摘要
随着社会工业化进程的加速，水污染问题日益加剧，水中氮素含量日益升高。水体富营养化问题困扰着人类的健康和水生植物的生长。因此，水体中氮素的去除一直以来都是水处理领域研究的热点问题。由于传统脱氮工艺技术存在着短板与不足，新型脱氮工艺和技术的研发一直是国内外学者的研究方向。研究发现，一些异养型硝化菌能够在有氧的情况下进行反硝化作用，由此诞生了异养硝化-好氧反硝化这种新型的生物脱氮技术，使硝化和反硝化能在同一装置中进行，同时去除污水中的碳和氮，并且将氮素转变为气态氮排出水体，从而解决了传统废水脱氮工艺在经济效益与处理效率两方面的矛盾。 Diaphorobacter sp. PDB3从焦化废水处理系统的活性污泥中分离纯化得到，在前期的研究中已证实菌株PDB3具有异养硝化-好氧反硝化的性能。本文首先通过单因素试验研究了碳源种类、碳氮比、溶解氧、pH、培养温度等因素对菌株脱氮性能的影响，利用响应面法（RSM）优化了培养条件；在此基础上，研究了菌株的异养硝化以及好氧反硝化性能，通过酶活性分析、动力学分析、以及不同条件下的反硝化性能分析，对菌株的生长条件以及脱氮机制有了进一步的了解。 单因素试验表明，Diaphorobacter sp. PDB3生长代谢所需的最佳碳源是琥珀酸钠，不能利用乙醇碳源。碳氮比、溶解氧、pH、培养温度会对菌体的异养硝化-好氧反硝化过程产生较为明显的影响。采用响应面法对影响菌体生长和氨氮降解率的因素进行研究，通过对拟合回归模型方差分析，对碳氮比和温度、碳氮比和摇床转速、温度和摇床转速之间对氨氮降解率的两两交互影响的分析，确定菌株降解氨氮的最佳工艺参数为：碳氮比10.64、温度28.69℃、摇床转速128.91 r/min、pH值7.2、接种量5%、钙离子0.1 mmol/L、镁离子0.1 mmol/L、铁离子0.1 mmol/L。验证试验表明，在优化后的培养基中氨氮降解率比优化前提高了8.68%。 菌体在最优条件下的生长曲线表明，细胞浓度于21 h达到最大值，此时OD600达到1.439，比生长速率最大达到0.302 h-1，在异养硝化过程中检测到少量的硝氮和亚硝氮的存在，之后逐渐降低。菌株 PDB3在高浓度氨氮废水中生长良好，在菌体处于对数生长期时氨氮和总氮得到快速降解，氨氮的降解与菌体的生长有直接的关系；适当提高氨氮浓度可以促进菌体的生长并提高氨氮降解率。氮平衡分析表明，胞内氮由0.72 mg/L增加到52.12 mg/L，增长量占到氨氮去除量的49.41%；氮损失为45.09 mg/L，占氨氮去除量的42.74%，这部分氮由气态氮的形式排出系统，由此可知，细胞同化作用和异养硝化-好氧反硝化作用为菌株脱氮的主要形式。酶活分析表明，菌株 PDB3在生长过程中，羟氨氧化酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶均可检测到，证明了菌株 PDB3的硝化与反硝化途径是偶联的。结合整个硝化反硝化过程，可知 Diaphorobacter sp. PDB3的脱氮途径为：NH4+-N→NH2OH-N→NO2￣-N→NO3￣-N→N2。菌株PDB3对氨氮的降解符合一级反应动力学模型，最大比生长速率μmax为0.365 h-1，氨氮最大比降解率ν??为1.724 mg/(L·h），KS为420.51 mg/L。 Diaphorobacter sp. PDB3能够分别以亚硝氮和硝氮为唯一氮源进行菌体生长和反硝化作用，反应过程未检测到羟胺，均检测到氨氮，推测在反硝化过程中菌株将部分亚硝氮和硝氮转变为氨氮，供其生长代谢。当反硝化培养基中氮源浓度为200 mg/L，C/N为10时，菌株PDB3的反硝化降解率可达60%左右，且菌株可利用较高浓度的硝氮和亚硝氮进行生长代谢。菌株在进行反硝化时所需的碳氮比更高，这可能是由于菌体不能直接利用亚硝氮和硝氮作氮源，需先将其转变为氨氮，这个过程需要碳源来提供能量。随着碳氮比的升高，菌体反硝化作用越强，当碳氮比为15时，菌株对100 mg/L的亚硝氮降解率达到96.98%，可完全去除100 mg/L的硝氮。
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