高氨氮廢水生物脫氮處理過(guò)程中, 生化反應基質(zhì)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(zhì), 同時(shí)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A(yíng)OB, NOB對FA的抑制作用更加明顯.當AOB活性嚴重受抑制時(shí), 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(tài)存在, 兩者保持平衡, 平衡關(guān)系為：
這一關(guān)系受pH值的影響, 當pH升高, 平衡向右移動(dòng), FA所占比例增大, 當pH降低, 平衡向左移動(dòng), NH4+比例增大.張亮等[6]的研究認為在常溫(20℃)下, 當pH=7時(shí), FA約占氨氮的1%, 在pH=8時(shí), 占氨氮的10%.城市污水處理廠(chǎng)的進(jìn)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(cháng)也具有重要影響, 溫度過(guò)高或過(guò)低, 均影響硝化菌的活性, 從而降低硝化速率.溫度過(guò)低水中的FA濃度降低, 從而影響AOB對FA的降解速率.溫度過(guò)高AOB中蛋白質(zhì)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(shí), NOB的最大比生長(cháng)速率大于A(yíng)OB.當溫度介于12~40℃時(shí), AOB的最大比生長(cháng)速率大于NOB的最大比生長(cháng)速率.因此, 在一定范圍內升高溫度可以增大NOB和AOB在生長(cháng)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(huán)顆粒污泥床短程硝化污泥反應器的研究發(fā)現, 通過(guò)對生化反應器氮素平衡核算, 反應器氨氧化過(guò)程中存在明顯的氮損失現象, 認為氨逃逸是導致曝氣過(guò)程中氮損失的主要原因，因此本文通過(guò)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(shí)進(jìn)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(guò)程中溶解氧(DO)控制在2.5~3.0 mg·L-1范圍, 反硝化時(shí)間采用pH值實(shí)時(shí)控制.
1.2 試驗用水、接種污泥及水質(zhì)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(zhì)特性見(jiàn)表 1.
表 1 模擬廢水水質(zhì)特性1)
試驗接種污泥取自本實(shí)驗室已實(shí)現短程硝化的活性污泥(亞硝態(tài)氮的積累率為99.6%).試驗過(guò)程中, 從反應器中取出一定體積泥水混合液, 定性濾紙過(guò)濾后測定各項水質(zhì)指標.化學(xué)需氧量(COD)、NH4+-N、硝態(tài)氮(NO3--N)、NO2--N、混合液懸浮固體濃度(MLSS)及混合液揮發(fā)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(jìn)行計算[4]：
式中, SFA為游離氨質(zhì)量濃度, mg·L-1; SNH4+-N為氨氮質(zhì)量濃度, mg·L-1; T為溫度, ℃.
本文通過(guò)批次試驗, 采用SBR反應器, 以短程硝化污泥為研究對象, 通過(guò)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(jiàn)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(guān)規律.需要說(shuō)明的是：為減少試驗誤差, 即每一FA濃度下進(jìn)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(kāi)始、結束時(shí), NH4+-N濃度、去除量及去除率(ARE)變化規律.為了提高進(jìn)水FA濃度, 試驗過(guò)程中, 人為增加進(jìn)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(zhù)運行周期的增加, 曝氣開(kāi)始和結束時(shí)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(shí)間內隨著(zhù)進(jìn)水NH4+-N濃度增加導致曝氣結束時(shí)NH4+-N未反應完全.從圖 1(b)可以看出, 隨著(zhù)FA濃度的增加, NH4+-N去除量同時(shí)逐漸增加.在FA濃度逐漸增加的整個(gè)過(guò)程中, NH4+-N去除率隨著(zhù)FA濃度的升高而下降, 當FA濃度增加到10 mg·L-1時(shí), NH4+-N去除率開(kāi)始下降.表明FA對AOB的活性開(kāi)始產(chǎn)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(zhù), 表明FA濃度對ARE產(chǎn)生顯著(zhù)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(shí), 兩者相關(guān)性符合線(xiàn)性關(guān)系, 可通過(guò)擬合直線(xiàn)方程y=-0.5x+85.5來(lái)表示, 隨著(zhù)FA濃度的增加, ARE快速下降.當143.5 mg·L-1≤FA≤681.1 mg·L-1時(shí), 兩者相關(guān)性也可通過(guò)擬合的直線(xiàn)方程y=-0.01x+21.3來(lái)表示, 此時(shí)隨著(zhù)FA濃度增加, ARE處于略微降低的趨勢, 其平均值為17.1%.此時(shí)硝化開(kāi)始的FA濃度已遠遠超過(guò)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(guò)程NO2--N產(chǎn)生量的影響
