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针对目前比较严重的氮污染问题,生物脱氮技术备受关注,但传统生物脱氮技术反应速率较慢,有关加速生物脱氮技术的研究成为热点。而最近研究表明,某些含有醌类结构特殊物质对一些污染物降解有加速作用,主要在偶氮染料和硝基化合物方面,但有关醌类化合物作为氧化还原介体加速反硝化脱氮过程的研究甚少,故本课题开展氧化还原介体加速反硝化用研究。
本课题进行了反硝化污泥驯化,考察了厌氧反硝化污泥最佳碳源,并筛选蒽醌、1,5-二氯蒽醌、1,8-二氯蒽醌和1,4,5,8-四氯蒽醌4种结构相似的醌类化合物为氧化还原介体,考察了其加速污泥反硝化的作用,测定了反应过程中pH、氧化还原电位的变化。研究结果表明,驯化污泥反硝化最佳碳源为甲醇；4种结构相似的醌类化合物均可加速污泥反硝化作用,在0mmol·L-1～10mmol·L-1投加范围内,介体浓度越高加速作用越明显,4种介体浓度达10mmol·L-1时,可提高反硝化速率l～1.2倍；污泥反硝化过程中pH升高后稳定在9.2左右,投加4种介体后反应体系pH升高趋势变缓,当介体浓度为10mmol·L-1时,蒽醌pH上升后稳定在9.0,1,5-二氯蒽醌pH稳定在7.4左右,1,8-二氯蒽醌pH稳定在7.3左右,1,4,5,8-四氯蒽醌pH上升后稳定在8.0左右；污泥反硝化过程中,体系氧化还原电位迅速下降后稳定在-300mV左右,投加介体后,氧化还原电位下降幅度减小,介体浓度为10mmol·L-1时,蒽醌稳定氧化还原电位为-260mV左右,1,5-二氯蒽醌稳定电位为-150mV左右,1,8-二氯蒽醌稳定电位为-170mV左右,1,4,5,8-四氯蒽醌稳定电位约为-190mV。
同时,从驯化的反硝化污泥中分离筛选出优势反硝化副球菌GW1(Genebank登录序列号为GU111570),考察了其最佳生长条件和反硝化影响因素,初步探讨了氧化还原介体加速菌株GW1反硝化作用的机理。结果表明,菌株GW1最佳生长和反硝化温度范围为35℃～40℃；最佳pH范围为7.0～9.0；适宜碳源为丁二酸钠和无水乙酸钠；以丁二酸钠为碳源的反硝化过程中,最佳碳氮比为6:1；溶解氧浓度为4mg·L-1(摇床转速为150r·min-1)时,反硝化细菌生长最快。以1,5-二氯蒽醌为氧化还原介体,进行介体加速反硝化反应机理初步探索,结果表明,1,5-二氯蒽醌可加速菌株GW1的反硝化作用,1,5-二氯蒽醌对硝酸盐和亚硝酸盐氮的还原均有加速作用；其加速反硝化的推测机理是:反硝化过程是硝酸盐还原酶、亚硝酸酸盐还原酶和辅酶协同完成,而1,5-二氯蒽醌起到类似辅酶Q和NADH的作用,加速硝酸盐和亚硝酸盐还原。
非水溶性醌类化合物作为氧化还原介体加速反硝化的结果,丰富了国内外有关氧化还原介体在环境污染物降解加速中的应用,同时为生物脱氮提供了新思路,拓展生物厌氧处理技术的内涵,提升污染控制应对能力。