骑马与砍杀怎么编队:细菌能净化污水 或可解农业废水问题

25年前在荷兰酿酒厂废水中发现的一种细菌令科学家们惊奇不已。这里的虫子可以生成极不稳定的化合物联氨，这种物质可用作火箭燃料，对大部分生物有毒。
微生物并不会用联氨把自己发射进轨道，只是将其作为一个更大加工过程的中间步骤。这些生物如今被称为厌氧氨氧化菌，它们将具有腐蚀性危害的铵盐转化为双氮，即组成78%空气的无害氮气。
这一点令它们引来很多人的关注，其中便包括沃雷尔水技术公司（Worrell Water Technologies）生态机器部的研究经理埃里克·洛韩（Eric Lohan）。沃雷尔公司的“生态机器”系统是可以大幅减少耗水量并消除污水的水再生系统。
由于淡水愈发稀缺和昂贵，此类系统的吸引力也在与日俱增。麦肯锡近期一项有关水的报道预测称，到2030年，全世界对水的需求量将超出目前需求的40%。生态机器被安装在20个地方，包括波特兰港一座新建的大楼。
这些生态机器利用细菌和植物组成的系统对水进行过滤，从而实现对废水的回收。经过处理的水质十分干净，足以冲洗马桶，浇灌庭院、花园和庄稼。（事实上，水质甚至比这还要干净，可以方便地饮用。不过，考虑到还得为这类系统获得许可、安装保证水质一直清洁的监测系统以及克服公众的反感心理，将此系统用于饮用水并不划算。毕竟，在我们使用的水中，只有10%到20%用于烹饪和饮用。）
现在，洛韩试图把厌氧氨氧化菌加入到生态机器之中。比起普通细菌，厌氧氨氧化菌只需较少的步骤即可将氨转化为氮，需求的氧气少得多，因而消耗的能量也少得多。
洛韩希望此举能够使得系统处理大型建筑物中较为集中的废水，甚至是产生大量高浓度废水的养猪场和奶牛场等机构。目前，这些农场的废水通常是被排入附近的水坑了事。风暴来袭，废水往往大量涌入河流和小溪。传统的处理方式非常昂贵，监管者无法强迫养殖场在这方面做得太多。
洛韩说：“我们认为，这种处理技术能成功解决（农业）废水的问题。”这个系统非常廉价（尤其是与传统系统相比），几乎不需要消耗多少能量。
洛韩警告道，公司目前还只能在实验室中加入厌氧氨氧化菌。不过，在接下来几个月内，公司希望在得克萨斯州紧邻新墨西哥州边界一处缺水的奶牛场中安装试点系统。水将得到重新利用，浇灌庄稼。
生态机器的工作原理是模仿自然界最高效的生态系统：潮沼。潮沼产出的生物量甚至要高于热带雨林，因为海潮可以让两种不同类型的细菌大量繁殖。退潮时，消耗氧气的好氧细菌得以呼吸并大量繁殖。涨潮时，不需要氧气的厌氧细菌便开始工作。
在生态机器中，废水首先被收集起来，在水箱中分解为半流质的混合物。然后，非生物物质被过滤出去。洛韩说：“能在水箱里处理的物质最终都会被处理。”
接下来，废水被排入和排出一些小“房间”，它们内含有一种很像猫沙的特殊沙砾，目的是为细菌的生长提供足够的表面积。与一天一涨一落的潮沼不同，为了提高细菌的活性，沙砾的充水和排水每天反复16次。
系统拥有多个任务。细菌消耗废水中的碳水化合物，排出二氧化碳。磷被过滤出去，存储起来作为化肥使用。经过几个步骤，像尿素（尿的主要成分）这样的氮化合物得到转化。在水中，尿素自然分解为氨。好氧细菌消耗氨，先转化为氮化物，后再转化为硝酸盐。随后，厌氧细菌得到硝酸盐，将其转化为无害的氮气。
此外，这些系统必须清除病原体。由于生态机器系统中的环境与人内脏的环境不同，病原体无法与系统中的细菌相抗衡，几乎全部丧命。不过，一些病原体能以孢子的形式存在。为解决这个问题，生态机器系统的末端通常包括一些成分，通过紫外线、臭氧和氯对水进行杀菌。
细菌完成了大多数工作，植物则提高了系统的效率。植物为食用死亡和濒死细菌的原生动物和微型甲壳动物营造出生活环境。于是，该系统就不必再由人工来清洁了。
