游離氨對硝化菌活性的抑制及可逆性影響

孫洪偉，尤永軍，趙華南，郭 英，于海燕， 李 晗，馬 娟（.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 70070；.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘察設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 0000；.中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅 蘭州 70000）

游離氨對硝化菌活性的抑制及可逆性影響

孫洪偉1*，尤永軍1，趙華南1，郭 英2，于海燕3， 李 晗1，馬 娟1（1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘察設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

為考察游離氨（FA）對硝化菌（氨氧化菌AOB和亞硝酸鹽氧化菌NOB）活性的抑制影響，采用SBR反應(yīng)器，基于FA與過程控制協(xié)同作用在實現(xiàn)短程硝化的基礎(chǔ)上，考察了不同F(xiàn)A濃度（1.0，5.3，16.6，13.4，9.9，5.2，1.0mg/L）梯度下，F(xiàn)A對AOB和NOB活性的抑制作用及可逆性.結(jié)果表明，當(dāng)FA濃度達到13.4mg/L時，系統(tǒng)內(nèi)亞硝態(tài)氮積累率（NiAR）逐漸增加，硝態(tài)氮積累率（NaAR）逐漸減小，且NiAR/ NaAR＞1時，系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定短程硝化.在此FA濃度條件下，F(xiàn)A對AOB和NOB活性均產(chǎn)生一定的抑制作用，但相對于AOB，NOB對FA的抑制作用更加敏感.當(dāng)AOB活性被短暫抑制后，其活性又迅速恢復(fù)；而NOB活性被完全抑制.此后當(dāng)FA濃度又逐漸降至1.0mg/L時，AOB活性始終維持較高水平，而NOB活性尚未恢復(fù).也即是說，在本試驗控制的FA濃度條件下，F(xiàn)A對AOB活性的抑制作用是可逆的，而對NOB活性的抑制作用不可逆.

游離氨；亞硝化；氨氧化菌；亞硝酸鹽氧化菌；抑制作用

實現(xiàn)短程生物脫氮的關(guān)鍵是將硝化反應(yīng)及時準(zhǔn)確地控制在亞硝化階段，避免亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，以確保亞硝態(tài)氮高濃度的積累［1］.游離氨（FA）作為影響硝化類型的重要因素之一［2］，對氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性均存在抑制作用［3］.Anthonisen等［4］首次報道了FA對AOB和NOB抑制作用的閾值分別為10～150mg/L和0.1～1.0mg/L.此外，眾多學(xué)者兩類菌群的抑制濃度進行了研究，但獲得的抑制濃度范圍較大［5-11］.但普遍認(rèn)為，相對于AOB，NOB對FA抑制作用更加敏感［12］.因此利用較高FA濃度選擇性抑制NOB活性，使AOB成為優(yōu)勢菌屬［13］，可實現(xiàn)短程硝化.韓曉宇等［14］在A/O反應(yīng)器中通過逐步提高進水NH4+-N負(fù)荷，以提高FA濃度的方法，成功實現(xiàn)了連續(xù)流工藝短程硝化.此外，部分學(xué)者利用FA選擇性抑制的方法在污泥齡（SRT）較長的生物膜法中也成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化［15-16］.目前，關(guān)于FA對硝化菌抑制作用的研究主要存在以下兩方面問題:一是文獻報道給出的FA對硝化菌抑制濃度差異較大，尚未形成有效的抑制濃度范圍［17-19］；二是尚未見到文獻報道當(dāng)FA抑制作用解除后，硝化菌活性是否可恢復(fù).本試驗采用SBR反應(yīng)器，基于FA與過程控制的協(xié)同作用［20］在實現(xiàn)短程硝化的基礎(chǔ)上，考察了不同F(xiàn)A濃度梯度下，F(xiàn)A對AOB和NOB的抑制作用.在此基礎(chǔ)上，研究解除FA抑制作用后，硝化菌活性的可逆性.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行條件

SBR反應(yīng)器由有機玻璃構(gòu)成，有效容積為5L.其運行方式為:進水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置5個階段，其中，每周期進水2.5L，排水比為1:2.整個試驗過程共進行128d.根據(jù)設(shè)定的FA濃度梯度值，分為7個階段，運行條件見表1.初始濃度通過投加NH4Cl溶液（140g/L）來實現(xiàn)，初始pH值由NaOH溶液（1mol/L）來調(diào)節(jié)，通過加熱器使溫度達到規(guī)定溫度.此外，在硝化過程中，溶解氧（DO）控制在2.5～3.0mg/L，污泥齡（SRT）維持在25d左右.

