反硝化過程中硝酸鹽與亞硝酸鹽之間對(duì)電子的競(jìng)爭(zhēng)

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(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

反硝化過程中硝酸鹽與亞硝酸鹽之間對(duì)電子的競(jìng)爭(zhēng)

張雨婷,曹利鋒,李乃玉,張永明*

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海200234)

分別測(cè)試硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化過程中的降解速率,由于亞硝酸鹽的降解速率低于硝酸鹽,在此過程中會(huì)有亞硝酸鹽的積累.后續(xù)的實(shí)驗(yàn)表明,這一降解速率的差別是因?yàn)閮烧叻聪趸鷮?duì)電子親和力不同導(dǎo)致電子流的分布不同造成的.在反硝化初期,硝酸鹽獲得電子較多,因而其降解速率較快.當(dāng)硝酸鹽的質(zhì)量濃度低于亞硝酸鹽后,亞硝酸鹽的降解速率較快,這表明電子流主要流向亞硝酸鹽.

反硝化; 電子流; 降解速率

0 前 言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,各類廢水的水量不斷增加,其中含氮廢水是主要的一類.這一類廢水在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域普遍存在[1-3].在含氮廢水的生物處理過程中,大多數(shù)情況下,最初的有機(jī)氮或氨氮是在好氧條件下通過硝化反應(yīng)先轉(zhuǎn)化為硝酸鹽[4-5],而后則是在缺氧條件下通過反硝化使硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)?從而使水中的氮素去除[6-8].這兩個(gè)主要步驟中,硝化反應(yīng)在滿足一定的溶解氧濃度情況下,比較容易實(shí)現(xiàn)[9-10].而后一步的反硝化過程則受到比較多因素的影響或約束.反硝化過程中,第一步通常是先將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,然后依據(jù)不同的條件,轉(zhuǎn)化為分子態(tài)氮(N2)或一氧化二氮(N2O),從而使水中的氮素得以最后去除[11-12].

在大多數(shù)情況下,在富營(yíng)養(yǎng)化水體的生物修復(fù)中,氮素的去除通常是非常重要的環(huán)節(jié).尤其是后續(xù)的反硝化過程中,隨著硝酸鹽的不斷降解,在很多情況下往往會(huì)有亞硝酸鹽的積累[13],因此亞硝酸鹽的去除速率則成為總氮去除的控制步驟.硝酸鹽和亞硝酸鹽的反硝化過程,都是需要依靠電子反應(yīng)的過程.在它們的反硝化過程中,通過胞內(nèi)電子載體NADH2(簡(jiǎn)寫為2H,其中H=e-+H+)向硝酸鹽和亞硝酸鹽傳遞電子后,變?yōu)檠趸瘧B(tài)(NAD),硝酸鹽和亞硝酸鹽的反應(yīng)式分別為:

NO3-+2H → NO2-+H2O.

(1)

NO2-+1.5(2H) →0.5N2+H2O+OH-.

(2)

其中,硝酸鹽首先轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,而后轉(zhuǎn)化為氮?dú)?N2).在此過程中,硝酸鹽和亞硝酸鹽需要的電子數(shù)是不一樣的.因此,亞硝酸鹽的積累是由于硝酸鹽和亞硝酸鹽的降解速率不同而引起的.假設(shè)在整個(gè)反硝化過程中,硝酸鹽和亞硝酸鹽降解速率的差別是因?yàn)橄跛猁}反硝化菌對(duì)電子的親和力大于亞硝酸鹽反硝化菌.本研究試圖通過生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)和分析,證明硝酸鹽和亞硝酸鹽反硝化速率的差別是由于不同的反硝化菌對(duì)電子親和力不同而引起的.

隨著國(guó)家對(duì)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,水中總氮的去除率已引起人們的高度關(guān)注[14-15].解釋清楚為什么硝酸鹽在降解過程中常常會(huì)有亞硝酸鹽的積累,即硝酸鹽的去除速率常常會(huì)大于亞硝酸鹽的去除速率,對(duì)于認(rèn)識(shí)反硝化過程的規(guī)律,提高實(shí)際廢水中總氮的去除效率,具有一定理論和實(shí)際意義.

1 材料與方法

1.1生物反應(yīng)器

圖1 立式折流內(nèi)循環(huán)生物膜反應(yīng)器示意圖

實(shí)驗(yàn)采用圖1所示的立式折流內(nèi)循環(huán)生物膜反應(yīng)器.該反應(yīng)器總體積為800 mL,分為上部300 mL的圓筒和下部500 mL的水槽兩部分.在水槽中設(shè)置一個(gè)潛水泵,運(yùn)行時(shí)溶液由潛水泵驅(qū)動(dòng)在上下部之間循環(huán)流動(dòng).上部采用20塊D形塑料板交錯(cuò)排列,形成折流通道.這里塑料板還兼做生物膜的載體.

