环境科学  2020, Vol. 41 Issue (6): 2787-2795   PDF    
异养硝化-好氧反硝化混合菌对尿素的去除及重金属和盐度的影响
王萌萌1, 曹刚1, 张迪1, 冯乃宪2, 潘涌璋1     
1. 暨南大学环境学院, 广州 511443;
2. 广东省污染控制与修复材料工程技术中心, 广州 510630
摘要: 为探究异养硝化-好氧反硝化混合菌对尿素的去除效果,本文考察了混合菌(DM01+YH01+YH02)对尿素的去除特性,以及重金属和盐度对其去除率的影响.结果表明,当废水中尿素质量浓度为200.0 mg·L-1,碳源为柠檬酸三钠、C/N为10、温度为30℃、pH为7和转速为130 r·min-1时,尿素在24 h可以得到高效降解,去除率为91.8%;重金属离子(Ni2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+)会降低混合菌对尿素的去除效果,影响能力的大小顺序为Cd2+ > Cu2+ > Ni2+>Zn2+,然而,Fe2+(< 20.0 mg·L-1)会增强混合菌对尿素的去除效果;盐度(>10.0 mg·L-1)会抑制混合菌株对于尿素的去除.
关键词: 异养硝化-好氧反硝化      混合菌      尿素      重金属离子      盐度     
Removal of Urea by Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification Mixed Strains and Effects of Heavy Metals and Salinity
WANG Meng-meng1 , CAO Gang1 , ZHANG Di1 , FENG Nai-xian2 , PAN Yong-zhang1     
1. School of Environment, Jinan University, Guangzhou 511443, China;
2. Guangdong Engineering Center for Environment Contamination Control and Restorative Materials, Guangzhou 510630, China
Abstract: To explore the effect of heterotrophic nitrification-aerobic denitrification mixed strains on urea removal, the removal characteristics of urea and effects of heavy metals and salinity on urea removal by mixed strains (DM01+YH01+YH02) were investigated. The results showed that urea could be efficiently degraded by mixed strains at 24 h in 200.0 mg·L-1 urea wastewater when the carbon source was sodium citrate, C/N was 10, temperature was 30℃, pH was 7, and rotation speed was 130 r·min-1. Heavy metal ions (Ni2+, Cd2+, Cu2+, and Zn2+) can reduce the removal efficiency of urea by mixed strains, and the degree of influence was Cd2+ > Cu2+ > Ni2+ > Zn2+. Fe2+ (< 20.0 mg·L-1) in urea wastewater can enhance the removal efficiency of urea by mixed strains. Furthermore, a salinity of more than 10.0 mg·L-1 in urea wastewater can reduce the removal efficiency of urea by mixed strains.
Key words: heterotrophic nitrification-aerobic denitrification      mixed bacteria strains      urea      heavy metal ions      salinity     

尿素[CO(NH2)2]进入水体环境中会快速分解为氨[1].过多尿素进入水体环境后, 会增加水体氮素含量, 从而对环境造成危害.环境中尿素主要来源于工业生产废水、农田渗滤液以及养殖场废水.尿素在生产和使用过程中会不同程度地伴随生产废水和农田渗滤液进入环境[2].养殖场废水也含有大量尿素, 废水中的高棕褐色主要来源于动物尿液中的尿素[3].

目前, 对于尿素废水的处理方法主要有:热力学水解法、化学氧化法、脲酶水解法和生物降解法[2~4].热力学水解法和化学氧化法适用于高质量浓度尿素废水处理, 但能耗大[2].脲酶水解法中如何在常温条件下保持酶的稳定性与活性是一个比较大的挑战[5].生物降解法是在微生物作用下通过硝化和反硝化作用实现尿素的去除[6].生物降解法因其经济有效, 是现有废水处理技术中的最常用的方法.传统的生物降解包括了好氧硝化与厌氧反硝化两个过程, 脱氮途径较长, 容易受环境因素的影响.异养硝化-好氧反硝化菌的发现, 打破了传统的生物脱氮理论, 因其在好氧条件下同时实现硝化和反硝化过程, 在生物脱氮过程中成为研究热点[6~8].然而, 目前异养硝化-好氧反硝化菌降解尿素的相关研究较少.