表1 SBR反應(yīng)器的運行條件Table 1 Operating conditions of the SBR reactor

1.2 試驗水質(zhì)、分析項目及接種污泥

試驗用水采用蘭州交通大學(xué)家屬區(qū)生活污水，具體水質(zhì)參數(shù)為:COD369.6～109.9mg/L，64.9～47.5mg/L，pH7.0～7.5.

試驗所用接種污泥取自蘭州市七里河安寧區(qū)污水處理廠氧化溝好氧段污泥，具有良好的生物脫氮性能.

1.3 計算方法

1.3.1 FA濃度的計算 FA濃度的計算參考Anthonisen等［3］的公式進行計算.

1.3.3 AOB和NOB 活性的計算 AOB活性采用比氨氧化速率表示:

NOB活性采用比硝態(tài)氮生成速率表示: SNaPR =

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR系統(tǒng)的硝化性能

圖1 不同F(xiàn)A階段SBR系統(tǒng)脫氮特性Fig.1 The denitrification characteristics of different FA stages of SBR system

整個試驗期間，SBR反應(yīng)器的硝化性能如圖1所示.試驗運行過程中濃度從44.0mg/L逐漸升高到109.9mg/L，又逐漸降低到28.7mg/L.可以看出，SBR系統(tǒng)出水較低，介于0～8.7mg/L之間，平均值為0.68mg/L，去除率達到99.1%，系統(tǒng)獲得了良好脫氮性能.此外，由于進水氨氮負(fù)荷與進水直接相關(guān)，試驗期間氨氮負(fù)荷與濃度呈現(xiàn)出相似的變化趨勢.需要說明的是，整個試驗過程中，進水量始終相同，階段Ⅱ當(dāng)進水濃度提高以后，硝化反應(yīng)時間也相應(yīng)延長，導(dǎo)致氮負(fù)荷并未立即提高，而呈現(xiàn)略微降低的趨勢，經(jīng)過短暫適應(yīng)后，氮負(fù)荷迅速提升.雖然氨氮負(fù)荷在0.18～0.95kg/（m3·d）的較大范圍內(nèi)波動，但SBR系統(tǒng)仍然維持了較好的硝化效果，充分表明SBR系統(tǒng)具有較強的抗氮負(fù)荷沖擊的能力.

2.2 FA對SBR系統(tǒng)短程硝化的長期影響

2.2.1 短程硝化的實現(xiàn)及穩(wěn)定 圖2為不同F(xiàn)A濃度階段，SBR硝化結(jié)束時、、NaAR和NiAR的變化情況.

在階段Ⅰ和Ⅱ，SBR硝化結(jié)束時，NO3--N是主要硝化產(chǎn)物，其濃度維持在37.7～70.2mg/L之間.濃度較低，維持在0～4.7mg/L之間，導(dǎo)致相應(yīng)的NaAR和NiAR分別處于92.7%～100%和0～7.3%之間，表明系統(tǒng)為全程硝化.這主要是由于該階段FA濃度處于較低水平（分別為1.0，5.3mg/L），并未對硝化菌活性產(chǎn)生抑制作用.

在階段Ⅲ，當(dāng)FA濃度提高到16.6mg/L時，硝化結(jié)束時出現(xiàn)了一定的積累，最高值為20.4mg/L濃度也出現(xiàn)了一定的波動，在54.3～89.4mg/L之間，但濃度始終高于濃度，硝化結(jié)束時系統(tǒng)中共存和兩種產(chǎn)物，表明系統(tǒng)處于全程硝化和短程硝化的共存階段，說明FA對NOB的活性產(chǎn)生了部分抑制作用.需要指出的是，在階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，在提高FA濃度的前幾周期，系統(tǒng)出現(xiàn)了短暫的累積（圖中用圓圈標(biāo)出），而后又逐漸消失，這反映了硝化菌對FA具有一定的適應(yīng)性.

