高氨氮廢水生物脫氮處理過程中, 生化反應基質底物(FA)對硝化反應具有抑制作用, 其抑制原理在于：硝化反應主要涉及兩種菌屬, 即氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB), FA既是氨氧化反應的基質, 同時也是亞硝酸鹽氧化反應的抑制劑, 對AOB和NOB均存在抑制作用.有研究表明, FA對AOB的初始抑制濃度為10~150 mg·L-1, 而對NOB的初始抑制濃度為0.1~1.0 mg·L-1.相較于AOB, NOB對FA的抑制作用更加明顯.當AOB活性嚴重受抑制時, 系統硝化反應停止.
水中的氨氮, 大部分以氨離子(NH4+)和FA的狀態存在, 兩者保持平衡, 平衡關系為：
這一關系受pH值的影響, 當pH升高, 平衡向右移動, FA所占比例增大, 當pH降低, 平衡向左移動, NH4+比例增大.張亮等[6]的研究認為在常溫(20℃)下, 當pH=7時, FA約占氨氮的1%, 在pH=8時, 占氨氮的10%.城市污水處理廠的進水氨氮(NH4+-N)濃度范圍在50 mg·L-1左右且pH值接近中性, 因此, FA濃度較低, 硝化細菌基本未被抑制.高氨氮廢水(消化污泥脫水液、垃圾滲濾液等), NH4+-N濃度和pH值較高, 硝化細菌易受到FA的抑制.溫度對微生物的生長也具有重要影響, 溫度過高或過低, 均影響硝化菌的活性, 從而降低硝化速率.溫度過低水中的FA濃度降低, 從而影響AOB對FA的降解速率.溫度過高AOB中蛋白質受熱易變性失去活性, 引起酶反應速率下降, 從而導致AOB對FA的降解速率下降. Hellinga等指出[8], 當溫度介于5~12℃時, NOB的最大比生長速率大于AOB.當溫度介于12~40℃時, AOB的最大比生長速率大于NOB的最大比生長速率.因此, 在一定范圍內升高溫度可以增大NOB和AOB在生長速率上的差距.
目前國內外的研究主要報道高氨氮廢水短程硝化中FA的抑制作用, 針對高氨氮廢水中氨逃逸現象報道較少.盧剛等[20]對模擬含氨廢水采用循環顆粒污泥床短程硝化污泥反應器的研究發現, 通過對生化反應器氮素平衡核算, 反應器氨氧化過程中存在明顯的氮損失現象, 認為氨逃逸是導致曝氣過程中氮損失的主要原因，因此本文通過試驗考察了不同FA濃度梯度下的氨逃逸規律.
1 材料與方法 1.1 試驗裝置及運行方式
試驗采用有效容積為5 L的SBR反應器, 其運行方式：瞬時進水(1 min), 硝化反應(4 h), 缺氧攪拌反硝化(投加乙醇作為碳源), 靜置沉淀、排水(5 min).硝化過程中溶解氧(DO)控制在2.5~3.0 mg·L-1范圍, 反硝化時間采用pH值實時控制.
1.2 試驗用水、接種污泥及水質分析項目
為排除其他微生物的干擾, 試驗用水采用以去離子水為原水的人工模擬廢水, 其水質特性見表 1.
表 1 模擬廢水水質特性1)
試驗接種污泥取自本實驗室已實現短程硝化的活性污泥(亞硝態氮的積累率為99.6%).試驗過程中, 從反應器中取出一定體積泥水混合液, 定性濾紙過濾后測定各項水質指標.化學需氧量(COD)、NH4+-N、硝態氮(NO3--N)、NO2--N、混合液懸浮固體濃度(MLSS)及混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)均采用國家規定的標準方法[22]. pH值、DO和溫度采用WTW-Multi3420測定.
1.3 試驗方案
游離氨(FA)一般采用下式進行計算[4]：
式中, SFA為游離氨質量濃度, mg·L-1; SNH4+-N為氨氮質量濃度, mg·L-1; T為溫度, ℃.
本文通過批次試驗, 采用SBR反應器, 以短程硝化污泥為研究對象, 通過設定不同初始NH4+-N濃度, pH值和溫度, 以獲得不同FA濃度梯度, 運行條件見表 2, 基于考察SBR系統活性污泥的硝化性能、總氮損失的基礎上, 研究FA濃度對氨逃逸的影響, 最終建立FA和氨逃逸速率的相關規律.需要說明的是：為減少試驗誤差, 即每一FA濃度下進行3次平行試驗, 試驗數據取3組平行試驗平均.
表 2 SBR反應器運行條件
2 結果與討論 2.1 FA對SBR系統NH4+-N去除的影響
圖 1為不同FA濃度條件下, 曝氣開始、結束時, NH4+-N濃度、去除量及去除率(ARE)變化規律.為了提高進水FA濃度, 試驗過程中, 人為增加進水NH4+-N濃度(28.8 mg·L-11 443.0 mg·L-1)、溫度(20℃36.5℃)以及pH(7.58.66)值.隨著運行周期的增加, 曝氣開始和結束時NH4+-N濃度均呈現增加的趨勢[圖 1(a)].這是由于相同硝化反應時間內隨著進水NH4+-N濃度增加導致曝氣結束時NH4+-N未反應完全.從圖 1(b)可以看出, 隨著FA濃度的增加, NH4+-N去除量同時逐漸增加.在FA濃度逐漸增加的整個過程中, NH4+-N去除率隨著FA濃度的升高而下降, 當FA濃度增加到10 mg·L-1時, NH4+-N去除率開始下降.表明FA對AOB的活性開始產生抑制, 而文獻資料報道[4], 能夠抑制AOB的FA濃度的抑制范圍是10~150 mg·L-1, 因此支持本現象.不同FA濃度條件下, 去除率(ARE)變化顯著, 表明FA濃度對ARE產生顯著影響, 且具有明顯的分段現象.當0.6 mg·L-1≤FA≤143.5 mg·L-1時, 兩者相關性符合線性關系, 可通過擬合直線方程y=-0.5x+85.5來表示, 隨著FA濃度的增加, ARE快速下降.當143.5 mg·L-1≤FA≤681.1 mg·L-1時, 兩者相關性也可通過擬合的直線方程y=-0.01x+21.3來表示, 此時隨著FA濃度增加, ARE處于略微降低的趨勢, 其平均值為17.1%.此時硝化開始的FA濃度已遠遠超過FA對AOB和NOB的初始抑制濃度, 即AOB活性受到嚴重抑制.
