養(yǎng)殖廢水脫氮處理新技術(shù)介紹和設(shè)備說明

對于某些微生物存在的生長周期長、細(xì)胞產(chǎn)率低、降解物質(zhì)速率慢等問題，通過馴化出包含該微生物的好氧顆粒污泥可以得到很好的解決。好氧顆粒污泥是指微生物在一定的外界環(huán)境影響下，相互之間通過聚合而形成的相對于普通污泥具有更高活性的粒狀聚合體。由于顆粒污泥的沉降性能好，經(jīng)過沉降作用容易停留在反應(yīng)器內(nèi)，可以將其作為一種特殊形式的生物膜。微生物的數(shù)量和活性也由于污泥顆粒化的作用得到了更好的積累和發(fā)揮，另外顆粒污泥中有豐富的微生物群，構(gòu)成了高效的代謝網(wǎng)，在很好地保護(hù)微生物的同時(shí)，也為生物反應(yīng)器的高效運(yùn)行提供了重要基礎(chǔ)條件，這個(gè)作用是任何微生物個(gè)體都不能單獨(dú)產(chǎn)生的〔18, 19, 20〕。方芳等〔21〕成功地在 SBR 反應(yīng)器中對好氧污泥實(shí)現(xiàn)了顆粒化處理，并使用所制得的好氧顆粒污泥共代謝降解含甲基叔丁基醚的廢水，取得了良好的降解效果。Hanmin Zhang 等〔22〕的研究表明，通過97 d 馴化得到的好養(yǎng)顆粒污泥對石化廢水具有良好的降解性能，結(jié)合共代謝作用，發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥相對其他形態(tài)的微生物在處理石化廢水上具有更好的效果。

3.2 生長基質(zhì)的選擇
 
養(yǎng)殖廢水脫氮處理新技術(shù)介紹和設(shè)備說明

酶誘導(dǎo)理論中指出，關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)合成是生長基質(zhì)與操作子以及抑制子之間的相互作用，并通過開啟mRNA 來實(shí)現(xiàn)的〔23, 24〕。張錫輝等〔25〕推導(dǎo)建立了綜合性數(shù)學(xué)模型，該模型以關(guān)鍵酶為中心，利用非專一性關(guān)鍵酶的產(chǎn)生以及在反應(yīng)中的作用表示共代謝的整個(gè)過程，其過程用反應(yīng)式表達(dá)如下：

關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)合成：→E

生長基質(zhì)的利用：E+S→E+PS

非生長基質(zhì)的共代謝：E+C→E+PC

關(guān)鍵酶的毒性抑制：E+PC→E’

關(guān)鍵酶的修復(fù)：E’→E

關(guān)鍵酶的自然老化降解：E→

其中，E 代表關(guān)鍵酶，S 代表生長基質(zhì)，C 代表非生長基質(zhì)，PS 代表生長基質(zhì)與關(guān)鍵酶反應(yīng)的產(chǎn)物，PC 代表非生長基質(zhì)與關(guān)鍵酶反應(yīng)的產(chǎn)物，E’代表受毒性抑制而失活的關(guān)鍵酶。

微生物在生長基質(zhì)的誘導(dǎo)下所產(chǎn)生的關(guān)鍵酶，在整個(gè)共代謝反應(yīng)過程中會(huì)起到十分重要的作用，因此選擇合適的生長基質(zhì)直接決定關(guān)鍵酶的產(chǎn)生，zui終決定整個(gè)反應(yīng)是否能進(jìn)行，即目標(biāo)污染物能否得到降解或能否發(fā)生結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變。