因此, 本文重点研究异养硝化-好氧反硝化菌株对尿素的去除特性.在实验室前期的研究中发现混合菌株YH01+YH02的脱氮性能优于单菌株YH01和YH02[9].所以本文利用实验室筛选出的新型异养硝化-好氧反硝化菌DM01和YH01+YH02构成新的混合菌株DM01+YH01+YH02来去除废水中的尿素, 并考察重金属离子(Ni2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+)和盐度对混合菌株脱氮效果的影响, 以期为异养硝化-好氧反硝化菌在废水生物脱氮的实际运用提供参考依据.

1 材料与方法 1.1 实验材料 1.1.1 实验菌株与尿素废水

YH01和YH02为实验室前期筛选出的异养硝化-好氧反硝化菌[9], 异养硝化-好氧反硝化菌DM01是由取自广州大坦沙污水处理厂A2O工艺池的活性污泥富集筛选得到.将异养硝化-好氧反硝化菌YH01、YH02和DM01分别使用LB培养基活化增殖后, 离心收集菌体, 再用无菌水重悬菌体, 按照1:1:1的比例配制混合菌悬液, 通过平板菌落计数法确定菌液活菌数为3.2×107 CFU·L-1.

尿素废水:尿素200.0 mg·L-1, Na3C6H5O7·5H2O 6.2 mg·L-1, 维氏盐50 mL·L-1, pH 7.

1.1.2 培养基

异养硝化培养基: (NH4)2SO4 0.6 g·L-1, Na3C6H5O7·5H2O 4.3 g·L-1, 维氏盐溶液50 mL·L-1, pH 7.

维氏盐溶液: K2HPO4 5.0 g·L-1, NaCl 2.5 g·L-1, MgSO4·7H2O 2.5 g·L-1, FeSO4·7H2O 0.05 g·L-1, MnSO4·4H2O 0.05 g·L-1.

1.2 实验方法 1.2.1 菌株DM01鉴定

利用细菌通用引物27F和1492R对菌株DM01的DNA进行提取与PCR扩增, 对扩增后的产物进行测序, 测序由上海生工生物工程有限公司完成.

1.2.2 混合菌株脱氮实验

将菌株DM01、混合菌株YH01+YH02和混合菌株DM01+YH01+YH02, 以相同的接种量接种于含有相同质量浓度的硝化培养基中, 相同条件下培养48 h, 取培养液上清液分析氨氮(NH4+-N)和总氮(TN).

1.2.3 环境因子对尿素去除影响实验

以相同质量浓度的尿素为氮源, 控制单一因素, 分别在不同碳源(乙酸钠、蔗糖、葡萄糖、丁二酸钠和柠檬酸三钠)、C/N (2、4、6、8、10和12)、pH (5、6、7、8、9和10)、转速(90、110、130、150和180 r·min-1)、温度(15、20、25、30和35℃)和接种量(0%、0.5%、1%、2.5%、5%和10%)条件下培养, 将混合菌液接入尿素废水中, 同时通过平板菌落计数法测定混合菌液活菌数, 之后每12 h取1 mL培养液上清液分析尿素质量浓度.

确定环境因子对尿素去除影响之后, 选择合适的环境因子将混合菌液接入尿素废水中, 同时通过平板菌落计数法测定混合菌液活菌数, 之后每12 h取1 mL培养液上清液分析尿素、TN、NH4+-N、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、COD质量浓度和D600.

1.2.4 重金属离子对尿素去除影响实验

尿素培养基中设置不同质量浓度梯度的金属离子: Ni2+(0、2.0、5.0和10.0 mg·L-1)、Cd2+(0、0.5、1.5、2.0和2.5 mg·L-1)、Cu2+(0、0.5、2.5和5.0 mg·L-1)、Zn2+(0、10.0、25.0和50.0 mg·L-1)和Fe2+(0、5.0、10.0、20.0和50.0 mg·L-1), 控制环境因子保持一致, 将混合菌液接入尿素废水中, 同时通过平板菌落计数法测定混合菌液活菌数, 之后每12 h取1 mL培养液上清液分析尿素、TN质量浓度和D600.

