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污水生物脱氮处理工艺

来源: 发布时间:2019-07-10 248 次浏览


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  1 引言
  N2O致温效应为CO2的300多倍、CH4的4~21倍,估计地球上N2O排放对全球温室效应的贡献约占5%~6%.澳门新葡萄京997755厂氮去除过程(guò chéng)会产生大量N2O,占水处理全过程释放的温室气体总量的26%.我国城镇澳门新葡萄京997755厂2011年N2O释放总量估计约为1.26×109 g.因此,污水生物脱氮过程中N2O产生及控制是目前研究的热点之一.
  污水生物脱氮过程中硝化及反硝化过程均能产生N2O,自养硝化过程N2O通过AOB硝化菌反硝化或羟胺氧化产生,其N2O的产生涉及多种酶参与,羟氨氧化还原酶是在硝化阶段将羟胺转化成亚硝酸盐的氧化还原酶,位于细胞膜外周质中.有研究表明,羟胺在好氧和厌氧条件下均能被HAO氧化,而N2O是羟胺氧化的副产物.可见HAO对N2O产生起着关键调控作用.

 图1 澳门新葡萄京997755硝化过程N2O产生的可能途径及相关酶 ; AMO:HAO;NOR)

  污水生物处理过程中,酶是控制N2O释放的关键所在.目前,一些纯种自养和异养硝化菌的HAO已经分离提纯,这些HAO分子量和结构有所不同.但目前尚无污水生物处理活性污泥HAO的研究报道,一个原因可能是脱氮污泥中硝化菌种类复杂多样,不利于分离提纯HAO而制约了这方面的研究.
  不同研究报道的HAO提取和活性测定方法有所不同,破碎细菌细胞的方法有超声法、压力破碎法,有研究使用高渗裂解液辅助细胞破碎;酶活性测定时以铁氰化钾作为电子受体,但是所使用的电子受供比也有差异,Otte等在测定发酵罐中粪产杆菌的HAO时选用电子受供配比1 : 2,而Tateo Yamanaka等从Nitrosomonas europaea菌提取纯化HAO时表明,电子受体超过4倍的供体羟胺后,羟胺能迅速被氧化成NO2-.Mike等在研究羟胺代谢时采用电子受供配比为5 : 2的反应试液.由此可见,目前尚无确定可行的活性污泥HAO酶提取和活性测定方法.
  基于此,本文在前期研究的基础上,从破碎方法、裂解液的使用、酶活测定液电子受供比、反应终止剂等方面对污水生物处理活性污泥中HAO酶的粗提取及酶活测定方法进行了探索研究,旨在为进一步探索污水生物处理中N2O产生和控制的酶水平研究奠定基础.
  2 材料与方法
  2.1 材料来源
  活性污泥取自实验室处理(chǔ lǐ)模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)城市生活污水的SBR反应器.该反应器的有效容积为6 L,每天运行3个周期,每周期8 h,包括进水10 min,厌氧搅拌120 min,好氧240 min,沉淀40 min,出水10 min,闲置60 min.人工废水由葡萄糖、乙酸钠、氯化铵、磷酸氢二钾(Potassium)、氯化钙、硫酸镁和氯化铁配制而成,加入碳酸氢钠调节pH值为6.8~7.8有限企业).COD约为400 mg ? L-1,氨氮约为60 mg ? L-1,总磷约为5 mg ? L-1.
  反应器温度维持在25 ℃;污泥浓度维持在MLSS 3255 mg ? L-1.控制曝气强度在0.6 L ? min-1,好氧段DO浓度维持在0.3~0.6 mg ? L-1.
