好氧反硝化技术处理水产养殖废水研究进展

水产养殖过程中部分饲料在鱼类消化、吸收等代谢过程中转化为氨氮排泄到养殖环境，产生的残饲、粪便也会在微生物作用下矿化为氨，进而转化成亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。循环水养殖过程中的生物过滤环节可以将水体中毒性较高的氨氮和亚硝酸盐氮转化成毒性较低的硝酸盐氮，引起水体中的硝酸盐积累，其质量浓度可达100mg/L以上，甚至是500mg/L以上。研究表明，硝酸盐氮对于养殖对象的毒害作用比同质量浓度的氨氮和亚硝酸盐氮要低，但高质量浓度的硝酸盐氮仍会导致鱼类生长缓慢，存活率降低，免疫力下降。含有高质量浓度硝酸盐氮养殖废水的排放，是自然环境水体富营养化的重要原因之一，因而应将循环水养殖系统中硝酸盐氮的质量浓度控制在合理范围内。

生物脱氮技术是目前处理水产养殖废水的有效方式之一。实际生产中，养殖水体中的溶氧一般保持在4～8mg /L。而传统反硝化理论认为氧气的存在会抑制反硝化酶活性，只有在缺氧或兼性厌氧的条件下反硝化酶才具有活性，生物反硝化过程才能进行。20世纪80年代，Ｒobertson等报道了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶系的存在，为水产养殖在有氧条件下去除硝酸盐提供了一种崭新的思路。近年来，随着对生物脱氮研究的深入，好氧反硝化细菌的研究日益增多，但在水产养殖废水处理方面应用研究较少。

本文介绍了好氧反硝化细菌的作用机理，分析了好氧反硝化细菌的影响因素，重点介绍了好氧反硝化细菌在水产养殖废水处理中的应用现状，指出存在的问题并对其前景进行展望，以期为水产养殖废水反硝化的应用和推广提供理论参考。

1 好氧反硝化作用机理探讨

近年来，不同学者对于好氧反硝化作用机理存在不同的观点，本文从微环境、生物化学和微生物3个方面对近几年国内外学者所做的一些研究成果进行阐述。

1．1 微环境理论

微环境理论主要侧重于从物理角度阐述好氧反硝化作用机理，认为由于氧气的扩散作用，微生物絮体内部或者生物膜表面会产生溶氧的质量浓度梯度，即微生物絮体表面溶氧的质量浓度较高，好氧硝化细菌发生反应，当深入絮体内部时，氧气的传递受到阻碍，其微环境为缺氧区，厌氧反硝化反应占据优势地位。当微生物反应池内溶氧质量浓度不高时，会使缺氧环境的比例有所升高，有利于反硝化作用的进行。实际生产中，由于外部环境多变，微生物群落复杂以及电子传递不均匀等因素，使得在微生物絮体内或者生物膜表面产生多种微环境。

1．2 生物化学机理

生物化学机理认为在反硝化过程中，硝酸盐被还原导致总氮的损失，其反应过程为: NO－3—NO－2—NO—N2O—N2。在这个反应过程中，产生的3 种气体( NO、N2O 和 N2 )溢出使总氮质量浓度降低，此过程中，以NO和N2O形式去除的氮量约占10%。Hong等发现如果C /N 较低，溶氧较低，都能导致N2O释放量增大，反硝化中N2O的最大积累量可达到总氮去除率的50%～80% ，构成了好氧条件下总氮损失的一部分，然而这部分不是反硝化脱氮，但往往将其归功于反硝化作用，因此生物化学机理和微环境理论都认为在有氧条件下的反硝化仍是传统意义的缺氧反硝化。