亞硝態(tài)氮是氨氧化菌氧化氨氮的主要產(chǎn)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(shí), NO2--N作為主要的硝化產(chǎn)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(zhù)反應的進(jìn)行, NO2--N產(chǎn)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(chǎn)生量變化規律
圖 2(b)反映了FA對氨氧化過(guò)程NO2--N產(chǎn)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(guò)程氮轉化途徑的重要指標, 圖 3表明系統進(jìn)、出水TN濃度變化情況.整個(gè)試驗過(guò)程中, 系統進(jìn)、出水TN濃度由于進(jìn)水氨氮濃度的增加而增加.此外, 總氮損失量(進(jìn)、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(shí)AOB的活性幾乎受到完全抑制, 此時(shí)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(guān)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(lián)劑(2, 4-二硝基酚)以抑制微生物反應, 測定無(wú)生物反應影響下的氨逃逸量與時(shí)間的關(guān)系; ②在相同試驗條件下, 在無(wú)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(shí)間的關(guān)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(wú)活性反應器試驗獲得, 選取與試驗過(guò)程相同的SBR反應器, 在設定相同的FA濃度、曝氣強度、進(jìn)水NH4+-N濃度、溫度、pH以及配水等條件下, 測定無(wú)微生物反應時(shí)系統不同曝氣時(shí)間下的NH4+-N濃度與曝氣時(shí)間的關(guān)系, 通過(guò)線(xiàn)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(guò)線(xiàn)性正相關(guān)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(zhù), 表明FA濃度對FEV產(chǎn)生顯著(zhù)的影響.當0.62 mg·L-1≤FA≤7.7 mg·L-1時(shí), 由于FA濃度較低, FA對FEV幾乎不產(chǎn)生影響, 即可認為此FA濃度階段不發(fā)生氨逃逸; 當7.7 mg·L-1≤FA≤226.6 mg·L-1時(shí), 隨著(zhù)FA濃度的增大, FEV增長(cháng)較緩慢, 且兩者相關(guān)性符合線(xiàn)性關(guān)系, 可通過(guò)擬合直線(xiàn)方程y=0.035x+0.78來(lái)表示[當FA=226.6 mg·L-1時(shí), FEV=7.58 mg·(L·h)-1].當226.6 mg·L-1≤FA≤711.8 mg·L-1時(shí), 隨著(zhù)FA濃度的增大, FEV增長(cháng)較塊, 兩者的相關(guān)性可通過(guò)擬合直線(xiàn)方程y=0.112x-18.6來(lái)表示[當FA=711.8 mg·L-1時(shí), 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(zhù)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(shí), NH4+-N去除率隨著(zhù)FA濃度的升高開(kāi)始下降, 表明在此濃度下AOB的活性逐漸被抑制.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
(2) 基于Edwards動(dòng)力學(xué)模型, 可以從動(dòng)力學(xué)角度描述FA對NO2--N產(chǎn)生量的影響, 通過(guò)對試驗數據的非線(xiàn)性擬合, 當FA=42.6 mg·L-1時(shí), NO2--N產(chǎn)生量最大, 然后逐漸降低, 當FA濃度達到681.1 mg·L-1時(shí)系統的NO2--N產(chǎn)生量?jì)H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(zhù)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(guān), 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.