植物的模样也很好看，通常能和大楼及其周围的建筑风格和景观融为一体。如果在洛韩的努力下，他的厌氧氨氧化菌足以处理猪和奶牛的排泄物，或许牲畜也会喜欢享用生态机器系统带来的植物。毫无疑问，农场主的邻居也会感谢这个系统，特别是住在顺风和下游方向的人厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidizing，anammox)技术由于具有高效、低耗和环境友好等特性已在废水处理方面受到研究者们的广泛关注。完成anammox过程的细菌能够在厌氧条件下以亚硝酸氮为电子受体，将氨氮氧化生成氮气。这种生物脱氮技术的研究历程虽已有十余年的历史，但至今仍未广泛应用于工程实践，而限制该技术应用的主要瓶颈在于anammox细菌生长速率较低所导致的工艺启动时间漫长，以及anammox细菌生长条件苛刻所导致的工艺应用范围较窄等方面。 针对目前anammox研究中存在的问题，本文以在厌氧自养条件下长期培养的anammox菌群为研究对象，研究了通过采用外加电场和磁场提高anammox菌群活性来缩短工艺启动时间，以及开发以anammox技术为基础的多菌群耦合协同技术来扩大工艺应用范围的可行性。论文取得了一些创新性的研究成果，主要包括： (1)研究发现，外加磁场能够有效提高anammox菌群的厌氧氨氧化活性，进而缩短anammox反应器的启动时间。在磁场强度为16.8～95 mt范围内，anammox菌群的活性得到了显著提高;当强度为75 mt时，anammox菌群活性的提高值最大，达到50％;然而，强度过高的磁场则对anammox菌群活性产生了抑制效应。60 mt磁场anammox反应器的连续运行实验结果表明，和无磁场作用的对照实验相比，反应器的最高nh4+-n去除负荷提高了30％，启动时间缩短了1/4。分子生物学实验分析结果表明在磁场作用下，anammox菌群多样性显著下降，而进行厌氧氨氧化反应的plactomycetes sp.得到了有效富集，其占全部真细菌的比重大约由60％上升到80％。 (2)研究表明，外加电场能够有效增强anammox菌群活性，进而缩短anammox反应器的启动时间。当电极电压为-0.05 vsce时，活性的提高值最大，达到20％。电场的作用也促进自养反硝化反应的发生，降低anammox反应副产物no3——n的浓度。在-0.05 vsce工作电极电压下，运行电极-生物膜anammox反应器，和无电极电压作用的对照实验相比，反应器的启动时间缩短了1/5，总氮去除率也由80％提高到99.8％。分子生物学实验分析结果表明，在-0.05 vsce工作电极电压下，能进行厌氧氨氧化反应的planctomycetes sp.得到了有效富集;自养通电驯化富集了氢自养型反硝化细菌pseudomonas sp.，使得电极-生物膜anammox反应器具有良好的自养反硝化性能。 (3)本研究证实anammox反应器能够实现尿素氮的有效去除。利用percoll密度梯度离心的方法得到了纯anammox细菌，批式实验结果表明其虽具有较高的厌氧氨氧化活性，但是并不具备尿素水解能力。采用平板稀释涂布的方法分离得到了一株能在厌氧自养条件下水解尿素的细菌。分子生物学分析表明这株尿素水解细菌是bacillus sp。中的一种，被命名为bacillus sp．lst-1。反应器中(nh2)2co-n的去除过程包括bacillus sp。参与的尿素水解生成nh4+-n的反应以及接下来的plactomycetes sp.完成的厌氧氨氧化反应。尿素水解过程与厌氧氨氧化过程联合工艺的开发，对于扩大anammox技术的应用范围具有重要意义。 (4) anammox反应器可以同时去除nh4+-n和so2-4。这种过程是由nh4+-n氧化和so2-4还原反应，以及接下来的厌氧氨氧化反应两步所组成。分子生物学实验证实了一种和已知planctomycetes sp.(dq899895.1)序列相似性达92％的细菌在nh4+-n和so2-4存在条件下得到了强烈的富集，被命名为anammoxoglobus sulfate。anammoxoglobussulfate细菌在nh4+-n氧化和so2-4还原生成no2——n的反应中起重要作用。此后，planctomycetes sp.共同完成接下来的厌氧氨氧化反应以完成nh4+-n和so2-4的完全去除。以so2-4为底物的厌氧氨氧化工艺的开发，对于扩大anammox技术的应用范围具有重要意义。 (5)研究发现，anammox菌群能够在有溶解氧的条件下进行厌氧氨氧化反应。anammox反应器生物膜的最大好氧氨氧化活性为1.38 mmoinh4+-n/(gvss·day)，这对于消耗氧气保持厌氧氨氧化反应所需的厌氧条件具有重要作用。在溶解氧存在条件下，菌群的最大厌氧氨氧化活性轻微下降，从21.23 mmoinh4+-n/(gvss·day)下降到20.23mmolnh4+-n/(gvss·day)。分子生物学实验分析发现两株和nitrosomonas eutropha(ay123795)序列相似性高达99％的细菌存在于反应器中，其在有氧条件下能转变其代谢模式好氧生长，从而保证planctomycetes sp.代谢所必须的厌氧条件。能在进水中含有溶解氧的条件下培养anammox菌群，为anammox技术的工业化应用节省必要的曝惰性气体排氧的能源消耗费用。 (6)盐度可以作为canon工艺稳定运行的关键性控制因素之一。批式实验结果表明，10 g/l的nacl在限氧条件下能较好的抑制亚硝酸氧化活性，进而增强好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性。在反应器进水加入10 g/l的nacl之后，出水nh4+-n和no3——n浓度降低，反应器的总氮去除负荷从0.4 kgn/(m3·day)提高到0.6 kgn/(m3·day)，总氮去除率从54％提高到80％。分子生物学实验分析结果表明，和已知nitrospira sp。(ay224041、dq414438)基因序列存在最大相似性的细菌存在于canon生物膜中，但在10 gnaci/l条件下被逐渐竞争出反应器。相反，完成厌氧氨氧化反应的planctomycetes sp.和完成好氧氨氧化反应的nitrosomonas sp.在限氧盐度条件下被大量富集。本研究表明，canon工艺能够有效处理含盐的高浓度氨氮工业废水。厌氧氨氧化（Anammox)
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厌氧氨氧化（Anammox)
厌氧氨氧化的发现
Broda的预言
1977年，奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学，预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应，因为与以氧为氧化剂的氨氧化反应相比，它们释放出的自由能一点也不逊色。
序号                   电子受体                 化学反应               ΔG/（KJ/mol)
1                               氧               2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+                -241
2                       亚硝酸盐               NH4++NO2-→N2+2H2O                   -335
3                       硝酸盐                 5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+           -278
既然自然界存在自养型亚硝化细菌，能够催化反应1，那么理论上也应该存在另一种自养型细菌，能够催化反应2和反应3。由于当时这种细菌还没有被发现，所以，Broda 认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌。
Mulder的发现
20世纪80年代末，荷兰Delft工业大学开始研究三级生物处理系统。在试运期间，Mulder等人发现，生物脱氮流化床反应器除了进行人们所熟知的反硝化外，还进行着人们未知的某个反应使氨消失了。进一步观察发现，除了氨不明去向外，硝酸盐和亚硝酸盐也有一半以上不明去向。