1． 3 微生物理论

1．3．1 协同呼吸理论

协同呼吸理论认为，在好氧反硝化过程中，硝酸盐和氧气均可作为电子受体参与反应，细胞色素c和细胞色素 aa3之间电子传输过程中的“瓶颈”可被克服，因而电子流就可以同时传输给反硝化酶和氧气，故反硝化就可以在好氧环境中发生( 图 1)。Huang 等也认为，氧气和硝酸盐氮同时存在时，反硝化作为辅助电子传递途径，是对有氧呼吸的补充，可防止烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸( NADP) 的大量积累。此外，细胞色素的氧化还原水平会控制电子流向不同的细胞色素，以确定电子是否能够发生反硝化。Wilson等提出的好氧反硝 化过程中电子传递见图 1，反硝化细菌可以将电子从被还原的物质传递给 O2，同时也可通过硝酸盐还原酶将电子传递给硝酸根。

1． 3． 2 好氧反硝化酶作用

好氧反硝化被认为是一个涉及4种酶，即硝酸盐还原酶( Nar) 、亚硝酸盐还原酶( Nir) 、一氧化氮还原酶( Nor) 和一氧化二氮还原酶( Nos) 的4 步复杂生化还原反应。从好氧反硝化酶系角度阐述好氧反硝化机理开始于对泛养硫球Thiosphaera pantotropha(现更名为脱氮副球菌Paracoccus denitrifications )的研究，在 T．pantotropha 内包含着膜内硝酸盐还原酶( Nar) 和周质硝酸盐还原酶( Nap) ，在好氧条件下，Nap优先被还原，而在厌氧条件下，Nap的活性被抑制，Nar活跃，被优先利用。Bell等利用 Nar 对含氮化合物在不同条件下敏感性进行试验，发现在厌氧环境下，90% 的Nar 活性被抑制，而在好氧的环境下，好氧生长细胞被抑制了25% 。Nir 主要有2种，一种是人们熟知的细胞色素cd1，由 Nirs基因编码; 另一种是 Nir，位于外周胞质，是一种可溶性含铜酶，由 Nirk 基因编码。刘兴等研究铜绿假单胞菌 YY24 发现，该菌存在膜结合 Nar，Nir 类型为细胞色素cd1型Nir。Nos已在P．stutzeri、P．denitrifications 等细菌中分离提纯，其部分特征已被确定由 Nor CB 基因编码。好氧反硝化菌的 Nos 是一种含铜蛋白，位于膜外周质中。Bell 等认为，在氧气存在条件下脱氮副球菌细胞 Nos 具有活性，且能将NO、N2O 两种气体同时还原。硝酸盐降解过程是因为好氧反硝化菌菌体内依次产生 Nar，Nir，Nor和Nos，最终生成氮气。

2 好氧反硝化影响因素

影响好氧反硝化反应的因素有碳氮 比( C /N) 、溶氧( DO) 、碳源、温度、pH 等，但不同的菌株种类、好氧反硝化反应器结构以及环境调控措施使得它们的影响能力各不相同。近几年的研究表明，在水产养殖废水处理中，反硝化主要受碳源、溶氧和碳氮比等因素的影响。

2． 1 碳源

碳源是细菌生长过程中必不可少的能量来源，碳源越充足，好氧反硝化速率越快，总氮去除率也越高。孙庆花等从海洋沉积物中分离出一株好氧反硝化细菌，即克雷伯氏菌Klebsiella sp．，发现以柠檬酸三钠为碳源时，硝酸盐氮的去除率为 90．27% ，且无亚硝酸盐氮积累。Hamlin 等利用甲醇、乙酸、葡萄糖、水解的淀粉作为反硝化的碳源对西伯利亚鲟鱼养殖水体进行净化试验，发现 4 种碳源均能有效地将硝酸盐氮质量浓度从11～ 57 mg /L 降至接近 0 的质量浓度，在不考虑碳源限制的条件下，每天最大的反硝化率为670 ～680 g /m3。白洁等从胶州湾沉积物中分离出1 株异养硝化—好氧反硝化菌株Zobellella sp B307，在最优条件下考察其在单一和混合氮源中的脱氮效果，发现最佳碳源为丁二酸钠，在最佳条件下对氨氮和硝酸盐氮的去除率分别达到97．67% 和94．39% 。Duan 等研究发现好氧反硝化细菌 Vibrio diabolicus SF16 的最佳碳源为乙酸钠。Bernat 等利用活性污泥处理无碳源废水，脱氮率为 1．54 mg /L，而处理投加醋酸钠的废水，脱氮率达到22．50 mg /L，说明好氧反硝化细菌外源呼吸比内源呼吸效率高。可见好氧反硝化细菌最适宜的碳源不尽相同，这是由于碳源结构及分子量的差异导致菌株生长和脱氮效果的不同。

