摘要

粪产碱杆菌属进行异养硝化和好氧反硝化的4号（4号）在合成培养基和厌氧消化的城市污泥溶液中去除了800 mg-N/l的高强度铵和100 mg-P/l的磷_2.氨氮转化率约为50%。当合成培养基中磷初始浓度降低到30 mg-P/l左右时，磷在消耗磷90%以上的8 h后抑制了4号的生长，随后停止了4号的生长。N_2.氨氮转化率接近100%。

关键词

粪产碱杆菌属高强度铵；除磷；氮_2.转化率

介绍

许多细菌都具有异养硝化和好氧反硝化的能力[1-5]。利用这些细菌去除氨比传统的好氧硝化和厌氧反硝化的脱氮工艺更有利，因为在好氧条件下，在一个反应器中使用一种细菌去除氨。这些细菌的除铵率高于常规除铵工艺，主要是因为它们的生长速率高，水力停留时间短。

粪产碱杆菌属4号（No.4）是一种具有异养硝化和好氧反硝化能力的细菌，其应用已得到证实。4号进行了以下异养硝化和好氧反硝化过程，NH_4.⁺→NH_2.哦→ N_2.O→N_2.大约40%和60%的氨氮分别转化为氮气和电池质量。只有一小部分没有_2.-没有_3.-以[6]铵为原料。4号在不稀释废水[7]的情况下，对粗猪场废水中90%以上的高强度氨和化学需氧量(COD)进行了去除。4号也以3kg - nhh的速率去铵_4.-不适用^3./城市污水处理厂的厌氧消化污泥处理日[8]。一家化工公司的废水含有高浓度的氨氮5000 mg_4.-使用4号处理N/l和少量BOD，平均氨氮去除率为1.1 kg NH_4.- n / m^3./第[9]天。4号用于处理焦化废水（CW），以从焦化废水中去除400 mg/l高强度氨氮和400 mg/l苯酚[10]。这些去除率比常规处理方法高出几百倍。

由于4号主要使用有机酸作为碳源，并且实际处理中没有糖，因此廉价的有机酸生产和供应是实现4号铵处理的关键。我们以城市垃圾填埋场渗滤液为种子，添加糖进行厌氧发酵，获得高有机酸溶液，并通过平衡总有机碳（TOC）和NH，将制备的有机酸溶液混合物添加高氨氮和低碳废水_4.- n。该溶液的有效性得到了证实。在这些研究中，除磷不是重点。一些含高浓度氨氮的废水中磷的浓度也很高，在100 mg-P/l以上，同时生物去除高浓度氨氮和磷酸盐是困难的。在本研究中，4号在合成人工废水和厌氧消化的城市污泥溶液中同时去除氮和磷。在低磷条件下，N2转化效率接近100%。

材料和方法

拉紧

先前的论文[6]中描述了4号的详细特征。将4号培养的细胞与50%甘油溶液混合在小瓶中，并在-80°C下储存。对于每次预培养，使用一小瓶作为4号接种物。

合成介质

一种含有（克/升）14K的合成介质_2.HPO_4.，6千赫_2.阿宝_4.， 12.5乳酸钠，2 (NH_4.) 2_4.0.2 MgSO_4.・7小时_2.O、 并使用2 ml微量矿物质溶液对4号进行预培养。微量矿物质溶液含有以下成分（g/L）：57.1 EDTA（2,2'，2''，2''-（乙烷-1,2-二酰二硝基）四乙酸）・2Na，3.9 ZnSO_4.・7小时_2.O、 7氯化钙_2.・2H_2.O、 5.1跨国公司_2.・4H_2.啊,5.0 FeSO_4.・7小时_2.啊,1.1 (NH_4.) Mo7O₂₄・4H_2.啊,1.6 CuSO_4.・5H_2.O、 和1.6 CoCl_2.・6H_2.O。

使用的废水

厌氧消化污泥由横滨市污水处理中心(日本横滨)提供，多余的市政脱水活性污泥在37°C的6000吨规模的厌氧消化池中消化。消化污泥的主要特征为:pH为7.3，挥发性脂肪酸浓度为24 mg/l，氨氮浓度为1000 mg/l，磷浓度为100 mg/l。