而且伴随着氨与硝酸盐（亚硝酸盐）的消失，产气率大幅度提高，气体中的最主要的成分为N2。
对生物脱氮流化床反应器所做的氮素和氧化还原平衡发现，氨与硝酸盐之间的反应基本上按照反应3所预期方式进行。理论值与实测值非常接近。
为了对这一反应结果进行确认，Mulder等人进一步做了分批培养实验。实验证明，氨确实与硝酸盐同步转化；硝酸盐耗尽时，氨转化也停止；添加硝酸盐后，氨转化继续进行。伴随氨和硝酸盐的转化，累计产气量增加；转化停止时，累计产气量不变。气体的主要成分是N2。
至此，Mulder等人认为，生物脱氮流化床反应器中的氨和硝酸盐转化是按Broda所预言的方式进行的，并将其称为厌氧氨氧化。
厌氧氨氧化的反应机理
Graff等采用15N的示踪实验研究表明，Anammox是通过生物氧化的途径实现的，过程中最可能的电子受体是羟胺（NH2OH），并推测出其代谢途径：
厌氧氨氧化菌首先将NO2-转化成NH2OH，再以NH2OH为电子受体将NH4+氧化生成N2H4；N2H4转化成N2，并为NO2-还原成NH2OH提供电子；实验中有少量NO2-被氧化成NO3-。
厌氧氨氧化涉及的化学反应为：
NH2OH + NH3 → N2H4 + H2O
N2H4 → N2 + 4[H]
HNO2 + 4[H] → NH2OH + H2O
厌氧氨氧化工艺的技术要点
Anammox工艺的关键是获得足量的厌氧氨氧化菌，并将其有效地保持在装置内，使反应器达到设计的厌氧氨氧化效能。在实施上，不仅要优化营养条件和环境条件，促进厌氧氨氧化菌的生长，同时要设法改善菌体的沉降性能并改进反应器的结构，促使功能菌有效持留。此工艺的技术要点主要包括以下几个方面：
温度控制
温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。随着温度的升高，细胞内的生化反应加快，细菌生长加速；超过上限温度后，对温度敏感的细胞组分（如蛋白质和核酸）变性加剧，细菌生长停止，甚至死亡。如果其他条件不变，细菌有一个最适生长温度。
郑平的研究表明，当温度从15℃上升到30℃时，厌氧氨氧化速率随之增大，但上升到35℃时反应速率下降，最适温度在30℃左右。Jetten等认为，厌氧氨氧化的温度范围为20--43℃，最适温度为40℃。
pH控制
在厌氧氨氧化过程中，pH是一个非常重要的环境条件。它对厌氧氨氧化的影响主要来自它对细菌和基质的影响。
郑平通过研究发现，当pH从6.0升至7.5时，厌氧氨氧化速率提高；但当pH继续由8.0升至9.5时，厌氧氨氧化速率下降；由此判定，最适pH在7.5到8.0附近。据Strous等人报道，厌氧氨氧化的适宜pH 范围为6.7—8.3，最大反应速率出现在pH8.0左右。
溶解氧浓度控制
Strous等人采用序批式反应器试验了氧对厌氧氨氧化的影响。该反应器以厌氧和好氧交替进行，在充氧期间，没有厌氧氨氧化反应；只有在停止供氧后，才发生厌氧氨氧化反应。试验证明，氧能够抑制厌氧氨氧化活性，但除氧后厌氧氨氧化活性能够恢复。
Strous等人进一步考察了氧对厌氧氨氧化的活性抑制浓度。他们发现，在氧浓度为0.5—2.0%空气饱和度的条件下，厌氧氨氧化活性被完全抑制；氧对厌氧氨氧化活性的抑制浓度低于0.5%空气饱和度
基质浓度控制
基质氨和产物硝酸盐对厌氧氨氧化的活性影响较小，只要氨浓度和硝酸盐浓度低于1000mg/l，就不会对厌氧氨氧化活性产生抑制作用。但是，基质亚硝酸盐对厌氧氨氧化活性影响较大，一旦亚硝酸盐浓度超过100mg/l，就会对厌氧氨氧化活性产生明显的抑制作用。
在基质浓度控制中，应重点控制亚硝酸盐浓度，使之低于5mmol/l.
负荷控制
在反应器容积负荷设定以后，其工作性能有赖于污泥负荷作保障。如果污泥负荷很高，接近或超过最大污泥活性，多余基质将不被转化，如果该基质是氨，则会影响出水水质，如果该基质是亚硝酸盐，甚至会导致反应器失控。
防止污泥超负荷的措施是提高污泥浓度。Anammox工艺常见的污泥氨负荷为0.02—0.3kg/(kg•d).