2． 2 溶氧

溶氧通过抑制反硝化酶的合成、活性或者与硝酸盐竞争电子供体等途径影响好氧反硝化反应进程，对细菌的反硝化性能至关重要。邵晴等分离的好养反硝化细菌 A1，在溶氧为5 mg /L时，对亚硝酸盐的去除率高达 99% ，且反硝化主要发生在菌种生长的对数期。Huang等认为溶氧是细菌进行好氧反硝化的关键因素，当溶氧为5 mg /L 时，好氧反硝化细菌Citrobacter diversus 的反硝化速率最高，溶氧的升高和降低都会造成好氧反硝化速率的下降，原因可能是溶氧在阈值以上时氧气对于反硝化酶有抑制作用。溶氧阈值是区分厌氧反硝化与好氧反硝化的主要标志之一，该值越高，表明菌株对氧的耐受能力越强，即在高溶氧条件下仍表现出良好的反硝化能力。

2． 3 碳氮比

水产养殖废水通常是贫营养环境，所以需要额外添加碳源，因而碳氮比( C /N) 在反硝化过程中起着重要作用。好氧反硝化的效率随 C /N 的增加而提高，C /N 的降低会减少反硝化基因表达，没有足够的碳源来合成反硝化酶，影响菌体生长以及硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的去除。Guo等对好养反硝化细菌 HNＲ 进行正交实验表明，在 C /N为 13 时具有最大反硝化率。降低碳氮比，会使反硝化反应过程不完全，导致水体中硝酸盐氮的积累。Van等以乙酸为反硝化碳源实验时发现，当 C /N为 2∶1 或 3∶1 时，亚硝酸盐氮完全还原成气体，而当C /N 下降为 1∶1 时，仅有 50% 硝酸盐氮被还原。除此之外，也有研究发现，某些特定的菌株，其 C /N 的变化范围较小，在最佳 C /N 值时能够诱导菌株释放足够的反硝化酶，继续增加碳源，其反硝化活性不会增加。梁书城通过改变碳源质量浓度调整 C /N 分别为 5、10、15、20，发现在碳源充足的前提下，DL-23菌株的反硝化能力在 C /N 10 到 15 之间均表现出了相似的脱氮效果，继续增加碳源，硝酸盐氮去除能力并未增强。

3 好氧反硝化反应器处理养殖废水应用

随着研究的深入，许多学者通过建立各种好氧反硝化反应器开展对好氧反硝化的研究，脱氮效果显著。郝兵兵等利用膜生物反应器处理水产养殖废水，分离纯化出一株好养反硝化菌F28，处理2d 后，NO－3 -N 和 NH +4 -N 的质量浓度由最初的77．1 mg /L、46．3 mg /L 分别降至7．4 mg /L、1．59 mg /L，去除率分别为90．4% 、96. 6% ，养殖废水中的 COD 去除率为33．7% 。Furukawa 等研究了海洋水族馆中的上流悬挂海绵—下流污泥层反应器( DHS－USB) ，研究发现 C /N 为 1．2 时该反应器反硝化率最佳，硝酸盐氮的质量浓度保持在 3 mg /L 以下，总氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度低于 0．1 mg /L。微生物群落分析表明，在反应器中存在两种反硝化细菌: 好氧反硝化菌和自养型反硝化细菌。一些学者在研究好氧反硝化细菌时发现有些细菌不仅能够在好氧时进行反硝化，同时也可以进行异养硝化。汤茵琪等利用异养硝化—好氧反硝化菌与生态浮床填料结合建立的反应器，对 NH +4 -N、NO－3 -NTN的去除率分别为 54．5% 、100% 和 59．8% 。曝气和异养硝化—好氧反硝化菌的添加提高了浮床对有机物的降解，增强了其在高溶氧水平下的反硝化作用，克服了曝气生态浮床对 NO－3 -N 降解效果差的缺点。利用异养硝化—好氧反硝化细菌建立反应器，能够使硝化过程产生的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮直接作为好氧反硝化的底物，大大降低了运行成本和操作难度。