  当氨氮去除率达到90%以上并稳定(说明:稳固安定;没有变动)运行时取样.取样时间点选择在每周期曝气开始后0.5 h.
  2.2 HAO粗酶的提取
  取25 mL泥水混合液,在4000 r ? min-1离心3 min,倾去上清液,沉淀用缓冲液定容到25 mL,再次离心3 min,倾去上清液,此步骤重复一次.沉淀备用定容至25 mL后,破碎细胞.4 ℃条件下,40000×g 冷冻离心30 min,上清液于4 ℃条件下贮存备用.
  2.3 细胞破碎方法
  超声法:用BILON92-II超声波细胞粉碎机于0 ℃的冰-水混合水浴中破碎细胞,调节输出功率200 W,工作3 s,间歇3 s,破碎次数分别设定为30次、60次、99次.
  压力细胞破碎法:在4 ℃条件下用JN-02低温超高压连续细胞破碎仪破碎,设定压力50、110、160 MPa,分别破碎1、2、3次.
  超声与裂解液结合法:洗涤后的沉淀(precipitation)加细胞裂解液,10%蔗糖,300 mmol ? L-1 NaCl,90 mmol ? L-1 EDTA)2 m
  L、5 m
  L、10 mL,10 min后,缓冲液定容至25 mL后进行破碎,方法同超声法.
  压力与裂解液结合法:洗涤后的沉淀加细胞裂解液2 m
  L、5 m
  L、10 mL,10 min后,缓冲液定容至25 mL后进行破碎,方法同压力细胞破碎法.
  2.4 破碎效果评价
  用ND-2000微量分光光度计测定破碎后混合液中的DNA含量,将DNA含量高低作为衡量细胞破碎的程度的指标(target aim).
  2.5 HAO酶活性测定
  酶活力测定原理:根据HAO酶的氧化还原特性,本实验(experiment)以铁氰化钾(Potassium)为电子受体,以羟胺为电子供体.羟氨(化学式:NH3) 氧化还原酶的活性在400 nm处以铁氰化钾的还原量来计算酶活性.
  酶活性单位(unit)定义:25 ℃,pH 8.0条件下每分钟还原1 μmol K3Fe6的酶量为一个酶单位.按下式计算HAO酶的活性,摩尔吸光系数ε为1 L ? mol-1 ? cm-1.
  酶活性:A =400/[ε?b×t]×VL/V×B 式中,t为时间,VL为测定液体积,V为酶液体积,B为稀释倍数,b为比色血宽度.
  酶活力测定步骤:取4 mL反应混合液放入试管中,加入适量酶提取液,马上混匀并计时,25 ℃恒温水浴仪中准确保温一定时间;反应完成后马上加入2 mL终止剂终止酶反应.室温放置5 min后,UV-2600A分光光度计仪器有限企业)于400 nm处测定吸光度;空白对照管先加入2 mL反应终止剂,再加酶液.
  2.6 测定方法
  粗酶液中总蛋白质包含比重测定:Bradford法; DNA含量:微量分光光度法;酶活性测定:分光光度法.
  2.7 酶活力测定方法的优化
  酶反应液电子受体与供体比的选定:选择电子受供比1 :
  4、1 :
  2、1 :
  1、2 :
  1、4 : 1,分别取5组平行样.
  反应终止剂的选择:选用20%三氯乙酸及2 mol ? L-1 HCl,分别取5组平行样.
  2.8 实验数据处理
  多组平行试验结果均以平均值±标准差来表示,组间比较采用SPHOTOSHOPS13.0 App进行单因素或多因素方差分析.
  3 结果与分析
  3.1 不同方法的破壁效果
  HAO为细胞膜外周质酶,能否完全将菌体细胞壁破碎是该酶提取的首要因素.本研究探讨了五种不同的破壁方法,用微量分光光度计测定DNA含量确定破壁效果,同时测定酶活力.
  首先对超声法同一功率下超声破碎次数对破碎效果影响进行实验,结果见表 1所示.

