碳源、pH值和温度对脱氮菌株脱氮性能的影响

赵翠娟，宋文军，朱高雄，魏纪平，李博智

（1.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津300134；2.天津市兴源环境技术工程有限公司，天津300384；3.天津清鉴生物科技有限公司，天津300384）

近年来，污水中的氮含量逐年增加，氮成为水体污染的重要来源之一[1].如果氮的污染处理不当，不但会引起水体溶解氧下降，还会形成亚硝胺等致癌物质[2]，从而对水中的生物产生毒害作用.我国是世界上13个贫水国家之一，因此，降解污水中的氮对维持我国水体清洁具有重要意义[3]，而污水中微生物对氮的处理又起着至关重要的作用[4-5].

目前，生物脱氮由于无二次污染，有脱氮彻底、易操作、经济安全等优点[6]，被认为是具有较高可行性和最有前途的水体脱氮方法，相关研究也较多[7-8].生物脱氮包括硝化和反硝化2个主要步骤：硝化是将氨氮氧化成硝酸盐，在好氧条件下完成；反硝化是将硝酸盐还原成氮气从水中逸出，在无氧条件和有机物作为碳源时才能完成.关于硝化细菌和反硝化细菌筛选和脱氮性能的研究较多[9-12].

生物脱氮技术处理污水的过程中，为了让脱氮菌能更好地生长繁殖，从而达到最佳的脱氮效果和经济效益，需要为其提供良好的生长环境.课题组设置不同的碳源、pH值和温度，在其他2个因素保持不变的情况下，研究1个因素对脱氮菌脱氮性能的影响，以此确定脱氮菌生长的最佳条件.这对于污水处理工艺的优化具有指导意义.

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 菌种来源

所用菌种为课题组从天津市海河医院污水处理厂曝气池中取样筛选出的脱氮菌HN18.

1.1.2 培养基

异养硝化培养基：（NH4）2SO40.472 g，NaNO30.246 g，KH2PO40.725 g，Na2HPO41.136 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，CaCl2·2H2O 0.02 g，NaHCO385 mg，微量元素Ⅰ（FeSO45 mg，EDTA 5 mg），微量元素Ⅱ（EDTA 15 mg，ZnSO4·7H2O 4.3 mg，CoCl·6H2O 2.4 mg，MnCl26.29mg，CuSO4·5H2O 2.5mg，Na2MoO4·2H2O 2.2 mg，NiCl2·6H2O 1.9 mg，H3BO30.14 mg）.

反硝化培养基：KNO31 g，KH2PO40.725 g，Na2HPO41.136 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，CaCl2·2H2O 0.02 g，NaHCO385 mg，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ（同上）.

向硝化培养基和反硝化培养基中分别加入醋酸钠、柠檬酸钠、葡萄糖、甘油、糖蜜、甲醇、蔗糖.使每种碳源质量浓度均为1.0g/L，加蒸馏水定容到1 000 mL，调节pH至7.0～8.0，然后分装到三角瓶中备用.

在测试pH对HN18脱氮性能的影响时，向以糖蜜为碳源的硝化培养基和反硝化培养基中加蒸馏水定容到1000 mL，分别调节pH为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0，然后分装到三角瓶中进行实验.

在测试温度对HN18脱氮性能的影响时，以糖蜜作为硝化培养基和反硝化培养基的碳源，调节pH为7.0～8.0.将脱氮菌HN18分别接种到异养硝化和反硝化培养基中，分别置于15、20、25、30、35、40、45、50℃温度下进行培养.

1.1.3 实验仪器

FA2004型电子分析天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司生产；VS-1300型双人U型洁净工作台，苏州净化设备有限公司生产；752HA紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司生产；FE20pH计，梅特勒-托利多仪器有限公司生产.

1.2 实验方法

1.2.1 各指标的检测方法

将脱氮菌HN18接种到培养基中，在28℃、150 r/min下振荡培养，分别在24h和48h定量取样，用纳氏试剂分光光度法[13]测定NH4+-N的浓度，用酚二磺酸法[14]测定NO3--N的浓度，用盐酸萘乙二胺法[15]测定NO2--N的浓度.

1.2.2 氨氮去除率的计算方法

式（1）中：M为氨氮的去除率；c为反应之后氨氮的质量浓度（mg/L）；c0为初始的氨氮质量浓度（mg/L）.

1.2.3 硝酸盐氮去除率的计算方法

式（2）中：A为硝酸盐氮的去除率；x为反应之后硝酸盐氮的质量浓度（mg/L）；x0为初始硝酸盐氮的质量浓度（mg/L）.

2 结果与分析

2.1 不同碳源对HN18脱氮效果的影响

在不同的碳源培养基中，24h和48h内菌株HN18去除氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的效果如图1所示.

