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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页生物脱氮过程中氮的转化途径的初探摘要 近些年来，出现了一些新的脱氮的工艺，对生物脱氮的原理的研究也进一步深入，这使脱氮的理论不断地得到发展和完善。本文结合实验室小型SBR试验的结果，围绕脱氮过程中N2O的产生中对脱氮途径进行了介绍，其目的在于使人们对这些不同的途径有更深的认识。其中很有必要的一项工作便是对这些脱氮途径作出了明确的定义，并将它们进行了区分。最后对一些尚未能解释的问题以及一些假设作了讨论。1 简介对氮元素转化途径的研究起源于农业中对氮肥在土壤中的转化的探讨。土壤系统中氮元素总的输入和输出的不平衡使科学家
2、们困惑了50多年（e.g.Allison,1995），同样的情况也出现在许多水处理的脱氮工艺中，这使得人们对氮元素其它转化途径的研究产生了兴趣。最初人们对生物脱氮的认识是NH3或NH4在微生物的作用下转化为NO2-以及NO3-，后两者再转化为N2而达到氮的去除，现在看来这种认识是比较粗略的。对脱氮其它途径的研究实际上可以归结为对脱氮过程中间产物以及他们产生的环境条件和微生物机理的研究。这些中间产物包括NO 、N2O以及N2。N2O是一种对环境影响极大的温室气体，它的主要去向是在大气的同温层中原子态的氧反应生成NO，NO对臭氧层会造成破坏（Bliefert,1994）。这就使得许多水处理工艺虽然
3、实现了水体中脱氮但却有可能对大气造成影响。2 实验结果的分析实验室中SBR反应器是一个有效容积为4L的有机玻璃柱，每个周期10.5小时，实验工序为：进水厌氧搅拌3hr曝气8hr 厌氧搅拌1.5hr沉淀1hr排水，每个周期排水2L进水2L，曝气阶段溶解氧控制在2.53.0mg/L。在通过对照试验基本排除了游离氨被吹脱的可能之后，采用试验进水CODcr为720mg/L, NH4-N为110 mg/L，在系统稳定运行之后对一周期各阶段内水相中各种氮化合物的浓度进行跟踪试验。实验期间每间隔1hr测定一次数据。根据这些数据绘成图1。图1中，在前2个小时的缺氧搅拌中（即02hr）NOX-N有明显下降，但N
4、H4+-N基本没有变化，说明本系统中未发生厌氧氨氧化过程而是硝酸盐缺氧反硝化的结果。在运行周期的第28小时的曝气状态下，NH4-N浓度迅速下降，由58.8 mg/L降为0.1mg/L，这主要是好氧硝化的结果。8小时曝气之后的缺氧阶段，NO3-N和NO2-N也有比较明显的减少，说明再次发生缺氧反硝化。当然，在这三个阶段中其它途径对脱氮所作的贡献将在下文结合对各种途径的介绍作进一步的阐述。图1 运行过程中各种形态的氮的变化情况而在整个周期中TN从59.9 mg/L降为8.5mg/L，好氧反应期间各种含氮化合物的化学衡量计算得到：氨氮经硝态氮（包括硝基氮和亚硝基氮）脱氮途径所得脱氮量仅占同期脱氮总量
5、的46.5%，在扣除生化合成反应所需氮素之外，尚有50%左右的氮在硝化之前便已去向不明,对此唯一的解释是在此过程中产物以气态形式进入周围的空气中。由于衡算过程比较复杂，不作详细介绍。3.硝化3.1 自养型硝化硝化是指NH3或NH4经由NO2-被氧化为NO3-的过程。硝化过程通常是由自养或兼性微生物完成的（Laanbroek 等1994）。这些微生物可分为两类，第一类微生物将NH3或NH4氧化为NO2-，被称为初级硝化菌，典型的如Nitrosomonas europaea；第二类微生物将氧化为NO3-，被称为次级硝化菌，典型的如Nitrobacter winogradskyi（Macdonald