 表1 超声处理次数对污泥破壁的效果

  从表 1可知,超声破碎次数增加,DNA含量增加,提取的粗蛋白含量增加,HAO酶活增大,说明细胞破碎程度提高.单因素方差分析表明,破碎30次DNA及蛋白质量均明显小于60次和99次,但是酶活与60次无明显差异,与99次相比明显偏小,为了缩短实验时间及更好的保存酶活性,选择破碎30次进行后续实验.
  表 2 是化学渗透(Osmosis)对细菌细胞破碎效果的影响.从表 2可知,添加细胞裂解液后,酶活性及DNA比未加的条件下增加近5倍及多至十几倍.从DNA结果来看,加5 mL和10 mL裂解液没有差异;酶活和蛋白质(protein)5 mL条件均显著小于10 mL及25 mL条件.但研究过程发现添加10 mL及更多裂解液时,用Br and ford法测定蛋白质容易产生沉淀,在此种情况下,用分光光度计测定蛋白质比较耗时,读数不稳定.
 表2 化学渗透处理对污泥破壁的效果

  基于上述超声次数和裂解液用量对细胞破碎效果的影响,研究进一步探讨超声、压力及裂解液相互结合对破碎效果的影响,以便找出耗时短、破碎效果好的破碎方法.图 2是不同破碎条件下,破碎次数和裂解液对细胞破碎效果的影响.

  图2 不同破壁条件下,处理次数和裂解液对污泥破碎效果的影响(influence)

  从图 2可以看出,用细胞破碎仪破碎细胞效果明显比超声破碎细胞效果要好;无论是超声还是细胞破碎仪,加裂解液细胞破碎效果较不加的要好.
  对3种压力下的DNA结果经多因素(factor)方差分析,F=7.281,说明压力、破碎次数及裂解液用量均对破碎效果有极其显著的影响.随着细胞破碎仪破碎压力、次数增大,破碎效果增强;2 mL与5 mL裂解液之间破碎效果有显著差异,而2 mL与10 m
  L、5 mL与10 mL裂解液之间之间破碎效果没有显著差异.从图中能看出,160 MPa条件下,加5 mL裂解液破碎3次效果是更好的.
  3.2 酶活测定方法优化结果
  在HAO酶活测定过程中,电子受供比和终止剂的选择对酶活力测定影响较大,因此,本研究进行了电子受供比和终止剂对酶活测定影响的研究.结果如下.
  3.2.1 酶反应液电子受体与供体比的选定
  不同微生物菌种、不同的生长环境,HAO的活性高低不尽相同,在以往HAO研究电子受供比1 :
  2、≥4、5 : 2等的基础上,做了表 3所示的电子受供比实验.以确定适合污水脱氮处理工艺HAO酶活研究的配比.取5组试样进行测定.结果见表 3.

 表3 不同电子受体与供体比下测定的HAO酶活性

  在一定条件下,底物浓度饱和时,酶反应速度与酶浓度呈正比,当底物浓度受限时,均会影响酶活性的测定结果.
  表 3的结果表明,受供比1 :
  4、1 : 2的酶反应液中由于受体K3[Fe6]不足,在短时间内吸光值减小的幅度很大.对测试样品数目较多的过程不适用.而受供比2 :
  1、4 : 1条件下,同样反应时间内,受体K3[Fe6]剩余量较多.这4种受供比反应后不太适宜用分光光度计测定,因此宜选用电子受供比1 : 1的酶反应液做酶活性测试,本研究用这一受供比也获得了较其他条件下的更大酶活性.
  当然,这一配比适用于HAO粗酶测定,若是经过纯化后的HAO,适合的受供比需要进行实验来进一步确定.
  3.2.2 反应终止剂
  与加热酶失活方法相比,用酸碱让酶失活更易操作和节省时间,本研究(research)中受体K3Fe6在碱性条件下不稳定,因此实验选取20%三氯乙酸和2 mol ? L-1 HCl作为HAO酶活性反应的终止剂,选用电子受供比1 : 1的酶反应液.取5组试样进行测定.结果见表 4.
 表4 反应终止剂对HAO活性测定的影响

  从表 4数据可知,20%三氯乙酸与2 mol ? L-1 HCl作为HAO酶反应终止的试剂,酶活测定值经单因素方差分析,无显著性差异.通过测试两者的pH,20%三氯乙酸溶液酸性极强,文献中采用它作为HAO酶反应终止剂.铁氰化钾(Potassium)遇强酸时产生剧毒的氰化物,从减少环境污染和操作安全的角度,宜选用酸性较弱的2 mol ? L-1 HCl溶液作为反应终止剂.
  3.3 不同破碎条件下,裂解液和破碎次数对测定HAO酶活性的影响
  从图 3可以看出,在不同压力条件下,用细胞破碎仪破碎细胞2次、3次的HAO酶活明显比超声条件下酶活要高;加裂解液破碎后HAO酶活要比不加裂解液的HAO酶活高.


