養殖廢水脫氮處理新技術介紹和設備說明

對于某些微生物存在的生長周期長、細胞產率低、降解物質速率慢等問題，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，經過沉降作用容易停留在反應器內，可以將其作為一種特殊形式的生物膜。微生物的數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揮，另外顆粒污泥中有豐富的微生物群，構成了的代謝網，在很好地保護微生物的同時，也為生物反應器的運行提供了重要基礎條件，這個作用是任何微生物個體都不能單獨產生的〔18, 19, 20〕。方芳等〔21〕成功地在 SBR 反應器中對好氧污泥實現了顆粒化處理，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 馴化得到的好養顆粒污泥對石化廢水具有良好的降解性能，結合共代謝作用，發現好氧顆粒污泥相對其他形態的微生物在處理石化廢水上具有更好的效果。

3.2 生長基質的選擇
 
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酶誘導理論中指出，關鍵酶的誘導合成是生長基質與操作子以及抑制子之間的相互作用，并通過開啟mRNA 來實現的〔23, 24〕。張錫輝等〔25〕推導建立了綜合性數學模型，該模型以關鍵酶為中心，利用非專一性關鍵酶的產生以及在反應中的作用表示共代謝的整個過程，其過程用反應式表達如下：

關鍵酶的誘導合成：→E

生長基質的利用：E+S→E+PS

非生長基質的共代謝：E+C→E+PC

關鍵酶的毒性抑制：E+PC→E’

關鍵酶的修復：E’→E

關鍵酶的自然老化降解：E→

其中，E 代表關鍵酶，S 代表生長基質，C 代表非生長基質，PS 代表生長基質與關鍵酶反應的產物，PC 代表非生長基質與關鍵酶反應的產物，E’代表受毒性抑制而失活的關鍵酶。

微生物在生長基質的誘導下所產生的關鍵酶，在整個共代謝反應過程中會起到十分重要的作用，因此選擇合適的生長基質直接決定關鍵酶的產生，zui終決定整個反應是否能進行，即目標污染物能否得到降解或能否發生結構上的轉變。

選擇生長基質的方法主要有兩種，一是選擇易降解的物質作為生長基質。這主要是由于目標污染物（非生長基質）大多數是難降解物質，當只存在目標污染物時，整個反應系統容易出現營養物質不足，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，為微生物生長提供營養來提高反應體系中微生物的活性，進而提高共代謝的處理效果。但不同易降解物質對共代謝的促進作用也不盡相同。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，結果發現添加共代謝基質后，四氯乙烯的降解速率均會加快，其中添加乳酸鹽后體系的降解速率增加zui多，乳酸鹽被認為是該反應中zui合適的共代謝基質。

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二是根據非生長基質的結構特點來選擇。當某種物質與目標污染物的分子骨架結構類似時，將這種物質作為生長基質，可能會誘導微生物產生非專一性關鍵酶。因此在某些情況下可選擇非生長基質的類似物或非生長基質的中間代謝產物作為生長基質來達到誘導微生物產生關鍵酶，對目標污染物進行降解。任大軍等〔27〕研究發現，由于苯酚、喹啉與吲哚在結構上部分相似，都有—OH 或—NH2 基團，在降解吲哚時以苯酚和喹啉作為生長基質，可以增加白腐菌的漆酶產量，進而提高吲哚的降解率。

3.3 生長基質與非生長基質的投加比
 
微生物在生長基質誘導下產生的關鍵酶是整個共代謝反應所必需的，微生物只有在消耗生長基質的同時才能對非生長基質進行降解，因此，生長基質和非生長基質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，控制好生長基質和非生長基質的投加比同樣重要。

R. E. Speece 〔28〕通過研究發現，當生長基質和非生長基質之間有抑制作用時，如許多由雙氧酶和單氧酶催化的反應就很可能存在競爭性抑制作用。此時可以用具有競爭作用的酶動力學來描述共代謝作用的動力學〔29〕。當共代謝基質作為抑制物時，可以這樣表示生長基質的利用情況：

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

S———基質質量濃度，mg/L；

X———細胞質量濃度，mg/L；

I———抑制劑質量濃度，mg/L；

Ki———抑制系數，mg/L；

KS———半飽和系數，mg/L；

Kmax———比基質利用速率，g/（g·d）。

從模型中可以看出，隨著生長基質濃度和非生長基質濃度發生變化，生長基質的實際利用速率與zui大反應速率也相應發生變化。因此，共代謝化合物的利用速率必須通過維持適當的生長基質濃度來達到優化〔30, 31, 32, 33〕。I. M. Rivas 等〔34〕在用苯作為降解噻吩的生長基質時發現，當體系中存在較高濃度的苯時，會誘導微生物產生較高濃度的關鍵酶，從而使噻吩的降解速率提高。M. H. Kim 等〔35〕報道了一株不動桿菌在以苯為碳源的情況下降解3-氯苯酚和4-氯苯酚，發現底物中苯和3-氯苯酚、4-氯苯酚的比例是決定污染物是否*降解的關鍵性因素。