循环水养殖系统作为近年来流行的养殖方式，其系统内硝酸盐的积累可达 400 ～500 mg /L，因此许多研究者为去除循环水养殖系统中的硝酸盐氮而建立好氧反硝化反应器。Kaiser 等在封闭循环式鱼类养殖虹鳟系统中建立一种转盘式生物过滤器，通过添加可水解玉米纤维碳源来促进生物滤池内好氧反硝化细菌进行反硝化，运行118 d，硝酸盐氮由 120 mg /L 下降至 10 mg /L 后趋于稳定。Yossi 等在金头鲷( Sparus aurata) 循环水养殖系统中利用海藻酸盐凝胶微球建立移动床反应器( MBB)，以淀粉为碳源处理养殖排放污水，最大硝酸盐氮脱氮速率可达 2．7 mg /( h·L) 。

4 固定化好氧反硝化细菌处理水产养殖废水

将好氧反硝化细菌直接投加到水处理系统中，通常会因为不能成为优势菌株而被淘汰，导致脱氮性能不稳定。微生物固定化技术能够将游离的微生物固定到载体上，利用微生物自身活性和代谢功能去除有害物质。研究发现，将好氧反硝化细菌利用微生物固定化技术，能够有效去除养殖废水中的硝酸盐氮。连晋利用固定化反硝化细菌处理热带观赏鱼养殖水体中的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮时发现，虽然固定化反硝化菌对硝酸盐还原速率是游离反硝化菌的74% ，但经过 20 d的连续处理，固定化微生物的稳定性远大于游离微生物，28 d 后，游离微生物在反应器内的质量浓度几乎为零，而固定化微生物的质量浓度和活性几乎不变。林桂炽等利用固定在 PVA 凝胶膜中的同步硝化反硝化的细菌对水产养殖废水进行脱氮实验，载体内部形成的缺氧区和厌氧区，从微观环境及微生物组成条件上促使好氧条件下进行反硝化反应，将 NO－2 -N 和 NO －3 -N 还原成氮气，系统中的 NO－2 -N 的峰值质量浓度仅为传统质量浓度的40% ，说明在混合固定的体系中有部分NO－2 -N 被好氧反硝化菌直接还原成 N2。Sauthier等利用颗粒固定化反硝化技术建立好氧反硝化系统处理养殖废水，其反硝化处理能力为2．4 kg /( m3·d) ，硝酸盐氮质量浓度从60 mg /L下降至 4 mg /L，且在 C /N 为 1 时处理效果最佳。但是，细菌生长会使滤料表面堵塞，需要定期对滤料进行反冲洗。

许多学者还将好氧反硝化细菌简单组合构建成微生物制剂，相对于纯菌的处理工艺，微生物制剂的混菌降解能力增强。陈进斌等从天津某海水养殖场底泥中分离筛选 3 株具有高效好氧反硝化特性的微生物，通过正交试验确定三株菌的最适比例是 3∶2 ∶1，最适比例的菌剂组合在 12 h内对海水养殖废水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的去除率分别为60．45% 和67．44% 。杜刚等利用PVA 和 SA 固定由光合细菌、放线菌、硝化菌、好氧反硝化菌以及枯草芽孢杆菌组合成的混合菌群用于养殖污水脱氮处理，结果表明氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的去除率分别为 85．0% ，87．3% ，79．3% 。不同功能的微生物固定在同一个载体上，能够构建成一个微型人工生态系统，菌种之间协同作用进行水产养殖废水脱氮，具有良好的去除效果。因此，在水产养殖废水处理中可以将反硝化细菌和硝化细菌按一定比例混合，从而加快脱氮处理效果，实现在同一个反应器中同步硝化反硝化。

