CN109351177A - 一种以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，属于污染物的生物处理技术领域。本发明所述微生物脱硝方法为：利用浓度为30‑50mM的Fe(Ⅱ)EDTA‑NO来抑制氧化亚氮还原酶的活性，使反应产物停留在氧化亚氮阶段。本发明利用反硝化细菌将Fe(Ⅱ)EDTA‑NO中的NO进行脱除，与相应的物理化学方法相比，本发明所述方法的NO脱除效率较高、操作简单、节约能源、无二次污染，且理论上Fe(Ⅱ)EDTA可以重复使用。

Description

一种以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法
技术领域
本发明涉及一种以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，属于污染物的生物处理技术领域。
背景技术
氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一，其不仅危害着动植物的生长，还引起了包括光化学烟雾、酸雨、臭氧层破坏等一系列的环境问题，给生态环境和人类健康带来了严重的危害。
工业废气是NOx的一种重要人为来源，对于这种固定源的NOx，可以通过相应的物理、化学和生物技术进行去除，其中最为常用的物理化学技术是选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)技术和选择性非催化还原(selectivenoncatalytic reduction,SNCR)技术。SCR技术通过催化剂在相对较低的温度和氧气存在的条件下，添加氨(NH3)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)、小分子烷烃等作为还原剂将NO还原为氮气(N2)，应用该技术NOx的去除率能够达到85％以上。SNCR技术是另一类主要的NOx去除技术，是在高温条件下(800-1000℃)，添加NH3或者尿素作为还原剂，将NO还原为N2的过程。与SCR技术相比，SNCR技术操作简单，无需添加催化剂，但是其去除率相对较低，在35-70％之间。与物理化学脱硝技术相比，生物法脱除NOx具有工艺和设备简单、能源消耗低、二次污染物少等优点，受到了人们的广泛关注。
目前，用于脱除NOx的生物技术主要包括生物滤床、生物滴滤池和生物转鼓等，但在这些技术中，水中溶解的NO浓度较低，不易于被微生物所利用，可以利用Fe(Ⅱ)EDTA作为吸收剂，络合气体中的NO，再由反硝化细菌将其还原为N2，其相应的去除率可达80％以上。综上所述，现有的NOx脱除技术虽然在设备、操作和去除率等方面有所不同，但其本质都是将NOx进行无害化处理，转化为N2后排放到大气中，这些技术虽然有较高的NOx转化率，但是他们均忽视了NOx中所蕴含的能量，并没有将其以资源的形式回收利用。
一氧化二氮(N2O)，俗称笑气，是氮氧化物中的一种。常温下，N2O的性质稳定，无色有甜味，具有轻微的麻醉作用，可作为医用麻醉剂。高温下，N2O可分解为氮气和氧气，并释放出82kJ/mol的能量，可作为改装车辆的氮氧加速系统的主要成分，提高引擎燃烧率，增加速度。于此同时，N2O还可以作为火箭的氧化剂，与其他氧化剂相比，其具有无毒、室温下稳定、易于存储和相对安全的优点。由此可见，一氧化二氮与甲烷(CH4)类似，当其占产物比例较低时是一种温室气体污染环境，当其为产物的主要成分时，是一种宝贵的资源，可以将其收集、利用。
反硝化生物脱氮工艺(denitrification process)是一种传统的废水生物脱氮工艺，即在缺氧/厌氧条件下由反硝化细菌将硝酸盐氮(NO3 --N)或亚硝酸盐氮(NO2 --N)转化为N2的过程。具体而言，首先由硝酸还原酶(Nitrate reductase,NAR)将NO3 -还原为NO2 -，而后由亚硝酸还原酶(Nitric oxide reductase,NIR)将NO2 -还原为NO，之后由一氧化氮还原酶(Nitric oxide reductase,NOR)将NO还原为N2O，最后由氧化亚氮还原酶(Nitrous oxidereductase,N2OR)将N2O还原为N2，实现了无害化处理。
发明内容
通过反硝化污泥以生物方法脱除NO，是利用反硝化工艺最后两个中间反应，如果能抑制氧化亚氮还原酶的活性，使反应停留在最后一个中间反应之前，便可得到大量的中间产物N2O，本发明建立了一种新的微生物脱除NO方法，不仅能够消除NOx对于环境的危害，还能进一步以N2O形态实现了NOx的资源化回收利用，避免了潜在的资源浪费。
本发明提供了一种以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，所述微生物脱硝方法为：利用浓度为30-50mM的Fe(Ⅱ)EDTA-NO来抑制氧化亚氮还原酶的活性，使反应产物停留在氧化亚氮阶段。
本发明优选为所述微生物脱硝方法包括如下步骤：①通过Fe(Ⅱ)EDTA络合烟气中的NO，制备Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液；②向步骤①所得Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液中加入葡萄糖和其他营养物质，并调节Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液的pH值，使其能够被反硝化污泥所利用；③通过蠕动泵将步骤②所得Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液加入到含有反硝化污泥的反应器中，收集反应产生的气体。