選擇生長基質(zhì)的方法主要有兩種，一是選擇易降解的物質(zhì)作為生長基質(zhì)。這主要是由于目標(biāo)污染物（非生長基質(zhì)）大多數(shù)是難降解物質(zhì)，當(dāng)只存在目標(biāo)污染物時(shí)，整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)不足，微生物的生長受到抑制的情況。通過添加一些易降解的物質(zhì)，為微生物生長提供營養(yǎng)來提高反應(yīng)體系中微生物的活性，進(jìn)而提高共代謝的處理效果。但不同易降解物質(zhì)對共代謝的促進(jìn)作用也不盡相同。李惠娣等〔26〕在研究四氯乙烯的厭氧生物降解過程中，分別用葡萄糖、乳酸鹽和醋酸鹽作為共代謝基質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加共代謝基質(zhì)后，四氯乙烯的降解速率均會(huì)加快，其中添加乳酸鹽后體系的降解速率增加zui多，乳酸鹽被認(rèn)為是該反應(yīng)中zui合適的共代謝基質(zhì)。

二是根據(jù)非生長基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來選擇。當(dāng)某種物質(zhì)與目標(biāo)污染物的分子骨架結(jié)構(gòu)類似時(shí)，將這種物質(zhì)作為生長基質(zhì)，可能會(huì)誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生非專一性關(guān)鍵酶。因此在某些情況下可選擇非生長基質(zhì)的類似物或非生長基質(zhì)的中間代謝產(chǎn)物作為生長基質(zhì)來達(dá)到誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生關(guān)鍵酶，對目標(biāo)污染物進(jìn)行降解。任大軍等〔27〕研究發(fā)現(xiàn)，由于*、喹啉與吲哚在結(jié)構(gòu)上部分相似，都有—OH 或—NH2 基團(tuán)，在降解吲哚時(shí)以*和喹啉作為生長基質(zhì)，可以增加白腐菌的漆酶產(chǎn)量，進(jìn)而提高吲哚的降解率。

3.3 生長基質(zhì)與非生長基質(zhì)的投加比
 
微生物在生長基質(zhì)誘導(dǎo)下產(chǎn)生的關(guān)鍵酶是整個(gè)共代謝反應(yīng)所必需的，微生物只有在消耗生長基質(zhì)的同時(shí)才能對非生長基質(zhì)進(jìn)行降解，因此，生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)之間必然存在一定的競爭作用。因此，除了要選擇合適的生長基質(zhì)，控制好生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)的投加比同樣重要。

R. E. Speece 〔28〕通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)之間有抑制作用時(shí)，如許多由雙氧酶和單氧酶催化的反應(yīng)就很可能存在競爭性抑制作用。此時(shí)可以用具有競爭作用的酶動(dòng)力學(xué)來描述共代謝作用的動(dòng)力學(xué)〔29〕。當(dāng)共代謝基質(zhì)作為抑制物時(shí)，可以這樣表示生長基質(zhì)的利用情況：

式中： ds/dt ———單位容積反應(yīng)器的基質(zhì)利用速率， mg/（L·d）；

S———基質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；

X———細(xì)胞質(zhì)量濃度，mg/L；

I———抑制劑質(zhì)量濃度，mg/L；

Ki———抑制系數(shù)，mg/L；

KS———半飽和系數(shù)，mg/L；

Kmax———比基質(zhì)利用速率，g/（g·d）。

從模型中可以看出，隨著生長基質(zhì)濃度和非生長基質(zhì)濃度發(fā)生變化，生長基質(zhì)的實(shí)際利用速率與zui大反應(yīng)速率也相應(yīng)發(fā)生變化。因此，共代謝化合物的利用速率必須通過維持適當(dāng)?shù)纳L基質(zhì)濃度來達(dá)到*化〔30, 31, 32, 33〕。I. M. Rivas 等〔34〕在用苯作為降解噻吩的生長基質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體系中存在較高濃度的苯時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生較高濃度的關(guān)鍵酶，從而使噻吩的降解速率提高。M. H. Kim 等〔35〕報(bào)道了一株不動(dòng)桿菌在以苯為碳源的情況下降解3-氯*和4-氯*，發(fā)現(xiàn)底物中苯和3-氯*、4-氯*的比例是決定污染物是否*降解的關(guān)鍵性因素。