1.2.5 盐度对尿素去除影响实验

盐度以尿素废水中NaCl质量浓度来表示.尿素培养基中设置不同质量浓度盐度(0、10.0、20.0、30.0和40.0 mg·L-1), 控制环境因子保持一致, 将混合菌液接入尿素废水中, 同时通过平板菌落计数法测定混合菌液活菌数, 之后每12 h取1 mL培养液上清液分析尿素、TN质量浓度和D600.

1.3 检测项目及方法

尿素:二乙酰一肟改良法[10]; TN:碱式过硫酸钾消解紫外分光光度法[11]; NH4+-N:纳氏试剂分光光度法[11]; NO3--N:酚二磺酸分光光度法[11];NO2--N: N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法[11]; COD质量浓度:重铬酸钾快速消解法[11]; D600:测定样品在600 nm波长时的吸光度[11].

2 结果与讨论 2.1 菌株DM01的鉴定结果

菌株DM01测序结果提交到NCBI, GenBank的登录号为JQ951521, 并通过MEGA6.06构建系统进化发育树, 如图 1所示.经Blast检索后初步确定DM01为假单胞属(Pseudomonas), 属于变形菌门(Proteobacteria).

图 1 基于16S rDNA基因序列同源性构建DM01系统发育树 Fig. 1 Phylogenetic tree of strain DM01 based on the complete sequence of the 16S rDNA gene

2.2 混合菌株DM01+YH01+YH02的脱氮效果

图 2显示了混合菌株DM01+YH01+YH02在48 h对NH4+-N和TN的去除效果.混合菌株DM01+YH01+YH02对NH4+-N和TN去除效率分别为98.7%和90.1%, 脱氮效率明显高于YH01+YH02和DM01.赵思琪等[12]的研究发现由不同种属的异养硝化细菌构成的混合菌YB+YH+YL具有更优的异养氨氧化和好氧反硝化能力.黄郑郑等[13]的研究同样也发现了异养硝化-好氧反硝化混合菌XH02+XH03在异养硝化和好氧反硝化过程中均能协同脱氮, 提高了脱氮效率.这表明一些不同种属的异养硝化-好氧反硝化细菌存在协助作用, 使得混合菌株的脱氮能力以及对环境的耐受性均优于单菌株, 在生物脱氮过程中发挥着重要的作用.

图 2 脱氮效率比较 Fig. 2 Comparison of denitrification efficiency

2.3 环境因子对混合菌DM01+YH01+YH02去除尿素的影响 2.3.1 碳源

图 3(a)显示了其他单因素(C/N、pH、转速、温度和接种量)条件保持一致时, 不同碳源(乙酸钠、蔗糖、葡萄糖、丁二酸钠和柠檬酸三钠)条件下混合菌对尿素的去除情况.乙酸钠、蔗糖、葡萄糖、丁二酸钠和柠檬酸三钠在尿素废水中质量浓度分别为: 3.2、2.2、2.6、3.1和3.8 g·L-1, 添加不同碳源后尿素废水的COD质量浓度分别为1 060.0、1 053.0、1 054.0、1 053.0和1 058.0 mg·L-1.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.1×107 CFU·L-1.从图 3(a)中可以看出, 蔗糖和葡萄糖作为碳源时, 尿素几乎没有被去除.乙酸钠、柠檬酸三钠和丁二酸钠作为碳源时, 尿素去除率较高.其中柠檬酸三钠作为碳源时, 尿素的去除率最高. Silva等[14]的研究发现, 异养硝化-好氧反硝化菌株UFV3以丙酮酸钠、乙酸钠、柠檬酸三钠和琥珀酸钠作为碳源时对NH4+-N的去除率大于90.0%, 异养硝化-好氧反硝化菌株UFV4仅使用柠檬酸三钠为碳源时去除率最高.而葡萄糖和蔗糖作为碳源时, 两株菌都具有较低的生长速度和NH4+-N去除率. Yang等[15]的研究发现异养硝化-好氧反硝化菌株NP5, 在琥珀酸盐作为碳源时NH4+-N去除率最高, 对葡萄糖和蔗糖利用率最低.显然不同的异养硝化-好氧反硝化菌株对碳源的选择是有区别的, 但是普遍不能利用蔗糖和葡萄糖等糖类.