6、, 1986;Klemedtsson et al.,1999）。通常利用基因探测针的方法可以对活性污泥中参与硝化的微生物进行分析和检测（Wagner等1996）。需要强调的是目前还尚未发现一种单一的微生物能将NH3或NH4直接氧化为NO3-。硝化过程会产生一些中间产物。第一个NH3被氧化中间产物是NH2OH，这个反应的催化剂是氨单一氧酶（Wood,1986）。氨单一氧酶的催化作用会受到一些底物的限制，这些底物通过共价键将酶结合到其活性区域从而会抑制酶对NH3的催化氧化功能。比如说C2H2会被转化为一种具有电抗性的不饱和环状化合物，这种化合物能通过共价键抑制氨单一氧酶的活性（McCarty,19
7、99）。C2H2在浓度为0.1到10 Pa的范围内会抑制NH3的氧化（Berg et al.,1982）。CH3F是氨单一氧酶的另一种抑制剂(Hyman et al.,1994)。但与C2H2相比它的优点是在较高浓度下（10kPa）不会影响反硝化过程(Oremland and Culbertson,1992)。第二步NH3的氧化过程是NH2OH转化为NO2，这一反应的催化剂是羟基氧化还原酶（McCarty,1999），而联氨对这类酶有抑制（Nicholas and Jones,1960）。NO2氧化为NO3-的酶是亚硝酸盐氧化还原酶（Bock et al.,1986）。氯酸盐是这一反应的催化剂
8、（Belser and Mays,1980）。另外，浓度过高的NH3会对硝化细菌产生毒性。有文献称：每1g干的Nitrosomonas sp.的生成需要消耗30gNH3（Schlegel,1992）。因而，就算在硝化细菌数量并不多的环境中，它在氮的转化方面的作用是很大的。无论是最终产物NO3还是一些中间产物都会大量产生，然而后者在工艺过程中并不会产生积累。N2O的产生来源于价态介于NH4和NO2-之间的NH3的氧化物的化学分解作用，例如NH2OH或NO2本身。也有证据表明NH2OH或NH3的不完全的氧化形式能导致N2O的产生（Hooper and Terry,1979）。因而，NH3氧化为NO
9、2-的过程可能是产生N2O的一个源头。不仅如此，通过其产物NO2-和NO3-硝化与反硝化结合了起来，后者是N2O产生的另一个显著的过程，将在下面的文章中对其进行更深入的阐述。3.2 非自养型硝化与自养型硝化细菌利用硝化作用作为能量来源合成CO2不同，非自养型硝化细菌利用有机碳作为碳源和能量（Robertson and Kuenen,1990;Castignetti,1990）。虽然自养型硝化和非自养型硝化的底物、最终产物以及中间产物是相同的，但在两个过程中发生作用的酶是有区别的。在非自养型硝化过程中发生作用的氨单一氧酶并不受C2H2的抑制。非自养型硝化细菌不仅能氧化NH3，同样能氧化氮的其它有
10、机物例如尿素（Papen et al.,1989）。有报导表明自养型硝化将在有氧条件下产生NO3，可能在环境条件变得于之有利的条件下参与反硝化（Castingnetti and Hollocher, 1984）。与传统的反硝化细菌不同（见下文），这些非自养型硝化细菌经常能够在有氧条件下进行反硝化（Robertson et al.,1989）。N2O作为NO2转化为的N2中间产物（Anderson et al.,1993;Richardson et al.,1998）在有氧环境下，每个细胞单位的非自养型硝化细菌比自养型硝化细菌产生更多的N2O（Papen et al.,1989;Anderson
11、 et al.,1993）。虽然普遍认为非自养型硝化是较小的N2O产生源，但在一定条件下非自养型硝化仍会产生大量的N2O，例如低PH值，较高的氧浓度以及有机物质较好的生物可利用性（Papen et al.,1989; Anderson et al.,1993）。4. 反硝化（denitrification）反硝化是NO3-转化为N2的过程，这一过程中会产生一些中间产物（如图2）。反硝化由反硝化细菌完成，它们包括Pseudomonas, Bacillus,Thiobacillus,Propionibacterium以及其他的一些菌类（Firestone,1982）。这些占主导地位的微生物是特殊的