由图1（a）可知，葡萄糖作为碳源时，HN18去除氨氮的效果最好，24h的氨氮去除率超过80%，48h时达到96.17%；醋酸钠和糖蜜作为碳源时，HN18去除氨氮的效果次之；甘油和甲醇作为碳源时，HN18去除氨氮的效果最差，48h氨氮的去除率约为40%.由图1（b）可知，葡萄糖作为碳源时，HN18去除硝酸盐氮的效果最好，48h时硝酸盐氮去除率达到94.35%；糖蜜和醋酸钠作为碳源时，去除硝酸盐氮效果次之，48h硝酸盐氮去除率分别为88.13%和58.29%；甘油和甲醇作为碳源时，去除硝酸盐氮效果最差，48h硝酸盐氮去除率分别为42.18%和32.47%.由图1（c）可知，葡萄糖作为碳源时，HN18对亚硝酸盐氮的积累最少，48h时亚硝酸盐氮的质量浓度为2.07 mg/L；糖蜜和醋酸钠作为碳源时，HN18对亚硝酸盐氮的积累效果次之，48h亚硝酸盐氮的质量浓度分别为2.37mg/L和2.41mg/L；甲醇作为碳源时，HN18对亚硝酸盐氮的积累最多，48h亚硝酸盐氮的质量浓度为8.73 mg/L.

综合分析实验结果，在7种碳源中，葡萄糖作为碳源时HN18对氨氮和硝酸盐的去除效果最好，对亚硝酸盐氮的积累也最少，糖蜜和醋酸钠次之.但是受经济效益和原材料来源的影响，葡萄糖和醋酸钠的价格较高，若实际生产中利用葡萄糖和醋酸钠作为碳源，成本会升高，而糖蜜价格相对较低，且来源广泛，因此在试生产中投加糖蜜作为碳源.

2.2 不同pH对HN18脱氮效果的影响

不同的pH条件下，HN18对氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的去除效果如图2所示.

由图2（a）可知，pH值为7.5时，HN18去除氨氮的效果最好，48h时氨氮的去除率达到90.48%；pH值为7.0和8.0时，去除氨氮效果次之，48h氨氮去除率分别为82.26%和81.39%；pH值为9.0时，去除氨氮效果最差，48h氨氮去除率仅有19.15%.碱性环境可能会抑制脱氮菌HN18的生长.由图2（b）可知，pH值为7.5时，HN18去除硝酸盐氮的效果最好，48h时硝酸盐氮去除率达到92.75%；pH值为7.0和8.0时，去除硝酸盐氮的效果次之，48h硝酸盐氮去除率分别为82.74%和87.69%；pH值为9.0时，去除硝酸盐氮的效果最差，48h的硝酸盐氮去除率为15.77%.由图2（c）可知，pH值为7.5时，亚硝酸盐氮的残留最少，48h时亚硝酸盐氮的质量浓度为2.17 mg/L；pH值为7.0和8.0时，对亚硝酸盐氮的残留量次之，48h亚硝酸盐氮的质量浓度分别为2.93 mg/L和3.08 mg/L；当pH值为6.0时，HN18对亚硝酸盐氮的积累最多，48h亚硝酸盐氮的质量浓度为8.92 mg/L.

综合分析，pH值在7.0～8.0之间时，菌株HN18对氨氮和硝酸盐氮的去除效果较好，亚硝酸盐氮的积累也较少，因此，判断菌株HN18生长和脱氮效果最佳的pH为7.5左右.

2.3 不同温度对HN18脱氮效果的影响

不同温度下，脱氮菌HN18对氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的去除效果如图3所示.

由图3（a）可知，当温度为30℃时，HN18去除氨氮的效果最好，48h时氨氮去除率达到95.02%；当温度为25、35℃时，去除氨氮的效果次之，48h氨氮去除率分别为88.07%和87.96%；当温度为50、15℃时，去除氨氮的效果最差，48h氨氮去除率分别为11.02%和13.09%，原因是由于温度太低或太高都不适合微生物生长或者使微生物体内的代谢酶失活，导致微生物生长极其缓慢，影响菌株去除氨氮的能力.由图3（b）可知，HN18去除硝酸盐氮效果最佳的温度也是30℃，48h硝酸盐氮去除率可达到86.63%；当温度为25℃和35℃时，去除硝酸盐氮的效果次之；而温度为15℃和50℃时，去除硝酸盐氮的效果最差，48h的硝酸盐氮去除率分别为11.21%和12.63%.由图3（c）可知，当温度为15、20、25、30、50℃时，亚硝酸盐氮的残留量都很少；当温度为35、40、45℃时，亚硝酸盐氮的残留量较多.由于15、20、50℃均不适合微生物生长，因此，最终确定HN18脱氮的最适温度为30℃.

3 结论

该文研究测试了高效脱氮菌株HN18在不同碳源、pH和温度条件下，对氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的脱氮效果，确定HN18的最佳培养和作用条件.结论如下：

（1）7种碳源中，HN18在以葡萄糖为碳源的培养基中脱氮效果最好，但其价格高昂且在天津地区不易得；糖蜜脱氮效果也较好，而且价格低廉，有利于节约成本，因此确定糖蜜为最佳碳源.

（2）HN18脱氮性能较高的pH值范围为7.0～8.0，pH为7.5时脱氮效果最好.

（3）HN18在温度范围25～30℃内脱氮性能较好，以30℃时的脱氮效率最高.

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