮工艺, 需要外加碳源和碱, 不但运行费用较高, 还可能会造成二次污染, 影响脱氮效率。

随着科技的不断进步, 研究者逐渐开始关注新型的生物脱氮技术, 厌氧氨氧化(ANAMMOX) 技术以其独特的高效低耗的特点应运而生, 并逐渐得以开发应用。

本文根据笔者工作实践，对厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用开展了分析和探讨。

1 厌氧氨氧化反应机理根据国内外相关学者的研究, 厌氧氨氧化指的是在厌氧的条件下, 以氨氮(NH4N) 为电子供体, 亚硝酸氮(NO2N) 为电子受体, 以CO2或HCO3为碳源, 通过厌氧氨氧化菌的作用, 将氨氮氧化为氮气(N2) 的过程。

其中, 在厌氧氨氧化的过程中, 也产生了中间产物联氨(N2H4) 以及羟氨(NH2OH) 。

在厌氧氨氧化的反应中只对CO2以及HCO3产生了消耗, 并没有开展外加碳源, 因此不但能够有效实现成本的节约, 也防止了反应中产生的二次污染;反应过程中几乎不产生N2O, 能够有效防止传统脱氮造成的温室气体排放;反应过程产碱量为零, 无需添加中和试剂, 并较为环保。

2.影响厌氧氨氧化的主要因子Anammox菌生长相对缓慢，倍增时间为11～29d，且对周围环境要求很高，周围环境的波动对Anammox效果有严重的影响。

因此，如何选择和控制Anammox菌影响因素，对于快速和稳定培育Anammox菌，具有非常重要的意义。

2.1温度对厌氧氨氧化的影响温度能显著影响Anammox活性，在合适的温度范围内Anammox菌才会表现出较好的反应活性，提高反应器的运行效能。

温度在26～37°C之间变化时，氮去除速率在1.51～1.84kg/（m3•d），当温度低于20°C时，反应器氮去除会快速下降，特别是当温度低于15°C时，反应器氮去除速率下降至0.55kg/（m3•d），从而抑制Anammox反应。

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用引言：近年来，随着人口的增加和城市化的加剧，城市污水处理工程变得愈发重要。

污水中的氮污染物是造成水体富营养化的主要原因之一，因此，对氮污染的有效处理成为了研究的热点。

厌氧氨氧化菌（anammox）作为一种新型的脱氮微生物，具有高效、环保的特点，在污水处理领域中得到了广泛关注。

本文将重点探讨厌氧氨氧化菌的脱氮机理及其在污水处理中的应用。

一、厌氧氨氧化菌的脱氮机理厌氧氨氧化菌是一种特殊的微生物，它可以利用氨和硝态氮直接在厌氧条件下进行自养脱氮作用，产生氮气。

其脱氮反应的主要方程式如下：NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O通过上述反应，厌氧氨氧化菌将氨和硝态氮转化为氮气，实现了高效的脱氮作用。

从反应的方程式来看，厌氧氨氧化菌在脱氮过程中产生了没有产物的优势，避免了传统的硝化/反硝化过程中产生的氮气转化为氧化亚氮的过程，有效节约了能源消耗。

厌氧氨氧化菌的脱氮机理可以分为两个阶段：氨氧化和反硝化。

首先，在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌通过其特殊的内源胞器——亚细胞颗粒（anammoxosome）中的反应器，通过厌氧氨氧化过程将氨氧化为氮气和水。

其次，在厌氧氨氧化菌的亚细胞颗粒中，反硝化作用进一步转化硝态氮为氮气。

通过这两个阶段的反应，厌氧氨氧化菌可以高效地将氨和硝态氮转化为氮气，实现污水中氮的有效去除。

二、厌氧氨氧化菌在污水处理中的应用1. 优势与特点相比传统的硝化/反硝化工艺，厌氧氨氧化菌具有以下优势与特点：（1）高效：厌氧氨氧化菌的脱氮效率高于传统工艺，可以达到90%以上；（2）能源消耗低：由于厌氧氨氧化菌的脱氮反应不需要输入外源电子供体，因此能源消耗低于传统工艺；（3）占地面积小：采用厌氧氨氧化菌进行脱氮处理可以节约大量的处理设备和占地面积，尤其适合处理面积有限的城市污水处理厂；（4）适应性强：厌氧氨氧化菌对进水水质的适应性强，对COD、BOD等水质指标的影响较小。

