劉 禎 ， 鄭志宏,2*

(1.華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 ， 河南 鄭州 450046 ； 2.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院 ， 河南 鄭州 450008)

硝酸鹽和亞硝酸鹽是水中常見的兩種污染物，它們的危害可以通過異化硝酸鹽還原為銨(DNRA)消除[3]。為了最大限度地回收廢水中的氮，DNRA可以均勻地將硝酸鹽/亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為銨，使得所有氮都以銨態(tài)氮為唯一形式存在。隨后，可以通過沉淀回收、膜法、過濾、吸附剝離、生物電化學(xué)回收和其他技術(shù)，從廢水中有效地回收銨。因此，利用DNRA可以達(dá)到回收廢水中所有無機(jī)氮的目的。DNRA是廢水中氮源高效回收不可或缺的一步，也有利于減少傳統(tǒng)銨生產(chǎn)過程中的空氣污染，防止土壤中氮肥流失。

圖1 氮素循環(huán)圖

1 DNRA

1.1 DNRA的反應(yīng)機(jī)制

(1)

(2)

DNRA反應(yīng)過程分兩步：①硝酸鹽還原為亞硝酸鹽；②亞硝酸鹽在DNRA細(xì)菌體內(nèi)酶的作用下還原為氨。

1.2 DNRA菌體的分類

DNRA是由一組不同的異養(yǎng)和厭氧化學(xué)自養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行的兩步過程，但大部分的DNRA菌都是異養(yǎng)型，需要外部碳源來提供電子供體[8]。根據(jù)呼吸作用的不同，也可以分為微好氧菌、好氧菌、兼性厭氧菌和厭氧細(xì)菌，DNRA菌多數(shù)為厭氧狀態(tài)。

DNRA細(xì)菌分類：①微好氧菌有痰彎曲桿菌；②好氧菌有假單胞菌、微黃奈瑟球菌、專性嗜堿芽孢桿菌；③兼性厭氧菌有大腸桿菌、檸檬酸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、克雷伯氏菌、產(chǎn)氣腸桿菌、黏質(zhì)沙雷氏菌、歐文氏桿菌、費氏發(fā)光桿菌、海洋弧菌；④厭氧菌有梭狀芽孢桿菌、產(chǎn)堿韋榮菌、產(chǎn)琥珀酸沃林氏菌、巨型脫硫弧菌、脫硫弧菌、反芻月形單胞菌、地桿菌[9]。

2 DNRA過程與反硝化過程的競爭

在污水處理系統(tǒng)里，DNRA過程和反硝化過程都需要低氧化還原電位環(huán)境和足夠的有機(jī)碳源來支持，這就證明DNRA過程與反硝化過程存在協(xié)同的環(huán)境條件；但是DNRA過程和反硝化過程的最終產(chǎn)物不同，DNRA功能菌和反硝化菌會對底物進(jìn)行爭奪。影響DNRA與反硝化過程競爭的主要因素有電子供體/電子受體、氮源種類、污泥齡、溫度和pH值[10]。FAZZOLARI等[11]研究了氧分壓對土壤中DNRA作用的影響，并提出在微氧條件下，DNRA菌比反硝化菌具有更強的適應(yīng)能力。

3 DNRA的影響因素

在廢水處理中DNRA和反硝化之間存在對氮的競爭關(guān)系。這兩種反應(yīng)都需要碳源，有的需要有機(jī)碳，有的需要無機(jī)碳，需要在厭氧或者微氧的條件。

3.1 氧化還原電位

3.2 碳氮比

3.3 鐵離子

添加低水平的Fe2+，相當(dāng)于自然條件，會增加DNRA作用，在某些污水中，反硝化作用會同時下降。但是，向污水中加入高水平的Fe2+在很大程度上降低了反硝化作用，同時增加了DNRA。

3.4 硫化物

3.5 細(xì)菌的生長速率

3.6 DNRA的生物能學(xué)

生物能學(xué)是評估細(xì)菌在相同厭氧環(huán)境條件下對一種硝酸鹽異化途徑相對于另一種途徑的偏好標(biāo)準(zhǔn)之一。STROHM等[14]計算了通過不同需氧和厭氧途徑進(jìn)行葡萄糖(Glucose)呼吸的自由能變化(ΔG′)，以比較它們?yōu)镈NRA和反硝化細(xì)菌提供能量的效率，如下所示：

(ΔG′=-2 870 kJ/mol) (3)

(ΔG′=-2 670 kJ/mol) (4)

(ΔG′=-1 870 kJ/mol) (5)

上述反應(yīng)式釋放能量的，因為葡萄糖的氧化還原電位約-550 mV；反硝化自由能變化接近有氧葡萄糖呼吸，高于DNRA。眾所周知，硝酸鹽(Natrate)還原為銨時消耗了8個電子，而反硝化過程中只有5個電子，因此，硝酸鹽氨化比反硝化還原的硝酸鹽能量的產(chǎn)量更高，如下所示：

(ΔG′=-556 kJ/mol) (6)

(ΔG′=-623 kJ/mol) (7)

4 DNRA測定方法

常用的檢測DNRA過程的手段一般分為：①是對DNRA菌的功能基因豐度進(jìn)行檢測；②通過15N同位素示蹤技術(shù)來進(jìn)行檢測。

5 結(jié)束語

在自然環(huán)境中，DNRA過程不僅能夠?qū)⑸镫y以利用的無機(jī)物氮還原為有機(jī)物氮，同時還可以減少反硝化作用中產(chǎn)生的N2，減少溫室氣體的產(chǎn)生。近年來，越來越多的研究開始關(guān)注DNRA在各種自然環(huán)境中的存在情況，但更多的聚焦在土壤中，關(guān)于水體中DNRA的研究還較少。在水體中，DNRA雖然不起主導(dǎo)作用，但是通過調(diào)控各種條件，進(jìn)一步抑制反硝化作用，可以減少溫室氣體的產(chǎn)生。在水體中，DNRA過程和反硝化過程是此消彼長的，通過對兩個過程影響因素的了解，能夠進(jìn)一步地了解DNRA過程在水體中的作用和意義。