图 3 环境因子(碳源、C/N、pH、转速和温度)对尿素去除率的影响 Fig. 3 Effects of different environmental factors on urea removal

2.3.2 C/N

图 3(b)显示了以柠檬酸三钠为碳源, 其他单因素(pH、转速、温度和接种量)条件保持一致时, 在不同C/N(2、4、6、8、10和12)条件下尿素的去除效果.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.2×107 CFU·L-1.由图 3(b)可知, C/N为8~12时, 尿素去除率比较接近, 48 h时的去除率均在90.0%左右.其中当C/N为12时, 尿素的去除效率最高. C/N < 4时, 尿素48 h去除率低于75.7%. Wan等[16]的研究中也发现异养硝化-好氧反硝化菌HW-15在C/N为8时对NH4+-N的去除效果最好, C/N < 8时, 菌株HW-15对NH4+-N的去除率随C/N的增大而升高, 然而C/N继续增大到10, NH4+-N的去除率开始下降.这说明C/N过低或过高时, 都会影响氮的去除. C/N过低时, 碳源不足, 不能为菌株生长提供足够的营养, 从而影响氮的去除. C/N过高时, 部分碳源有机物可能会整合入微生物的酶结构中, 从而影响酶活性, 进而影响氮的去除[17].

2.3.3 pH

图 3(c)显示了以柠檬酸三钠为碳源, 其他单因素(C/N、转速、温度和接种量)条件保持一致时, 在不同pH(5、6、7、8、9和10)的条件下尿素的去除效果.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.8×107 CFU·L-1.从图 3(c)中可以看出, pH为5和10时, 混合菌株对尿素去除效果较差, 去除率仅有40.0%. pH为6~9时, 混合菌对尿素的去除效率比较接近, 均高于90.0%, 说明混合菌在中性、弱酸性和弱碱性条件下均有较强的尿素去除能力.

2.3.4 转速

摇床的转速直接影响到培养基中溶解氧的含量, 提高转速可以加快氧的传递[18]. 图 3(d)显示了以柠檬酸三钠为碳源, 其他单因素(C/N、pH、温度和接种量)条件保持一致时, 在不同转速(90、110、130、150和180 r·min-1)的条件下尿素的去除效果.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.6×107 CFU·L-1.从图 3(d)中可以看出, 转速在90~180 r·min-1时, 尿素的去除率先升高后降低.当转速为150 r·min-1时, 混合菌对于尿素的去除效率最高.

2.3.5 温度

图 3(e)显示了以柠檬酸三钠为碳源, 其他单因素(C/N、pH、转速和接种量)条件保持一致时, 在不同温度(15、20、25、30和35℃)的条件下混合菌对尿素的去除效果.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.2×107 CFU·L-1.温度可以直接影响到生物的酶活性, 适宜的温度可以促进混合菌对尿素的去除.从图 5(e)中可以看出, 温度在15~35℃时, 尿素的去除效率随着温度的升高而升高.当温度为35℃时, 混合菌对于尿素的去除率最高.这表明混合菌株在35℃左右对尿素有较好的去除效果.

图 5 尿素、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、COD质量浓度和D600的变化 Fig. 5 Changes in urea, TN, NH4+-N, NO3--N, NO2--N, COD concentration, and D600

2.3.6 混合菌DM01+YH01+YH02接种量对尿素去除的影响

图 4显示了以柠檬酸三钠为碳源, 其他单因素(C/N、pH、温度和转速)条件保持一致时, 不同接种量(0%、0.5%、1%、2.5%、5%和10%)对尿素、TN和D600的影响.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.8×107 CFU·L-1.从图 4可以看出, 当接种量为0.5%~2.5%时, 在12~24 h时, 混合菌对尿素和TN的去除率以及D600比较低; 在48 h, 混合菌对尿素的去除率可达到90.0%以上.菌液接种量为5%~10%, 在12 h时, 混合菌对尿素和TN的去除率以及D600即能达到最大值, 混合菌对尿素的去除率可达到90.0%以上.