泥龄控制
由于厌氧氨氧化菌生长缓慢，细胞产率低，维持长泥龄对Anammox工艺具有至关重要的作用。厌氧氨氧化菌的倍增时间长达11d，因此Anammox工艺的泥龄越长越好
厌氧氨氧化工艺的先进性
与传统的硝化反硝化技术相比，厌氧氨氧化工艺具有很多优点：
（1）由于氨可以直接用作反硝化反应的电子供体，因此，不需要外加有机物做电子供体，既可节省费用，又可防止二次污染。
（2）硝化反应每氧化1molNH4+耗氧2mol,而在厌氧氨氧化反应中，每氧化1molNH4+只需要0.75mol氧气，耗氧减少62.5%，从而使供氧耗能大幅度下降。
（3）传统的硝化反应氧化1molNH4+可产生2molH+，反硝化反应还原1molNO3-或NO2-将产生1molOH-，而厌氧氨氧化反应产酸量大幅度下降，产碱量降至为零，可以节省数量客观的中和试剂，同时防止可能出现的二次污染。
厌氧氨氧化工艺存在的主要问题有：
（1）在Anammox反应器中，生物产率极低，几乎观察不到厌氧氨氧化菌的生长繁殖，系统必须有相应的生物补给，否则反应器处理能力将下降甚至丧失功能。
（2）系统中的生物产率很低，致使水力停留时间比较长，所需的反应器容积很大，废水处理工程的一次投资比较大。
（3）系统反应所需要的温度较高，实际中必须考虑环境条件和所需的能耗
（4）厌氧氨氧化菌对光和氧十分敏感，整个反应要在黑暗中进行，且不得有空气进入。有空气进入时，出水NO2--N浓度急剧升高，甚至会超过进水NO2--N浓度。因此，厌氧氨氧化工艺需要有很高的技术要求，设备和人员素质都必须满足其要求，难度较大
（5）高浓度的氨氮和硝态氮的存在对厌氧氨氧化反应也有抑制作用，因此，该工艺不适用于高浓度含氮废水。
改进的途径及建议
（1）在厌氧氨氧化的深入研究中，建立相应的自动化监控系统。对Anammox反应器中的溶解氧和生物相进行适时监控，防止不利因素的产生，保证系统在最佳状态下运行。
（2）实际应用中，因地制宜，扬长避短，充分利用现场条件及厌氧氨氧化工艺的优越性。如在将渗滤液回灌的垃圾填埋场，厌氧填埋单元就是一个可以利用的大容积厌氧生物反应器，可将其作为Anammox反应器，对垃圾渗滤液中的氨氮进行处理。
（3）对厌氧氨氧化的微生物相进行深入研究，确定该类微生物生长代谢的最佳条件及其生长缓慢的原因，为Anammox菌的培养提供理论依据。
（4）对厌氧氨氧化反应机理进行深入研究，探讨如何克服高浓度氨氮和硝态氮对反应的抑制作用，拓宽本工艺的适用范围
厌氧氨氧化工艺技术---------- SHARON-ANAMMOX工艺
SHARON工艺就是短程硝化反硝化，在高温和极短的污泥龄条件下，将氨的氧化过程控
制在亚硝化阶段，在缺氧条件下进行反硝化。
SHARON-ANAMMOX联合工艺是由SHARON和ANAMMOX组成的新型生物脱氮工艺，即在有氧条件下将SHARON反应控制在氨氧化反应的亚硝化阶段，其出水作为ANAMMOX反应器的进水。此联合工艺是迄今为止最简洁的生物脱氮工艺，具有不需要外加碳源及碱度、氧耗小、污泥产量少等优点，对中等及较低浓度的氨氮废水脱氮处理具有极大的实际应用价值
厌氧氨氧化的发现使人类对微生物氮循环有了更深入的了解，丰富了微生物学知识。厌氧氨氧化的作用机理已获得了初步认识，但迄今为止仍未分离出纯种的厌氧氨氧化菌，这对微生物学研究方法提出了更高的要求。为早期将其应用于日益严重的氮素污染问题，应加强以下研究：1.改进微生物学研究方法，深入研究厌氧氨氧化菌酶学；2.通过研究厌氧氨氧化菌生长的微生态环境，探讨提高其增殖速度的途径；3.设计合理的反应器，改善厌氧氨氧化污泥持留率