[发明专利]一种快速启动厌氧氨氧化反应的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速启动厌氧氨氧化反应的方法，属于水污染控制、环保净化处理技术领域。

背景技术

根据2005、2006、2007年连续三年的中国环境质量公报:氨氮是我国七大水系及主要湖泊、城市内湖等的主要污染物质之一。水体氮素污染最主要的是引起藻类的过度繁殖，导致水体富营养化。还会引起生态以及健康方面的有害影响，最直接的影响是氨对水生生物的毒害。同时也严重威胁人类的健康。目前高氮废水的处理还没有既经济又有效的处理方法，因此，脱氮技术便成为水污染治理技术和改善水环境质量研究的重要课题:寻求一种经济有效去除水中的氮的生物脱氮工艺对解决我国水环境污染有着重要的意义。

厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation, ANAMMOX）是指在厌氧条件下，微生物以亚硝酸盐氮为电子受体，氨氮为电子供体发生反应生成氮气的过程。厌氧氨氧化无需外加碳源，减少能耗和节省中和试剂，厌氧氨氧化反应脱氮效率高。对于C/N比低，可生化性差的废水如垃圾渗滤液等，厌氧氨氧化技术具有良好的开发应用前景。

人类历史上首次关于ANAMMOX现象的报道可以追溯到公元19世纪70年代，这也是人类历史上最早期的ANAMMOX基础理论研究。1977年，根据化学反应自由能和热力学焓变的计算，奥地利化学家Broda预言了氨和亚硝酸盐在厌氧条件下经微生物催化作用后生成N2的可行性，并在国际杂志Microbiology上发表了题为《自然界中两种遗失的两种矿质营养菌》一文。但是，这一理论在相当长的一段时间内缺乏实验现象的佐证。

直到20世纪90年代中期，Mulder等人才在荷兰Delft大学微生物技术实验室的废水处理系统中发现了氨和亚硝酸盐同时遗失的现象。根据Broda的假设，氨氮在厌氧条件下最终转化为N2。Van de Graaf等人采用同位素示踪技术，把15N加标记的氨氮投加到反应器中，以验证N2是否是由这些氨氮所产生。实验最终观察到了混合标记的14.15N2，佐证了Broda关于ANAMMOX现象的假说。在厌氧条件下氨氮作为电子供体能使亚硝酸盐反硝化，这个过程被定义为厌氧氨氧化(Anoxic AMMonium OXidizing，ANAMMOX)。这是人类历史上最早期的显现ANAMMOX迹象的废水处理系统，相关研究成果发表在国际杂志FEMS Microbiological Ecology上。

从厌氧氨氧化纯培物中抽提DNA，进行聚合酶链式扩增反应、DNA测序和系统发育分析，研究者们最终能表明这种微生物是浮霉状菌纲(Planctomycetales)中的一种。Strous 等人在研究报告中指出，ANAMMOX细菌是严格的化能自养厌氧细菌，生长条件严格，倍增速率慢(11~21天)，且高细胞浓度时才具有活性。这一方面解释了研究者们无法用传统分离培养方法得到纯培物的原因，另一方面也预示着基于ANAMMOX的研究将会面临着常规微生物研究所无法比拟的困难。随后，ANAMMOX细菌的生理学特性包括细胞色素c在468nm处特征吸收峰，细胞膜梯度脂以及厌氧氨氧化小体(anammoxsome)陆续被研究者们所报道并被认为是ANAMMOX细菌的三个基本特性。

典型的ANAMMOX细菌为革兰氏阴性球菌细胞形态不规则多呈弯月状，世代时间10-30天。它们是厌氧化能自养型微生物。ANAMMOX细菌细胞壁中缺乏肽聚糖，具有蛋白质的S层，细胞壁上存在漏斗状结构。和所有已知的原核细菌细胞不同，浮霉状菌纲中细菌的细胞结构很独特，包含一个膜包围的亚细胞空间。扫描电镜观察结果也证实了ANAMMOX细菌有一个独特的膜包围区域，被命名为anammoxsome。Jos Schalk等人发现了此区域内包含大量的羟氨氧还酶(HAO)，即在催化NH2OH氧化到N2过程中所需要的酶。HAO能氧化NH2OH和联氨，在电子传递过程中每个缩合物包含24个细胞色素c单位。ANAMMOX细菌的细胞质被anammoxsome分为3个部分:外部区域(细胞壁(cell wall), 细胞质膜(cytoplasmic membrane)，pp质(paryphoplasm)，细胞内质膜(intracytoplasmic membrane)。②核糖质(riboplasm)。③厌氧氨氧化体膜(anmmoxosome membrane)，厌氧氨氧化小体(anammoxosome)，类核(nucleoid)。