以上述合成培养基为基础，制备了乳酸含量约为800 mg-N/l、100~40 mg-P/l、10 g-C /l的人工废水。

使用的反应堆

使用小型罐式发酵罐（总容积为1升，工作容积为300毫升；BMJ-01PI，日本东京Able公司）。溶解氧（DO）浓度和pH值通过DO传感器（日本东京Able公司SDOC-12F）和pH传感器（瑞士博纳杜兹汉密尔顿博纳杜兹公司Easyferm Plus 225）插入发酵罐进行监测。温度保持在30°C。搅拌速度控制在650 rpm，恒定供气速率为30 ml/min，以确保DO浓度保持在2 mg/l以上。

实验程序

使用合成培养基制备的预培养物用作以下实验的接种物。

制备了两个基于合成培养基的人工废水样品。第一个样品含有约800 mg-N/l和100 mg-P/l，模拟厌氧消化污泥中的铵和磷含量。第二个样品含有约800 mg-N/l和30 mg-P/l。两个废水样品均与约在罐式发酵罐中监测10 g/l乳酸和4号预培养物以及N、P和C的变化。

将230毫升厌氧消化污泥溶液、50毫升乳酸溶液和20毫升4号预培养物放入罐式发酵罐中，并监测N、P和C浓度的去除情况。

分析方法

使用铵传感器（SNH-10，东京Able公司）测定铵浓度_2.-没有_3.-采用HACH公司(美国科罗拉多州)硫酸亚铁法(TNT840)和二甲基苯酚法(TNT835)测定。

在4°C下以10000 rpm的转速离心20~50 ml样品，并用无菌蒸馏水冲洗沉淀的细胞块，并在离心冲洗的细胞块后在100°C下干燥2天。测量了4号的干细胞质量重量，并在KURITASU分析有限公司（日本Tukuba）测定了干细胞质量的元素分析。

为测定No. 4的细胞数，将样品培养液稀释后，涂布在含有合成培养基和1.5%琼脂的合成琼脂平板上，30℃孵育2天。由于之前已证实4号在平板上的生长速度明显快于厌氧消化污泥中固有的其他细胞，且2天后在平板上出现的菌落也具有4号的典型形态特征，故将其计数为4号。细胞浓度用cell /ml表示。

通过曝气从罐式发酵罐中排出的铵被截留在0.1 N H的容器中_2.所以_4.使用生物传感器BF-7S/D（型号BioFlow STAT，Oji Scientific Instruments Co.，Ltd.，Hyugo，Japan）测定乳酸浓度。根据JIS（日本工业标准）K0102.4601测定磷浓度。

结果与讨论

合成培养基中磷浓度为100mg /l

以750 mg-N/l和125 mg-P/l的合成培养基为基础制备与厌氧消化污泥废水含量相近的人工废水，并监测4号对N、P、C的去除效果如图1所示。去除NH的模式_4.-氮和磷（P）是相似的，在22小时后两者同时耗尽_4.-氮和磷（P）降低到足以阻止4号的生长，溶解氧浓度开始增加，乳酸的消耗在此期间进行，pH值的变化最小。

图1：去除氨氮（NH_4.-N）(●), 磷（P）(□) 乳酸(▲) 在含有750 mg-N/l和125 mg-P/l溶解氧（DO）浓度的人工废水中，其浓度为4(○) 和pH值(△) 原始铵态氮（NH_4.-N)的值除以10，以使数字更清楚。

氮平衡:反应器内的氮平衡如下。

N(输入)=N(残差)+ N(合成细胞)+ NH_3.(蒸发)+不_2.-(产生)+ NO_3.-（产生的）+N_2.（从NH转换而来）_4.- n)。(1)．

因此

N_2.（从NH转换而来）_4.-N） =N（输入）-N（残留）-N（合成细胞）-NH_3.(蒸发)——没有_2.-（已制作）-否_3.-（制作）。（2）

将22小时后测得的每个项的值引入方程式（2）。

N（输入）–N（残留）=750 mg/l-0 mg/l（3）

22h后干细胞质量增加5.39g/l。(4)