相對于階段III，在階段Ⅳ，F(xiàn)A濃度略微降低（平均值為13.3mg/L），隨著反應(yīng)的不斷進行，硝化結(jié)束時濃度逐漸降低，而濃度逐漸升高.表明系統(tǒng)由全程硝化向短程硝化逐步轉(zhuǎn)化.而后成為主要的硝化產(chǎn)物，其濃度升高至102.9mg/L濃度則降低至0.52mg/L，導(dǎo)致NiAR升高到99.5%，NaAR降至0.53%，表明此FA濃度條件下，SBR系統(tǒng)形成了穩(wěn)定的短程硝化.FA對NOB產(chǎn)生了強烈的抑制作用.

為了進一步考察低FA濃度條件下SBR系統(tǒng)短程硝化的穩(wěn)定性，在階段Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，將FA濃度逐步降至9.9，5.2，1.0mg/L.可清楚的看出，雖然硝化結(jié)束時濃度逐漸降低（這是由于進水濃度降低引起的），但NiAR仍然維持在92.1%以上，而NaAR則始終低于7.9%，這表明在低FA濃度條件下，短程硝化并沒有破壞.也就是說在此FA濃度條件下，NOB的活性沒有恢復(fù)，其活性不可逆.

圖2 不同F(xiàn)A濃度階段SBR系統(tǒng)、、NaAR和NiAR的變化規(guī)律Fig.2 The changes of， NaAR and NiAR at different FA concentrations

2.2.2 SBR系統(tǒng)短程硝化實現(xiàn)的機理 由圖3可見，當(dāng)反應(yīng)器運行至116周期時，在SBR硝化反硝化過程中，隨著有機物的降解和硝化反硝化的進行，DO和pH曲線上共出現(xiàn)5個特征點.進水后，隨著曝氣反應(yīng)的進行，在易生物降解COD降解完成時，由于耗氧量的下降，DO曲線上出現(xiàn)突躍點.同時系統(tǒng)進入硝化階段，由于硝化反應(yīng)產(chǎn)酸，pH曲線上出現(xiàn)由上升到下降的轉(zhuǎn)折點.隨著硝化反應(yīng)的進行，系統(tǒng)中濃度逐漸降低，pH值也逐漸降低，F(xiàn)A濃度隨之逐漸下降濃度逐漸上升.同時，系統(tǒng)需氧量逐漸減小，DO濃度隨之緩慢上升.在反應(yīng)第150min時濃度幾乎降至0mg/L，F(xiàn)A濃度隨之降至0mg/L濃度升高至36.9mg/L，表明硝化反應(yīng)結(jié)束.pH曲線上出現(xiàn)由下降轉(zhuǎn)為上升的拐點，稱為“氨谷”.與此同時，DO曲線上出現(xiàn)第二次突躍.

投加乙醇作為反硝化碳源（第165min）后，反硝化開始，隨著反應(yīng)的進行濃度逐漸下降，堿度逐漸增大，系統(tǒng)pH值迅速升高.當(dāng)反硝化結(jié)束，pH曲線上出現(xiàn)由急速上升到驟然下降的拐點，即“亞硝酸鹽肘”.

圖3 氮，COD，DO和pH值在SBR反應(yīng)器中的變化規(guī)律Fig.3 The changes of Nitrogen，COD，DO and pH in the SBR system

FA濃度隨著硝化反應(yīng)的進行逐漸降低，從而對NOB活性的抑制作用逐漸減弱.因此，采用實時控制的運行方式，準(zhǔn)確把握硝化終點，使NOB的生長始終處于FA抑制狀態(tài)，避免了NOB將進一步氧化為，確保短程硝化的持久、穩(wěn)定運行.

基于上述分析，本試驗在FA對SBR系統(tǒng)硝化過程長期影響的基礎(chǔ)上，再利用DO和pH值作為控制參數(shù)進行過程控制，準(zhǔn)確把握硝化終點，以此實現(xiàn)短程硝化反硝化.并通過此實時控制方式避免硝化過程出現(xiàn)過曝氣情況，使得NOB生長始終處于受抑制狀態(tài)，從而實現(xiàn)SBR系統(tǒng)穩(wěn)定的短程硝化.

2.3 FA對硝化菌活性的抑制影響

硝化反應(yīng)過程中，亞硝化反應(yīng)通常被認(rèn)為是限速步驟，而反應(yīng)過程中積累的本質(zhì)取決于AOB和NOB活性.即當(dāng)AOB活性強于NOB活性時，反應(yīng)過程中出現(xiàn)積累.反之，當(dāng)AOB的性低于NOB活性時，反應(yīng)過程中不會出現(xiàn)的積累.也就是說，硝化反應(yīng)過程中的積累是硝化菌菌群結(jié)構(gòu)改變的間接體現(xiàn).

