盐分对生物脱氮过程影响的研究进展

朱晓华，李泽琴，陈茂霞,邱雨婷，谭周亮

（（1.成都理工大学，四川成都610059; 2.中国科学院成都生物研究所,四川成都610041）

盐分对生物脱氮过程影响的研究进展

朱晓华1，李泽琴1，陈茂霞2,邱雨婷1，谭周亮2

（（1.成都理工大学，四川成都610059; 2.中国科学院成都生物研究所,四川成都610041）

含盐废水处理中生物脱氮是难题，重点阐述了盐分对不同脱氮方式微生物的影响，总结了含盐废水生物脱氮强化措施，指出应从细胞分子水平研究盐分对脱氮微生物的胁迫机制，加快耐盐脱氮菌种特别是嗜盐菌的筛选，以及针对不同微生物结合反应器做出参数优化策略。

盐胁迫;生物脱氮;异养硝化-好氧反硝化;厌氧氨氧化;短程硝化反硝化

氮素是我国目前造成水体污染的主要原因之一，大量的氮素进入水体会导致水体富营养化，甚至危害生物的生存与健康。脱氮技术，特别是废水生物脱氮技术因其具有经济、高效、无害的特点，引起广泛关注。脱氮微生物是废水生物脱氮技术的核心，但脱氮效率容易受环境条件（如温度、盐度）、进水水质（pH值、有毒物质等）等胁迫因素影响。盐类物质引起的废水高渗透压会降低微生物活性，抑制微生物的代谢作用，使酶代谢活性减弱，以至降低反应动力学系数，最终使废水中氮素去除效率下降；严重时将导致细胞脱水，最后发生质壁分离，甚至死亡[1]。

目前，部分研究者已经驯化和筛选出耐盐脱氮微生物，但其研究主要集中在对处理效率的影响层面，对于脱氮微生物环境胁迫响应的系统研究较少。从盐分对不同微生物脱氮过程的影响以及含盐废水生物脱氮强化措施等方面展开综述，以期为盐胁迫下废水生物脱氮的机理研究以及应对策略和技术研发提供参考。

1 盐分对不同微生物脱氮过程的影响

1.1盐分对传统脱氮过程的影响

传统微生物脱氮途径主要依靠硝化和反硝化两个阶段完成。传统生物处理对废水中离子强度变化很敏感，盐含量的增加可能导致微生物的正常代谢功能遭到破坏，其代谢途径减少。

硝化过程是生物脱氮的关键环节，盐度是影响其微生物活性的环境因子之一。Campos等[2]发现当NaCl浓度高于3%时，活性污泥系统的硝化作用失效，而Chen等[3]则得出活性污泥硝化的耐盐极限是6.5 g/L。

不同脱氮过程的细菌对盐度的敏感性不同。周鹏等[4]发现，氯化钠浓度为20 g/L时，异养菌受到79%的抑制作用，而反硝化菌仅受到25%的抑制作用，表明反硝化菌在受盐度冲击时，所受到的抑制作用较小；而AOB比NOB有更强的盐度耐受力。

1.2盐分对异养硝化-好氧反硝化过程的影响

微生物降解有机底物的同时将氨氮转化为硝酸盐、亚硝酸盐和羟胺的过程被称为异养硝化，好氧反硝化则指微生物可以同时利用氧和硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体进行的呼吸作用[5]。多数研究显示异养硝化菌同时也是好氧反硝化菌，其耐盐脱氮性能如表1所示[6-11]。

由于异养硝化-好氧反硝化菌与传统脱氮细菌相比，具有世代周期短、耐受低DO和高有机负荷、对环境的适应能力强等优点，在含盐污水脱氮处理方面有较大的应用潜力[10]。

1.3盐分对厌氧氨氧化过程的影响

厌氧氨氧化是指以NH4+为电子供体，NO2-为电子受体，生成N2的生物反应。Kuypers等[12]从死海样品中

分离出厌氧氨氧化菌株Candidatus Scalinduasorokini，表明部分厌氧氨氧化菌具有耐盐性。高盐度显著抑制厌氧氨氧化活性，这种抑制具有可逆性，但由于高盐环境对细菌生长有负面影响，反应器长期运行于高盐度条件下，容易出现功能衰退[13]。

表1 部分具有耐盐性能的异养硝化好氧反硝化菌

1.4盐分对短程硝化反硝化过程的影响

短程硝化反硝化是指反硝化作用以NO3-为电子受体，其标志是有稳定且高效的亚硝酸盐的积累。

Aslan等[14]研究生物滤池发现，1 g/L NaCl浓度可以促进较高的活性，NH4-N去除效率从92%增加到95%。继续增加NaCl浓度会引起NH4-N氧化，抑制效果急剧增加。支霞辉]等[15]的研究显示，适当增加盐度将有助于增强AOB的活性，增加硝化阶段亚硝酸盐的积累，缩短反应时间。此外，SBR，SBBR及气提式反应器等也被证明可以通过利用盐度抑制实现短程硝化。