图3 不同破碎条件下,破碎次数和裂解液对获得的HAO酶测定活性的影响

  对3种压力下的酶活结果经多因素方差分析,F=2.718,说明压力、破碎次数及裂解液用量均对酶活有极其显著的影响.只看压力变化时,两两压力之间酶活无差异;破碎2次与1次之间酶活有极其显著差异,而破碎2次与3次之间酶活无差异.
  在不同的压力条件下,均是加5 mL裂解液的HAO酶活性要高,加10 mL裂解液后酶活反而降低,原因可能是细胞裂解液中含有EDTA,而HAO的活性位点由c型亚铁血红素和血红素P460构成,较多的裂解液加入影响了HAO的活性.
  从图中看出,160 MPa条件下,加5 mL裂解液破碎细胞2次有更高的HAO酶活力.
  3.4 破碎方法、裂解液和破碎次数对HAO酶比活力的影响
  酶的比活力也就是酶含量的大小,即每毫克蛋白所具有的酶活力.酶的比活力在酶学研究中用来衡量酶的纯度,对于同一种酶来说,比活力越大,酶的纯度越高
  从图 4可以看出,超声条件下,酶的比活力比细胞破碎仪破碎细胞酶比活要高;超声条件下,随着裂解液增多,酶比活力有所增大,但是增加幅度很小.

 图4 不同破碎条件下,破碎次数和裂解液对获得的HAO酶的比活力的影响
  对3种压力下破碎2次、3次的酶比活力结果经多因素方差分析,F=16.262,说明压力、破碎次数及裂解液用量均对酶比活力有极其显著的影响.不同压力下酶比活力有极其显著差异;破碎2次与3次之间酶比活力有极其显著差异,压力与次数相同的条件下,不同裂解液用量组间酶比活力无差异.
  随着细胞破碎仪破碎压力增大,HAO酶比活力减小,说明压力增大后,细胞破碎效果增强,有更多的蛋白从细胞中溶出,而HAO酶的量则没有随之增加,分析原因可能是瞬间高压产生热量破坏了HAO及其活性.
  综上所述,160 MPa条件下,加5 mL裂解液破碎3次效果是更好的,该条件下破碎细胞2次有更高的HAO酶活力,但是从酶比活力看,该条件下破碎2次和3次的酶比活力均比110 MPa加裂解液5 mL破碎2次要低,因此综合DN
  A、酶活力和酶比活力考虑,110 MPa加裂解液5 mL破碎2次更适合污水生物处理中HAO的研究,既节省时间,又能较好的保持酶活性.具体参见污水宝商城资料(Means)或
  4 结论
  1)压力、破碎次数及裂解液用量对脱氮活性污泥粗提液中DN
  A、HAO酶活力及酶比活力均有极其显著的影响.
  2)无论是超声还是细胞破碎仪破碎细胞,加裂解液破碎效果比不加要好,有较高的酶活力.随着细胞破碎仪破碎压力增大,破碎效果增强,160 MPa条件下,加5 mL裂解液破碎3次效果是更好的.
  3)对相同提取条件下提取的粗酶液,酶活反应液电子受体供体之比为1 : 1时,分光光度法可获得较高的酶活力.
  4)酶反应终止剂宜选用2 mol ? L-1 HCl溶液.
  5)综合DNA含量、酶活力及酶比活力考虑,110 MPa加裂解液5 mL破碎2次更适合污水生物处理中HAO的研究,既节省时间,又能较好的保持酶活性.

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