本发明优选为所述葡萄糖的添加量为C/N比0.8g-1.2g COD/1g N。
本发明优选为所述其他营养物质为25mg/L KH2PO4、1250mg/L KHCO3、300mg/LCaCl2·H2O、200mg/L MgSO4·7H2O、62.5mg/L FeSO4、62.5mg/L乙二胺四乙酸和1mL/L的微量元素。
本发明优选为调节所述Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液的pH值为6.5-7.5。
本发明优选为所述反硝化污泥可以脱除Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液中的NO，并以氧化亚氮为主要产物。
本发明优选为所述反应温度为28-38℃，水力停留时间为10-12h。
本发明有益效果为：
本发明利用Fe(Ⅱ)EDTA络合烟气中的NO，可以快速有效地将烟气中的NO转化为液相中较高浓度的Fe(Ⅱ)EDTA-NO，便于微生物的利用；
本发明利用反硝化细菌将Fe(Ⅱ)EDTA-NO中的NO进行脱除，与相应的物理化学方法相比，本发明所述方法的NO脱除效率较高、操作简单、节约能源、无二次污染，且理论上Fe(Ⅱ)EDTA可以重复使用；
本发明的主要产物除N2还有N2O，且产生N2O的产量要高于N2的产量，可将此含有大量N2O的混合气体，以资源的形式回收利用，实现了废物的资源化。
附图说明
本发明附图3幅，
图1为实施例4中不同浓度Fe(Ⅱ)EDTA-NO实验检测N2(A)、N2O(B)和总气体(C)的情况；
图2为实施例5中检测Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度(A)、N2和N2O组分(B)的情况；
图3为实施例6中检测一氧化氮还原酶(A)、氧化亚氮还原酶(B)的情况。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
反硝化污泥的制备：
将取自大连凌水河污水处理厂的厌氧污泥在容积为4L的圆柱反应器中进行培养，以增加厌氧污泥中反硝化细菌的数量和所占比例，反应器的水力停留时间为8-12h，培养时间＞6个月，反应器进水的营养液中NO3 --N浓度为150-200mg/L，添加葡萄糖作为唯一的电子供体，使C/N比为6g COD/1g N，营养液中其他成分为：25mg/L KH2PO4、1250mg/L KHCO3、300mg/L CaCl2·H2O、200mg/L MgSO4·7H2O、62.5mg/L FeSO4、62.5mg/L乙二胺四乙酸和1mL/L的微量元素。
实施例2
Fe(Ⅱ)EDTA-NO的制备：
取1L实施例1所述不含NO3 --N和葡萄糖的营养液，向其通入纯度为99.9999％的氮气10min，以除去营养液中的氧气，在厌氧培养箱中，将除氧后营养液与13.901g的FeSO4·7H2O和16.81g的乙二胺四乙酸二钠混合均匀，向上述溶液中通入2％NO和98％N2的混合气体4h，络合混合气体中NO，得到50mM的Fe(Ⅱ)EDTA-NO。
实施例3
反硝化污泥中酶的粗提取：
将实施例1制备的反硝化污泥在4℃、8000rpm条件下离心，取2g离心后反硝化污泥，先用磷酸盐缓冲液冲洗3次，再用30mL磷酸盐缓冲液重悬反硝化污泥，取30mL反硝化污泥悬浮液，在4℃下超声破碎60min，得到浑浊液体，并将浑浊液体在4℃、22000rpm条件下离心20min，收集上清液得到酶的粗提取液，酶中蛋白质的含量通过bradford法进行检测，以牛血清蛋白为基准物。
实施例4
反硝化污泥对不同浓度络合态NO的去除效果及产生N2O的情况：
不同浓度Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液的制备：
在5个厌氧培养瓶中分别添加16(1号厌氧培养瓶)、32(2号厌氧培养瓶)、48(3号厌氧培养瓶)、64(4号厌氧培养瓶)和80mL(5号厌氧培养瓶)实施例2制备的Fe(Ⅱ)EDTA-NO，再在5个厌氧培养瓶中分别添加实施例1所述不含NO3 --N和葡萄糖的营养液定容至80mL，然后在5个厌氧培养瓶中分别加入葡萄糖，使得每个厌氧培养瓶中的C/N比为1g COD/1g N，调节每个厌氧培养瓶的pH至7.0；
反应体系的构建：
将实施例1制备的反硝化污泥离心，并用磷酸盐缓冲液冲洗3次，取上述反硝化污泥1g(MLVSS为512mg/L)分别添加到5个厌氧培养瓶中，并在每个厌氧培养瓶中通入99.9999％的氦气10min，以除去厌氧培养瓶中的氮气和氧气；
批试实验：
将上述5个厌氧培养瓶在35℃、150rpm条件下摇床培养，去除溶液中的Fe(Ⅱ)EDTA-NO，由于每个厌氧培养瓶中Fe(Ⅱ)EDTA-NO的浓度不同，所需的反应周期也不同，所以每个厌氧培养瓶依次每隔1(1号厌氧培养瓶)、2(2号厌氧培养瓶)、2(3号厌氧培养瓶)、3(4号厌氧培养瓶)和3h(5号厌氧培养瓶)取样，进行气体组分和Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度的检测，结果见图1；
由图1得，随着Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度提高，反硝化污泥对NO脱除效率提高，这主要是由于NO作为电子受体参与到反应当中，而当Fe(Ⅱ)EDTA-NO达到45mM时NO的脱除效率有所降低；其次，随着Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度提高，反硝化污泥更倾向于将NO转化为N2O而不是N2，尤其当Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度达到45mM时，积累N2O的峰值要大于积累N2的峰值，实现了该方法回收利用N2O的可能。