根据干细胞质量的元素分析，N含量为7.9%。(5)

因此，胞内N含量=5.39 × 0.079=426 mg/l。（6)

NH3（蒸发）、NO的测量值_2.-（制作）及_3.-（生产）分别为5.0 mg/l、1.3 mg/l和2.8 mg/l。

因此，N2（由NH4-N转化而来）=750-426-5-1.3-2.8=315mg/l。(7)

NH4-N的N2转化率=（315/750）×100=42%。(8)

该值与前一篇文章[6]中报告的值相似。

碳消费：消耗的乳酸=初始浓度- 22 h后浓度= 10.3-4.4=6.2 g/l。乳酸含碳量=(6.2 × 12 × 3)/90=2.48 g/l。那么，消耗的C/消耗的N=2.48/0.75=3.3。

在我们之前的论文[6]中，我们证明了在磷浓度设置为当前实验值的100倍时，确保同时消耗碳和氮所需的最佳C/N比为10，以控制pH值。这表明，就碳需求而言，低磷浓度处理高强度铵更经济。

厌氧消化污泥废水

以横滨市厌氧消化污泥废水为研究对象，在与上述合成介质操作条件相似的条件下，对N和P的去除进行了研究。结果如图2所示。图2中所示的移除模式与图1类似。全日空航空公司_4.-22小时后，废水中的氮和磷几乎同时被完全去除。

图2：去除氨氮（NH_4.-N）(●), 磷（P）(□) 乳酸(▲) 溶解氧（DO）浓度为797 mg-N/l和95 mg-P/l的厌氧消化污泥中的No.4(○) 和pH值(△) 原始氨氮（NH_4.-N)的值除以10，以使数字更清楚。

氮平衡的计算方法如下:N（输入）-N（残留）=797 mg/l。

细胞质量增加4.57 g/l。

根据干细胞质量的元素分析，N含量为7.9%。

因此，细胞内氮含量=4.57×0.079=361 mg/l。

NH3（蒸发）的测量值，NO_2.-（制作）及_3.-(生产)分别为8.0 mg/l、9.2 mg/l和1.4 mg/l。因此,N_2.（从NH转换而来）_4.- n) = 797 - 361 - 8 - 9.2 - 1.4 = 417 mg / l。N_2.NH的转化率_4.-N=（417/797）×100=52%。

碳消费：所消耗的乳酸=10.4-4.21=6.19 g/l。乳酸的含碳量=2.48 g/l。那么，消费C/消费N的比值=2.48/0.797=3.1。这些结果与上述合成数据相似。在本实验条件下，磷的去除率为91 mg/l。因此，当厌氧消化污泥溶液初始浓度为100 mg-P/l时，NH_4.-N浓度为876 mg/l时，可完全去除磷。因此，由于原油溶液的含氮量约为1000 mg-N/l，添加4号原油几乎可以同时去除原油废水中的氮和磷。

初始磷浓度为38 mg/L时的合成培养基

当初始磷水平降低到大约30 mg-P/l时，发现了一个独特的现象。除磷初始浓度降低至30 mg/l外，实验步骤与上述步骤相似。结果如图3所示。磷浓度在8 h后从38 mg/l下降到3 mg/l，限制了4号苗的生长。nhh的下降_4.-N和乳酸在8h后继续。因此，分析分为0~8 h和8 h后两部分。

0～8h分析

N（输入）-N（残留）=936-440=496 mg/l。

干细胞质量在8小时时增加2.66 g/l。

元素分析表明，干细胞质量中N的含量为9%。

细胞内氮含量=2.66×0.09=239 mg/l。

NH的测定值_3.（蒸发了），没有_2.-（制作）及_3.-(生产)分别为0.4 mg/l、6 mg/l和7 mg/l。

因此,N_2.（从NH转换而来）_4.-N） =496-239-0.4-6-7=244 mg/l。

NH的N2转化率_4.-n = (244/496) × 100=49%

该值与上述两个实验中的值相似。

碳消费：消耗的乳酸=10.9-7.9=3（g/l）。乳酸的碳含量=1.2 g/l。消耗的C/消耗的N=1.2/0.496=2.4。该值表明该阶段的碳需求量为先前报告值的四分之一[6]。