5 外加碳源的好氧反硝化处理水产养殖废水

好氧反硝化菌是一种异养菌，而养殖水环境通常是贫营养条件，并不能满足好氧反硝化细菌的生长，故在利用好氧反硝化细菌处理养殖污水时，需要添加额外的碳源来促进其生长，以期获得更好的处理效果。Yoshihiro 等利用甲醇、乙酸和葡萄糖等作为反硝化碳源对鳗鱼养殖循环水体进行净化试验，第 42 天后硝酸盐氮质量浓度由151 mg /L迅速降至 40 mg /L，整个试验期间对总氮的去除率达到 90% ，鳗鱼净重增加 3倍，存活率达到 91% 。Piamsak 等利用不同的载体和碳源组合( 多孔塑料球 + 乙醇，碎牡蛎壳 + 乙醇，碎牡蛎壳无外加碳源) 对斑节对虾养殖水体进行反硝化研究，发现养殖水体中氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度均保持在养殖水质要求的范围内( 分别小于 0．5 mg /L 和 0．2 mg /L) ，硝酸盐氮质量浓度由160 mg /L 下降到 25 mg /L 以下。利用养殖固体废弃物作为好氧反硝化碳源，能够有效脱氮，并且可以克服外加碳源的二次污染和成本增加等问题。李秀辰等在海水循环水养鱼系统中以养殖固体废弃物作为碳源，10 h 后 NO－3 -N和COD的去除率分别为 36．5% 和 75．9% 。利用养殖固体废弃物作为碳源，为海水养殖废水“零排放”、保护水资源环境做出了巨大贡献。

近年来，许多学者利用新型的可生物降解聚合物作为反硝化碳源和生物膜载体去除养殖废水中硝酸盐氮。Boley等利用聚己内酯( PCL) 、聚-β-羟丁酸( PHB) 和二羧酸二元醇( Bionolle) 这3 种可生物降解材料作为生物膜载体和反硝化碳源，出水硝酸盐氮质量浓度稳定在 0．1 mg /L 以下，而亚硝酸盐氮质量浓度也可以维持在0．05 mg /L以下，并未出现积累。张兰河等利用聚羟基丁酸戊酸共聚酯( PHBV) 作为固体碳源和生物膜载体，其连接的固相反硝化反应器能显著降低循环水系统中积累的硝酸盐，并维持在较低水平( 小于10mg /L) 。

6 结论与展望

好氧反硝化作为一种新型的脱氮工艺，具有技术简单、占地小、能够实现硝化与反硝化同时进行等优点，被国内外学者广泛关注。目前越来越多的好氧反硝化细菌被发现，但对于好氧反硝化技术的研究仍停留在试验阶段，虽然有不少学者将好氧反硝化菌应用到反应器中，但实际应用较少。今后的研究重点应该在以下几个方面: 1) 筛选分离耐高氨氮、耐高溶氧、耐盐等特性的好氧反硝化细菌，探究影响好氧反硝化细菌脱氮性能的因素，并结合水产养殖废水的特点，设计适合水产养殖的反应器和运行模式，为其在海水循环水养殖系统中的应用打下良好的基础。2) 利用分子生物学等技术，深入研究好氧反硝化反应机理，建立好氧反硝化动力学模型，利用基因重组等分子生物学技术强化功能基因，对好氧反硝化细菌种群进行鉴定和跟踪，提高对水产养殖废水的脱氮效率。3) 生物固定化技术可以提高水产养殖废水中菌种的密度，防止流速过快、菌种流失，阻碍养殖废水中的有毒物质对菌株的毒害，故应对固定化微生物技术进行深入研究，并将其应用于水产养殖实践中，高效、经济地实现养殖废水脱氮。