圖 1 不同FA濃度條件下, 系統內NH4+-N的去除特性
2.2 FA對氨氧化過程NO2--N產生量的影響
亞硝態氮是氨氧化菌氧化氨氮的主要產物, 是衡量短程硝化的主要指標.由圖 2(a)可以看出, 硝化結束時, NO2--N作為主要的硝化產物, NO3--N濃度始終低于0.5 mg·L-1, 因此, 短程硝化是本試驗中氨氧化的主導反應.基于NO2--N濃度的變化趨勢可以看出, 隨著反應的進行, NO2--N產生量呈現出先增加后降低的變化規律, 即19.4 mg·L-1(第1周期)110.2 mg·L-1(第6周期)0.1 mg·L-1(第15周期).
圖 2 系統NO2--N產生量變化規律
圖 2(b)反映了FA對氨氧化過程NO2--N產生量的影響.可以看出, 當0.60 mg·L-1
2.3 FA對系統TN損失的影響
TN為衡量硝化反應過程氮轉化途徑的重要指標, 圖 3表明系統進、出水TN濃度變化情況.整個試驗過程中, 系統進、出水TN濃度由于進水氨氮濃度的增加而增加.此外, 總氮損失量(進、出水TN差值)從第1周期的9.4 mg·L-1增加到第15周期的269.7 mg·L-1.綜合圖 2和圖 3, 可以清楚地反映出, 在第15周期時AOB的活性幾乎受到完全抑制, 此時可以確定系統NH4+-N的去除主要由FA逃逸導致.
圖 3 不同FA條件下, 系統TN的轉化規律
2.4 FA對氨逃逸的影響
目前關于氨逃逸速率(FEV)測定主要有兩種方法：①在生物反應器中直接加入一定量的解偶聯劑(2, 4-二硝基酚)以抑制微生物反應, 測定無生物反應影響下的氨逃逸量與時間的關系; ②在相同試驗條件下, 在無生物的反應器中直接加入水和NH4+-N在同等T、曝氣等條件測定氨逃逸量與時間的關系.本試驗采用方法②測定氨逃逸速率.具體如下：本試驗基于無活性反應器試驗獲得, 選取與試驗過程相同的SBR反應器, 在設定相同的FA濃度、曝氣強度、進水NH4+-N濃度、溫度、pH以及配水等條件下, 測定無微生物反應時系統不同曝氣時間下的NH4+-N濃度與曝氣時間的關系, 通過線性回歸分析, 求得不同FA濃度下NH3的逃逸速率.
圖 4描述了FA對FEV的影響.將FA分段, 可以通過線性正相關清楚地描述FA濃度對FEV的影響程度(表 3).可以看出：不同FA濃度條件下, FEV變化顯著, 表明FA濃度對FEV產生顯著的影響.當0.62 mg·L-1≤FA≤7.7 mg·L-1時, 由于FA濃度較低, FA對FEV幾乎不產生影響, 即可認為此FA濃度階段不發生氨逃逸; 當7.7 mg·L-1≤FA≤226.6 mg·L-1時, 隨著FA濃度的增大, FEV增長較緩慢, 且兩者相關性符合線性關系, 可通過擬合直線方程y=0.035x+0.78來表示[當FA=226.6 mg·L-1時, FEV=7.58 mg·(L·h)-1].當226.6 mg·L-1≤FA≤711.8 mg·L-1時, 隨著FA濃度的增大, FEV增長較塊, 兩者的相關性可通過擬合直線方程y=0.112x-18.6來表示[當FA=711.8 mg·L-1時, FEV=65.9 mg·(L·h)-1].
圖 4 FA對FEV的影響
表 3 FA濃度對FEV的影響
3 結論
(1) 隨著運行周期FA濃度的增加(0.6 mg·L-1681.1 mg·L-1), NH4+-N去除量逐漸增加(28.8 mg·L-1269.8 mg·L-1), 當FA>10 mg·L-1時, NH4+-N去除率隨著FA濃度的升高開始下降, 表明在此濃度下AOB的活性逐漸被抑制.具體參見污水寶商城資料或http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。
(2) 基于Edwards動力學模型, 可以從動力學角度描述FA對NO2--N產生量的影響, 通過對試驗數據的非線性擬合, 當FA=42.6 mg·L-1時, NO2--N產生量最大, 然后逐漸降低, 當FA濃度達到681.1 mg·L-1時系統的NO2--N產生量僅為0.1 mg·L-1, 表明在此FA濃度條件下, AOB活性幾乎受到完全抑制.
(3) 各運行周期總氮(TN)損失量隨著FA濃度逐漸增加而增加.在較高FA濃度(FA>226.6 mg·L-1)條件下, 系統中NH4+-N以游離氨形式被吹脫出去, 其逃逸速率與FA濃度呈正相關, 且存在明顯的分段現象, 因此FA濃度是影響氨逃逸量的最主要因素之一.