8 h后分析

如图3所示，8小时后，磷浓度降低以限制4号的生长，主要是因为DO浓度停止下降并逐渐开始增加。利用NH浓度的变化_4.-N和乳酸，也进行了类似的分析。

图3:去除氨氮（NH_4.-N）(●), 磷（P）(□) 乳酸(▲) 在含有936 mg-N/l和38 mg-P/l溶解氧（DO）浓度的人工废水中，其浓度为4(○) 和pH值(△) 原始铵态氮（NH_4.-N)的值除以10，以使数字更清楚。

N(输入)- N(残余)= 440 mg / l。8h后细胞质量增加0.96 g/l。用元素分析法测定干细胞质量中N的含量为9.4%。胞内氮=0.96 × 0.094=90 mg/l。

NH的测定值_3.（蒸发了），没有_2.-（制作）及_3.-（产生）分别为0.4、0.4和0.7 mg/l。

因此,N_2.（从NH转换而来）_4.- n) = 440 - 90 - 0.4 - 0.4 - 0.7 = 349 mg / l。

N_2.NH的转化率_4.⁺-N=（349/440）×100=79%。

在此期间，8 h和16 h的细胞数为1.10 × 10⁹和1.12×10⁹细胞数/毫升。这表明细胞数量的增加和细胞合成中的氮含量都可以忽略不计。

因此，转化率为N_2.=((440-0.4-0.4-0.7)/440) × 100=99.6%.

随着细胞质量的增加，假设4号细菌将残余碳累积到细胞内物质中。我们已经证明，该细菌在不利的环境条件下进行一些细胞内物质的合成。例如，在没有生长的高渗压条件下，4号细菌合成了渗透保护剂羟色胺[7]。在此P限制条件下，细胞颜色变为粉红色，表明合成了有色物质。8小时后细胞内碳含量为45.1%，而8小时前为36.8%。这支持了细胞内碳含量增加的观点。

继续N的可能性_2.加氨法生产_4.-氮和乳酸

图3表明N_2.在没有细胞生长的情况下，4号细胞继续生产。通过添加更多氮气来测试在操作14小时后继续生产氮气的可能性全日空航空公司_4.- n和乳酸。图4为添加乳酸14 g/l和N 700 mg/l时的结果。虽然氨氮去除率降低了前一阶段的1/4，但N和碳的去除率仍然存在。去除率的下降可能是由于长期缺磷或缺乏其他次要元素所造成的压力。

图4:去除氨氮（NH_4.-N)(●)和乳酸(▲)在实验12 h后再添加14 h的氨氮(NH4 -N)和乳酸，结果与图3相似_4.-N)的值除以10，以使数字更清楚。

关于生物除磷，已经发表了几篇报道。一种流行的工艺是使用分离的厌氧和厌氧条件的槽的强化生物除磷系统[12]。其中一位作者发表了一篇关于一种高聚磷细菌的文章，该细菌胞内磷含量达到30%。然而，这种细菌没有N_2.生产能力[13]。一些反硝化细菌具有聚磷能力[14,15]。它们的磷去除率在1 mg/l/h范围内。在4号系统中，磷的去除率要大10倍以上，并且通过这个简单的系统同时去除了高强度的铵和相当高浓度的磷。

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条信息

物品类型：研究文章

引用：石川正田(2017)利用粪臭4号同时去除高强度氨磷。国际污水处理3(3):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.147

版权:©2017 Shoda M等人。这是一篇根据知识共享署名许可证条款发行的开放获取文章，允许在任何媒体中不受限制地使用、发行和复制，前提是原始作者和来源均已获得授权。

出版历史：

收到日期：2017年6月30日

接受日期：2017年8月16日

发表日期:2017年8月22日