图 4 接种量对尿素、TN和D600的影响 Fig. 4 Effects of inoculated concentration on urea, TN, and D600

王田野等[19]的研究发现, 异养硝化-好氧反硝化菌SQ2接种量从1%提高到10%时, NH4+-N去除率显著提高, 这一结论是菌株培养12 h得到的, 研究者未在更长时间内监测NH4+-N去除率.黄海洪等[20]的研究发现在提高蛋白胨培养基中芽孢杆菌的接种量以后, NH4+-N第1 d的去除速率显著提高.这与本文研究结果是类似的, 提高异养硝化-好氧反硝化混合菌的接种量, 12~24 h尿素的去除率随着接种量的增大而显著提高, 但继续培养到48 h, 不同接种量的尿素去除率无明显差异.这表明, 混合菌接种量会影响混合菌完全去除尿素的时间, 但对最终尿素去除率无显著影响.这可能是因为混合菌接种量不同时, 短时间内菌株的菌密度会有较大的差异, 但是经过较长时间的培养, 由于有限的底物质量浓度, 混合菌的最终菌密度差异不大.

2.4 混合菌株DM01+YH01+YH02对尿素的去除效果

图 5显示了以柠檬酸三钠为碳源、C/N为10、pH为7、转速为130 r·min-1、温度为30℃和接种量为1%时, 尿素、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、COD质量浓度和D600的变化.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为3.0×107 CFU·L-1.如图 5所示, 200.0 mg·L-1尿素在24 h即可得到高效降解, 尿素和TN的去除率为91.8%和65.5%. D600值在24 h即达到较大值, 说明混合菌在200.0 mg·L-1尿素废水中生长繁殖能力较强. NH4+-N在24 h达到峰值质量浓度22.2 mg·L-1, NO3--N在36 h达到峰值质量浓度为24.5 mg·L-1, 在48 h时NH4+-N和NO3--N的质量浓度分别降低到4.0 mg·L-1和3.3 mg·L-1.而且在尿素去除的整个过程中几乎无NO2--N积累.

黄海洪等[20]运用1株芽孢杆菌处理尿素废水时, 发现菌株首先通过氨化作用利用尿素, 从而避免了NH4+-N的大量积累.这可能是混合菌处理尿素过程NH4+-N峰值较低的原因. Choi等[21]在超纯水生产系统中, 用紫外线照射过硫酸盐去除尿素, 此方法尿素去除率虽然可以达到90.0%, 但是在出水中可以检测到硝酸盐和硫酸盐, 这显然是对环境有害的, 而且此方法需要额外添加过硫酸盐, 较不经济, 仅适合小规模处理尿素废水.本研究中异养硝化-好氧反硝化混合菌DM01+YH01+YH02, 不仅可以高效去除废水中尿素, 且几乎无污染副产物产生, 在实际大规模尿素废水处理中能够有较好地应用.

2.5 重金属离子对混合菌DM01+YH01+YH02去除尿素的影响

图 6图 7显示了以柠檬酸三钠为碳源、C/N为10、pH为7、转速为130 r·min-1、温度为30℃和接种量为1%时, Ni2+(0、2.0、5.0和10.0 mg·L-1)、Cd2+(0、0.5、1.5、2.0和2.5 mg·L-1)、Cu2+(0、0.5、2.5和5.0 mg·L-1)、Zn2+(0、10.0、25.0和50.0 mg·L-1)和Fe2+(0、5.0、10.0、20.0和50.0 mg·L-1)对尿素、TN和D600的影响.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.8×107 CFU·L-1.