由圖4可以看出，整個反應(yīng)過程中，AOB始終維持了較高的活性，平均值為0.12gN/（gVSS·d）.在階段Ⅶ，AOB活性的降低主要是由于進水濃度的降低，基于Monod方程［21］可知，較低的基質(zhì)濃度導(dǎo)致了反應(yīng)速率降低.需要指出的是，在每一FA增大的初始階段，AOB活性表現(xiàn)出先降低，后迅速恢復(fù)的趨勢，這充分說明FA對AOB的活性具有一定的抑制作用，但經(jīng)過一定時間馴化后，F(xiàn)A對AOB活性的抑制作用可解除.

圖4 SBR系統(tǒng)不同F(xiàn)A階段AOB和NOB活性的變化規(guī)律Fig.4 The changes of AOB and NOB activity at different FA concentrations

基于NOB活性的變化可以看出，在階段Ⅰ和Ⅱ，當(dāng)FA濃度較低時，NOB的活性維持在較高水平（平均值為101.7%）.在階段Ⅲ和Ⅳ，隨著FA濃度的提高，NOB的活性逐漸降低.從階段IV的第20周期至該階段末，NOB活性處于極低水平，這充分表明在此FA濃度條件，NOB活性被完全抑制.在階段V，VII，VII，當(dāng)FA濃度逐步降低至1.0mg/L時，NOB活性始終處于被抑制狀態(tài)，并未恢復(fù).也就是說，F(xiàn)A對NOB活性的抑制作用不可逆.

3 結(jié)論

3.2 利用FA對NOB活性的抑制，再輔以過程控制，可準(zhǔn)確把握硝化終點，避免硝化過程出現(xiàn)過曝氣，從而實現(xiàn)SBR系統(tǒng)穩(wěn)定的短程硝化.

3.3 FA對AOB和NOB活性均具有一定的抑制作用，但相對于NOB，AOB具有更強的抵抗FA抑制的能力.且AOB活性被短暫抑制后，又可迅速恢復(fù).而NOB活性被完全抑制后，其活性不可逆.

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Inhibitory effect of free ammonia on the activity of nitrifying bacteria and recoverability.

SUN Hong-wei1*， YOU Yong-jun1， ZHAO Hua-nan1， GUO Ying2， YU Hai-yan3， LI Han1， MA Juan1（1.School of Environmental and Municipal Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China；2.Inner Mongolia Autonomous Region Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute， Hohhot 010020， China；3.Institute of Modern Physcis，Chinese Academy of Science， Lanzhou 730000， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：95～100

In order to investigate the inhibition of free ammonia （FA） on nitrifying bacteria （ammonia-oxidizing bacteria，AOB and nitrite-oxidizing bacteria， NOB）， after the nitrite pathway was stably achieved in an sequencing batch reactor（SBR） by synergetic interaction of FA and process control， the inhibitory effect of FA on AOB and NOB was investigated at different FA concentrations （1.0，5.3，16.6，13.4，9.9，5.2，1.0mg/L） levels. It demonstrated that， at FA concentration of 13.4mg/L， nitrite accumulation rate （NiAR） gradually increased， nitrate accumulation rate （NaAR） decreased， and chen the nitrite pathway was successfully established in the SBR. Further study showed that this level of FA had a certain inhibitory effect on the activity of AOB and NOB. Compared to AOB， NOB was more sensitive to FA. AOB activity could recovered quickly， while the NOB activity was completely inhibited all along. Thereafter， when the FA concentration was gradually decreased to 1.0mg/L （the lowest level in this study）， AOB maintained good activity， however， the NOB activity had not recovered. Therefore， under the concentration of FA used in this experiment， AOB inhibition by FA was reversible，while NOB activity was non-reversible.

free ammonia；nitritation；ammonia-oxidizing bacteria；nitrite-oxidizing bacteria；inhibition

X703

A

1000-6923（2015）01-0095-06

孫洪偉（1976-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，主要從事高氨氮污水生物脫氮及過程控制研究.發(fā)表論文40余篇.

2014-04-04

國家自然科學(xué)基金資助項目（51168028，51168027）；甘肅省青年基金計劃項目（11072RJYA279）；蘭州交通大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目（20140042）

* 責(zé)任作者， 副教授， shw@emails.bjut.edu