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用厌氧氨氧化菌是一种能够在缺氧环境下利用氨氮为电子供体进行氨氮脱氮的微生物。

近年来，厌氧氨氧化菌在污水处理领域引起了广泛关注。

本文将介绍厌氧氨氧化菌的脱氮机理以及其在污水处理中的应用。

厌氧氨氧化菌是属于反硝化菌门，主要有矮小单杆菌（Anammox bacteria）和微粒状反硝化菌（Paired ammonium and nitrite oxidizer，abbreviated as Pano）等。

这些菌通过厌氧氨氧化过程，将氨氮直接氧化为氮气，同时释放出足够的能量以维持菌落的生长和代谢。

脱氮的过程中，厌氧氨氧化菌首先利用外源氨氧化酶将氨氮氧化为亚硝酸盐，然后通过反硝化途径将亚硝酸盐还原为氮气。

厌氧氨氧化菌在污水处理中的应用可以分为两个方面：一是在常规生物处理系统中应用；二是构建厌氧氨氧化反应器独立进行氨氮脱氮。

首先，厌氧氨氧化菌被应用于常规生物处理系统中，主要是为了提高系统的氮素去除效率。

在传统的生物脱氮系统中，通常需要同时存在硝化和反硝化菌来完成氮素去除过程，而厌氧氨氧化菌的出现，使得反硝化和硝化过程合二为一，从而减少了能量和资源的浪费。

与传统系统相比，厌氧氨氧化菌的应用能够大幅度降低碳源需求，减少氧气用量，降低运行成本。

除此之外，厌氧氨氧化菌对于污水中高浓度氨氮的处理效果更好，能够适应高氨氮负荷的条件。

其次，构建厌氧氨氧化反应器独立进行氨氮脱氮也是厌氧氨氧化菌应用的重要方向。

这种方式主要适用于那些氮污染较严重、氨氮浓度较高的废水处理厂。

通过构建厌氧氨氧化反应器，可以将废水中的氨氮高效转化为氮气，实现氮素的彻底去除。

此外，厌氧氨氧化反应器的运行条件相较于传统的硝化反硝化系统来说更容易控制，能够更好地适应不同废水的特性。

总的来说，厌氧氨氧化菌脱氮机理的研究以及其在污水处理中的应用对于提高氮素去除效率和减少处理成本具有重要意义。

随着对厌氧氨氧化菌认识的不断深入，相信其在污水处理领域的应用将会越来越广泛，为环境保护事业做出更大的贡献。

厌氧氨氧化生物除氮技术在水处理工艺中的研究进展

厌氧氨氧化生物除氮技术在水处理工艺中的研究进展

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VanDongen等通过小试装置，对Anammox菌处理污泥消化液中高浓度氨氮的可行性展开了分析和探讨。结果表明，该工艺具有良好的脱氮效果，约80%的NH4+-N被成功转化成了N2。随后，Fux等又在两个不同的污水处理厂内对该工艺进行中试研究，结果显示：在1600L的序批式反应器中，进水氨氮620～650mg/L、pH7.3～7.5、温度26～28℃的条件下，氮容积负荷率（nitrogenloadingrate，NLR）最高可达0.65kgN/（m3 d），总氮去除率达92%。与此同时，该工艺实现了较低的污泥产量。由于结果非常理想，该试验完成后，Dokhaven污水处理厂直接对反应器进行了放大，建成了世界上首座生产性规模的基于PN/A的装置。该装置的有效体积为70m3，处理规模为750kgN/d，取得了不错的效果。
现阶段的研究表明，当有机碳含量较低时，Anammox菌自身仍能
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0.26NO -+0.066CH O+0.5N0 → 2.03H O（2）
够维持足够的活性。对此，一些学者尝试将几种工艺结合在一起，提
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以上反应是通过anammox菌催化实现的，这是一种化能自养型细菌，以CO2或HCO -为碳源，并从反应过程中获得能量。Anammox菌的中心代谢途径是由Strous等通过采用双向测序技术建立Kueneni基因组序列进行分析后提出的。Anammox菌的主要代谢途径为：首先，Cytcd1型亚硝酸还原酶（Nir）将NO2-还原成NO；随后，在联
和NO -），并且有可能导致出水硝酸盐的大量累积。因此，高效地
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1995年，荷兰科学家Mulder等在食品废水的处理以及Siegrist等对垃圾渗滤液的处理中均证实了这一反应的发生。20世纪90年代，Strous等在大量实验研究的基础上，提出了Anammox脱氮的化学反应方程式式（2）。