12、厌氧微生物，在氧浓度较低或者厌氧条件下，它能以NO3-替代氧气作为电子受体。对反应起催化作用的酶是硝酸还原酶，亚硝酸还原酶，硝酸氧化还原酶以及亚硝酸氧化还原酶（Hochstem and Tomlinson,1988,见图2）。与硝化相比，N2O在反硝化过程中是一种中间物质。如果PH值低，那么N2O的释放就较多，因为N2O的还原在较低PH值下会受到抑制（Knowles,1982）。如果NO3-较多N2O/N2的比例就会较高，因为NO3-是比N2O更强的电子受体（Schlegel,1992）如果水中有一定浓度的溶解氧那么这一比例还会升高，因为O2对亚硝酸氧化还原酶的抑制强于对其他反硝化过程中的还原
13、酶的抑制（Knowles,1982）。在较高氧浓度下，反硝化细菌的好氧代谢会增强，这样NO3-就不会减少。除了这些环境因素，还没有发现C2H2以外的对反硝化以及N2O的转化有抑制作用的物质。如果C2H2的浓度达到10kPa那么N2O便会成为反硝化唯一的最终产物(Yoshinari et al.,1997)。概括的说，N2O是反硝化的一种中间产物，在低氧浓度、充足的NO3-以及可生化碳源的条件都会导致它的大量产生。5. 联合硝化反硝化(coupled nitrification-denitrification)之所以提到联合硝化反硝化是因为它经常会与硝化细菌反硝化混淆。英文中“coupled”一
14、词的意思是“结合”或“联合”。联合硝化反硝化不是一个分开的过程，这个术语是用来强调硝化过程中产生NO2-的或NO3-能被反硝化细菌所利用。如果微生物菌落所处的环境条件良好，硝化细菌和反硝化细菌都存在与于对方的微环境中，就会出现这种在硝化和反硝化之间的联合(e.g.Arah,1997)。在对这些微环境的研究之中，Khdyer 和Cho(1983)用一个土壤柱对硝化和反硝化的程度进行了实验，这个土壤柱中均匀地混合有尿素，并且其中氧的浓度是呈梯度的。结果是硝化发生在好氧层，而在厌氧区域反硝化占据的主要地位。而N2O产生于厌氧与好氧的交界部位，并能向土壤表面扩散。这表明N2O更多地产生于对硝化细菌和反
15、硝化细菌都较为适宜的环境中。同时硝化反硝化被用来处理污水，通过环境条件使反应控制在硝化和反硝化的交界阶段而达到较好的脱氮效果（dos Santors et al.,1996）。6.硝化细菌反硝化硝化细菌反硝化是硝化的一种途径。在硝化细菌反硝化中，NH4转化为NO2-然后NO2-再转化为N2O和N2（图3）。这一系列的反应仅仅在一类被称为自养型初级硝化菌的微生物群落作用下完成。在次级硝化菌中也存在一种进行硝化细菌反硝化类似的途径。据报导，以丙酮酸盐作为电子供体某些Nitrobacter能够在厌氧条件下由NO3-产生N2O（Freitag et al.,1987）。相对硝化细菌反硝化而言，目前国内
16、外对这一途径的研究并不多，还缺乏相关的信息，所以下文中将不另作介绍。 硝化细菌反硝化的第一部分（NH4+被氧化为NO2-）可以看作一种硝化作用，反之NO2-的减少可被视为反硝化作用（Poth and Focht,1985）。对于反硝化，NO2-将经由NO转化为N2O（Poth and Focht,1985），然后进一步转化为N2（Poth,1986）。参与硝化细菌反硝化的有可能大都属于初级硝化菌（Kuai and Verstraete,1998）。进行硝化细菌反硝化的初级硝化菌的酶实质上与反硝化的酶是相同的。Hooper (1968)首先发现了一种亚硝基还原酶，并指出它对反应中NO2-的减少起到了作用。根据以上的定义，硝化细菌反硝化不同于非自养型硝化与好氧反硝化的结合。由于没有自养硝化细菌的参与以及不同的酶的参与作用，这些后续的过程并