图 6 重金属离子对尿素和TN的影响 Fig. 6 Effect of heavy metals on urea and TN

图 7 重金属离子对D600的影响 Fig. 7 Effects of heavy metals on D600

2.5.1 Ni2+对尿素去除的影响

图 6图 7可知, 当Ni2+质量浓度在0~10.0 mg·L-1时, 混合菌对于尿素和TN的去除效率以及D600随离子质量浓度的升高而降低.当Ni2+质量浓度为10.0 mg·L-1时, 与不含Ni2+相比, 混合菌对尿素和TN的去除效率减少了24.3%和19.5%, D600减少了1.0左右.这说明Ni2+会通过抑制菌株的生长来影响混合菌对尿素的去除效果. He等[22]的研究显示8.0 mg·L-1 Ni2+会造成异养硝化-好氧反硝化菌Y-10对NH4+-N的去除完全停止. Zhang等[23]的研究显示Ni2+质量浓度在20.0~80.0 mg·L-1时, Ni2+对异养硝化-好氧反硝化菌ZN1的抑制作用随Ni2+质量浓度增加而增强.随着Ni2+质量浓度从20.0 mg·L-1增加到80.0 mg·L-1, NH4+-N去除率从71.3%下降到31.5%. Yang等[24]的研究显示, 1.0 mg·L-1的Ni2+使异养硝化-好氧反硝化菌株JR1的NH4+-N去除率轻微降低, 而5.0 mg·L-1 Ni2+会造成去除率显著降低, 10.0 mg·L-1 Ni2+则会造成NH4+-N去除过程完全停止.显然Ni2+会抑制异养硝化-好氧反硝化菌的异养硝化效率, 但不同菌株对Ni2+的耐受范围是不同的.

2.5.2 Cd2+对尿素去除的影响

图 6图 7可知, 当Cd2+质量浓度在0~2.5 mg·L-1时, 混合菌对于尿素和TN的去除效率以及D600随离子质量浓度的升高而降低.当Cd2+质量浓度升高至2.5 mg·L-1时, 与不含Cd2+相比, 混合菌对于尿素和TN的去除率减少了21.0%和19.5%, D600减少了1.1.混合菌D600的显著下降显示了Cd2+会抑制混合菌的生长, 从而影响了混合菌对尿素的去除效果.潘民强等[25]的研究发现, 0.1~0.5 mg·L-1的Cd2+对生物脱氮除磷影响不明显, 2.0 mg·L-1的Cd2+对生物脱氮除磷影响比较明显, 生物反应器脱氮除磷效率显著低于空白组.马永鹏等[26]的研究发现在膜生物反应器中加入1.0 mg·L-1 Cd2+后, 好氧氨氧化菌的活性受到明显抑制, NH4+-N和TN去除率明显下降.

2.5.3 Cu2+对尿素去除的影响

图 67可知, 尿素废水中Cu2+质量浓度在0~0.5 mg·L-1时, Cu2+对混合菌去除尿素几乎无影响.随Cu2+质量浓度的增加, 混合菌对尿素的去除效率降低. Cu2+质量浓度为5.0 mg·L-1时, 与不含Cu2+相比, 混合菌对尿素和TN的去除效率分别减少了19.9%和35.3%, D600减少了1.0. Lu等[27]的研究发现0.6 mg·L-1 Cu2+对异养硝化-好氧反硝化菌株YF1的好氧反硝化效率几乎无影响, 而Cu2+质量浓度升高至3.2 mg·L-1和6.4 mg·L-1时, 副球菌YF1的好氧反硝化效率, 与不含Cu2+时相比, 降低了31.1%和83.5%. Yang等[24]的研究发现, 1.0 mg·L-1 Cu2+对异养硝化-好氧反硝化菌株JR1的NH4+-N去除率无显著影响, 而5.0 mg·L-1 Cu2+会造成去除率低于10.0%.

2.5.4 Zn2+对尿素去除的影响

图 6可知, 尿素废水中Zn2+质量浓度为10.0、25.0和50.0 mg·L-1时, 与Zn2+质量浓度为0时相比, 混合菌对尿素的去除率分别减少了2.0%、15.6%和16.7%, 混合菌对TN的去除率分别减少了13.4%、27.9%和20.4%.值得注意的是, 由图 7可知, Zn2+质量浓度为10.0 mg·L-1和25.0 mg·L-1时, D600无显著变化, 说明一定量的Zn2+不会影响微生物生长, 但可能会影响菌株的脱氮酶活性, 进而影响到尿素的去除. Wang等[28]的研究显示32.5 mg·L-1的Zn2+, 好氧硝化细菌WY-01对NH4+-N的去除率会有显著地下降. Sun等[29]的研究发现10.0 mg·L-1的Zn2+对异养硝化-好氧反硝化菌株S1的硝化效率几乎无影响, 即使Zn2+质量浓度达到20.0 mg·L-1时, 菌株S1的硝化效率仍有97.4%.