如上所述，剂量的盐度有助于实现短程硝化反硝化现象，提高菌群活性，但不同菌株的盐适应性差异决定了其实现的盐度范围。

2 含盐废水生物脱氮强化措施

2.1高盐废水脱氮工艺优化与改造

2.1.1反应器与工艺选择

选择不同的反应器和工艺，可以有效减轻盐分对脱氮效果的影响，如Zhang等[16]利用一种新型淹没式微生物脱盐-反硝化作用电池，阴极的NO3-通过自养反硝化作用被削减至N2，经过12 h从地下水中去除了90.5%的硝酸盐，并且能够减少地下水的含盐量。Ikeda等[17]在高盐度条件下利用下行式海绵悬挂反应器处理苯酚和氨合成废水，通过流出物的再循环来增强反硝化作用，反应器的反硝化作用比率从无回流的19.1± 14.1%增加到了58.6±6.2%（回流比1.5）。

2.1.2添加渗透压保护物质

甜菜碱、谷氨酸盐等很多物质被证明在很多细菌中都起着渗透压保护的作用，有利于维持和提高微生物活性。周建等[18]发现甜菜碱对硝化效能有较大影响，其投加量（1.5 mmol/L内）越大亚硝化及硝化速率越快，NO2-N及NO3-N浓度越高；投加1.5 mmol/L甜菜碱可使驯化时间缩短近10 d。Alba-Loi等[19]发现，耐盐酵在1 mol NaCl中生长时，母体内的谷氨酸脱氢酶是对照的5倍，表明谷氨酸在高盐环境下具有保护酶活性不受高离子强度影响的作用。此外，四氢嘧啶、胆碱等也被证明是渗透调节物质。

2.1.3改变废水离子环境

废水生物系统遭遇高浓度钠盐冲击时，可通过改变废水离子环境或投加具有拮抗作用的物质，缓解盐胁迫对微生物的抑制。如单独或组合投加对Na+具有拮抗作用的K+，Ca2+，Mg2+以及Fe2+等，能大大减轻Na+对生物处理的抑制作用[20]。又如，按比例投加少量三甲胺乙内酯，可减轻如间歇反应器、CSTR、流化床和UASB等反应器中Na+及Na+浓度骤升对厌氧微生物的抑制作用[21]。

2.2生物强化技术

生物强化技术是为提高系统去除污染物的能力，向废水处理系统或者污染地投加特定功能微生物的一种工艺。由于淡水微生物的耐盐能力有限，利用嗜盐微生物处理高含盐废水成为最好的选择。Shi等[22]通过将海洋嗜盐细菌引入到间歇曝气生物滤池中处理含盐废水，COD、总氮和总磷去除率分别提高约8.6%，15.7%，17.3%。

此外，驯化也是提高微生物耐盐脱氮能力的重要手段之一。金仁村等[13]发现，NaCl浓度30 g/L时，驯化后污泥的厌氧氨氧化活性比未经驯化污泥高22.4%。驯化污泥由高盐环境转移至无盐环境时，其厌氧氨氧化活性提高43.1%。

3 结语与展望

高盐胁迫下利用生物系统进行脱氮处理技术上是可行的，但不同微生物盐适应性的差异使得研究结论存在分歧。大量研究表明，嗜盐菌在含盐废水脱氮中的应用有一定前景，其中异养硝化好氧反硝化菌的

耐盐性能突出。在未来的研究与应用中，应加深研究盐分对脱氮微生物细胞分子水平的胁迫机制，加快耐盐脱氮菌种特别是嗜盐菌的筛选，同时针对不同微生物结合反应器做出参数优化策略。

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Review on the researches about the effects of salt on biological nitrogen removal process

ZHU Xiaohua1,LI Zeqin1,CHEN Maoxia2,QIU Yuting1,TAN Zhouliang2
（1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China；2.Chinese Academy of Sciences Chengdu Institute of Biological Research,Chengdu 610041,China）

Biological nitrogen removal is a difficult problem in the treatment of waste water containing salt.This paper focused on the effects of different nitrogen salt fermentation,and summarized the enhanced nitrogen removal measures with biological salt waste water.It pointed that some studies should be made from cell and molecular on salt stress mechanism ofdenitrogenation microorganism,and the screening of salt tolerant nitrogen species should be speed up,especially the halophilic bacteria.Finally some doptimization strategies were put forward according to the different microorganisms with reactor parameters.

salt stress;biological denitrification;heterotrophic nitrification and aerobic denitrification;anaerobic ammonia oxidation;shortcut nitrification denitrification

X703

A

1674-0912（2015）03-0035-03

2015－02－25）

中国科学院“西部之光”人才培养计划重点项目；国家自然科学基金项目（51208489）；四川省科技厅项目（2012SZ0161）

朱晓华（1989-），男，四川什邡人，硕士研究生，研究方向：环境污染与控制技术

李泽琴（1959-），女，博导，教授。