養(yǎng)殖廢水脫氮處理新技術(shù)介紹和設(shè)備說明

對(duì)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(duì)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(duì)好氧污泥實(shí)現(xiàn)了顆?；幚?，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jìng)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(jìng)爭性抑制作用。此時(shí)可以用具有競(jìng)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。