2.5.5 Fe2+对尿素去除的影响

图 6可知, 当尿素废水中Fe2+质量浓度在0~50.0 mg·L-1范围内时, 混合菌对于尿素去除率都可以达到90.0%以上.当尿素废水中Fe2+质量浓度在0~20.0 mg·L-1时, 混合菌对于尿素去除率随Fe2+质量浓度升高而升高.当Fe2+质量浓度为20.0 mg·L-1时, 与不含Fe2+对比, 尿素和TN去除率分别提高了2.3%和8.6%.当Fe2+质量浓度继续升高时, 尿素和TN去除率稍有下降.由图 7可知, 实验结果显示了 < 20.0 mg·L-1的Fe2+离子可以促进混合菌的生长, 从而提高对尿素的去除率. Rajta等[30]的研究也提出, 在28.0 mg·L-1 Fe2+存在下, 异养好氧硝化细菌地衣芽孢杆菌增加了NH4+-N和NO3--N的利用. Zhao等[31]的研究发现10.0 mg·L-1 Fe2+轻微提高了粪产碱杆菌NR在异养条件下对NH4+-N的去除率.

2.6 盐度对混合菌去除尿素的影响

图 8显示了以柠檬酸三钠为碳源、C/N为10、pH为7、转速为130 r·min-1、温度为30℃和接种量为1%时, 盐度(0、10.0、20.0、30.0和40.0 mg·L-1)对尿素、TN和D600的影响.混合菌液经平板菌落计数确定活菌数约为2.7×107 CFU·L-1.从图 8可知, 尿素废水中盐度小于10.0 mg·L-1时, 对混合菌降解尿素、TN和菌株的生长均无显著影响, 尿素和TN的去除率分别为94.2%和68.0%, D600为2.0.当废水中盐度继续升高, 混合菌对尿素和TN的去除率均会下降, 同时菌株的生长明显受到抑制.尿素废水中盐度为40.0 mg·L-1时, 混合菌对尿素和TN的去除率仅为67.0%和39.0%, 与盐度为0时相比, 下降了24.5%和30.1%.可见过高的盐度会抑制混合菌的生长, 从而影响对尿素的去除. Chen等[32]的研究中显示异养硝化-好氧反硝化菌株HN-02在0~10.0 g·L-1盐度下具有较高的NH4+-N去除率.这一结论是在NH4+-N初始质量浓度为25.0 mg·L-1时得到的.本研究中尿素初始质量浓度为200.0 mg·L-1, 异养硝化-好氧反硝化混合菌对尿素的去除在>10.0 mg·L-1盐度环境下受到抑制可能与初始氮质量浓度高有关.

图 8 盐度对尿素、TN和D600的影响 Fig. 8 Effects of salinity on urea, TN, and D600

3 结论

(1) 异养硝化-好氧反硝化混合菌DM01+YH01+YH02可以高效去除高质量浓度尿素废水中的尿素.在200.0 mg·L-1的尿素废水中, 当碳源为柠檬酸三钠、C/N为10、pH为7、转速为130 r·min-1和温度为30℃的条件下, 尿素在24 h可以得到高效降解, 混合菌对尿素和TN的去除率分别为91.8%和67.4%.

(2) Ni2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+均会抑制混合菌DM01+YH01+YH02对废水中尿素和TN的去除, 影响能力的大小顺序为Cd2+>Cu2+>Ni2+>Zn2+.尿素废水中 < 20.0 mg·L-1的Fe2+可促进混合菌对于尿素和TN的去除.

(3) 异养硝化-好氧反硝化混合菌DM01+YH01+YH02在高质量浓度尿素废水中耐盐性较差.盐度>10.0 mg·L-1时, 混合菌对尿素的去除会明显受到抑制.

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