实施例5
反硝化污泥对络合态NO的长期去除效果及产生N2O的情况：
通过直径4.4cm、高12cm的圆柱UASB反应器来观察反硝化污泥对络合态NO的长期去除效果和N2O的产气效果，UASB反应器的进水由蠕动泵提供，通过水浴使UASB反应器内的温度保持在35℃，按实施例4中反应体系构建的步骤，取反硝化污泥加入到UASB反应器中，使UASB反应器中MLVSS为2050mg/L，UASB反应器运行1个月后，为保证UASB反应器的正常运行和提升处理能力，再加入更多的反硝化污泥到UASB反应器中，使UASB反应器中MLVSS达到4960mg/L，结果见图2；
由图2得，第一阶段，当进水的Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度为30mM时，进水中90％的NO被脱除，产物主要以N2为主，N2的产量为N2O的两倍；第二阶段，当进水的Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度提升至50mM时，NO脱除效率降低，但氧化亚氮还原酶的活性被抑制，产物由以N2为主过度到以N2O为主，由于第二阶段进水的Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度超过UASB反应器中反硝化污泥的处理能力；第三阶段，开始阶段在第65天时，向UASB反应器中添加反硝化污泥，使UASB反应器中MLVSS达到4960mg/L，可以看到NO脱除效率回到第一阶段水平达到90％，而由于高浓度Fe(Ⅱ)EDTA-NO的添加，氧化亚氮还原酶的活性受到抑制，气体产物中N2O的量要多于N2的量。
实施例6
气体产物组分变化原因的探究：
酶的粗提取物中一氧化氮还原酶(NOR)和氧化亚氮还原酶(N2OR)活性的探究：
将实施例4中批试实验步骤后的反硝化污泥按实施例3所述方法进行酶的粗提取，并按下述方法检测粗酶体系中NOR和N2OR活性的变化；
NOR活性的检测：
根据实施例2所述方法制备Fe(Ⅱ)EDTA-NO母液，以Fe(Ⅱ)EDTA-NO中NO作为电子受体，甲基紫精作为电子供体，并连同连二亚硫酸钠一同加入到磷酸盐缓冲液中，构成反应体系，利用紫外/可见分光光度计，在450nm的波长下测定体系中NO含量的减少，以μM NOreduced/min/mg protein作为单位进行一氧化氮还原酶活性的表征；
N2OR活性的检测：
在超纯水中通入氧化亚氮气体，制备饱和的氧化亚氮溶液，以氧化亚氮作为电子受体，甲基紫精作为电子供体，并连同连二亚硫酸钠一同加入到磷酸盐缓冲液中，构成反应体系，利用紫外/可见分光光度计，在600nm的波长下测定体系中氧化亚氮含量的减少，以μMN2O reduced/min/mg protein作为单位进行氧化亚氮还原酶活性的表征；
由图3得，随着Fe(Ⅱ)EDTA-NO浓度的增加，NOR的活性增加，而N2OR的活性得到抑制。

Claims (7)

1.一种以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：所述微生物脱硝方法为：利用浓度为30-50mM的Fe(Ⅱ)EDTA-NO来抑制氧化亚氮还原酶的活性，使反应产物停留在氧化亚氮阶段。
2.根据权利要求1所述以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：所述微生物脱硝方法包括如下步骤：
①通过Fe(Ⅱ)EDTA络合烟气中的NO，制备Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液；
②向步骤①所得Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液中加入葡萄糖和其他营养物质，并调节Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液的pH值，使其能够被反硝化污泥所利用；
③通过蠕动泵将步骤②所得Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液加入到含有反硝化污泥的反应器中，收集反应产生的气体。
3.根据权利要求2所述以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：所述葡萄糖的添加量为C/N比0.8g-1.2g COD/1g N。
4.根据权利要求3所述以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：所述其他营养物质为25mg/L KH2PO4、1250mg/L KHCO3、300mg/L CaCl2·H2O、200mg/L MgSO4·7H2O、62.5mg/L FeSO4、62.5mg/L乙二胺四乙酸和1mL/L的微量元素。
5.根据权利要求4所述以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：调节所述Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液的pH值为6.5-7.5。
6.根据权利要求5所述以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：所述反硝化污泥可以脱除Fe(Ⅱ)EDTA-NO溶液中的NO，并以氧化亚氮为主要产物。
7.根据权利要求6所述以氧化亚氮为主要产物的微生物脱硝方法，其特征在于：所述反应温度为28-38℃，水力停留时间为10-12h。
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