1.2溶液配制

各種分析試劑以及氯化銨和葡萄糖均購(gòu)自中國(guó)上海國(guó)藥化工試劑有限公司.首先用超純水配制質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的NaNO3和質(zhì)量濃度為1 000 mg/L C6H12O6為作為母液.緩沖溶液的配制是將21.75 g的磷酸氫二鉀和4.27 g的磷酸二氫鉀溶解在1L超純水中.另外將0.4 g CaCl2,0.2 g MgSO4·7H2O和0.12 g MnSO4·H2O溶解在1 L的超純水中作為微量元素母液.具體實(shí)驗(yàn)時(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將母液稀釋于自來(lái)水中,配制所需要的初始模擬污水質(zhì)量濃度,隨后在每升溶液中加入5 mL緩沖液和1 mL微量元素溶液.

1.3反硝化菌的培養(yǎng)及接種

活性污泥取自上海長(zhǎng)橋污水處理廠的二沉池.先將500 mL污泥加入到立式折流內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器中,隨后加入300 mL含有25 mg的NaNO3和20 mg葡萄糖的溶液,并立即啟動(dòng)循環(huán)泵,驅(qū)動(dòng)溶液在反應(yīng)器上下部之間循環(huán).污泥被吸附在D形陶瓷片上形成生物膜.隨后在23～25 ℃條件下進(jìn)行反硝化生物膜的馴化.馴化期間每天用新鮮溶液替換前一天的培養(yǎng)液,每2 d測(cè)一次NH4+、NO3-、NO2-的質(zhì)量濃度.經(jīng)過3個(gè)月的馴化之后,形成了穩(wěn)定的生物膜.

1.4硝酸鹽和亞硝酸鹽的降解實(shí)驗(yàn)

為了比較硝酸鹽和亞硝酸鹽的降解速率并計(jì)算它們之間的差別,本實(shí)驗(yàn)共分3步進(jìn)行:1) 分別在碳?xì)浔?C/N)為4和6的條件下,將初始質(zhì)量濃度為23～26 mg/L的硝酸鹽溶液800 mL加入到反應(yīng)器進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn).每間隔一定時(shí)間取樣測(cè)試硝酸鹽的質(zhì)量濃度,同時(shí)分析亞硝酸鹽的生成情況;2) 分別在C/N為4和6的條件下,將初始質(zhì)量濃度為23 mg/L的亞硝酸鹽溶液加入到反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn),同樣每間隔一定時(shí)間取樣分析亞硝酸鹽的質(zhì)量濃度.依據(jù)步驟1)和2)的結(jié)果,計(jì)算分別在C/N比為4和6的條件下,硝酸鹽和亞硝酸鹽的降解速率并進(jìn)行比較;3) 在C/N為4的條件下,分別加入初始質(zhì)量濃度不同的硝酸鹽和亞硝酸鹽溶液,測(cè)試初始20 min時(shí)它們質(zhì)量濃度的變化,并計(jì)算它們的反硝化速率,同時(shí)分析硝酸鹽和亞硝酸鹽的初始質(zhì)量濃度與其降解初速率之間的關(guān)系.

1.5分析方法

在上述的實(shí)驗(yàn)過程中,每間隔一定時(shí)間,取樣分析硝酸鹽和亞硝酸鹽的質(zhì)量濃度.分析采用間斷分析儀(型號(hào):Model:AotoChem 1200,中國(guó)產(chǎn))進(jìn)行分析,樣品分析前均經(jīng)過孔徑為0.45 μm的醋酸纖維素膜過濾.

2 結(jié)果與討論

2.1C/N對(duì)硝酸鹽降解速率及亞硝酸鹽積累的影響

圖2 不同C/N條件下硝酸鹽和亞硝酸的去除規(guī)律(E為實(shí)驗(yàn)值,C為計(jì)算值)

在C/N分別為4和6時(shí),硝酸鹽的降解速率常數(shù)分別為0.83和0.52 (mg·L-1)0.44·h-1.即C/N=6時(shí)硝酸鹽的降解速率比在C/N=4時(shí)快60%.此外,隨著硝酸鹽的降解,亞硝酸鹽的質(zhì)量濃度首先是逐漸增加,隨后又不斷下降.比較硝酸鹽和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度的變化情況可以發(fā)現(xiàn),在硝酸鹽降解過程中,亞硝酸鹽首先逐漸積累,然后才逐漸降低.這個(gè)結(jié)果表明,在反硝化過程中,亞硝酸鹽的降解速率要低于硝酸鹽的降解速率.否則就不會(huì)有亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果還說(shuō)明,硝酸鹽和亞硝酸鹽的反硝化過程中是同時(shí)發(fā)生的.由式(1)和(2)可知,兩個(gè)反硝化反應(yīng)必然會(huì)存在對(duì)電子的競(jìng)爭(zhēng),即在該反硝化過程中,存在電子流的分布問題.此外,比較不同C/N條件下亞硝酸鹽最終去除的情況,當(dāng)C/N=6時(shí),亞硝酸鹽在11 h內(nèi)就完全去除,而在C/N=4時(shí),亞硝酸鹽15h后仍未完全去除.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明C/N越高,反硝化速率越快.

2.2C/N對(duì)亞硝酸鹽的降解速率的影響

使用同一個(gè)反應(yīng)器,在C/N分別為4和6的條件下,單獨(dú)對(duì)亞硝酸鹽進(jìn)行反硝化降解實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖3所示.此時(shí)單獨(dú)亞硝酸鹽降解的反應(yīng)速率同樣也可以用分?jǐn)?shù)級(jí)來(lái)表示.對(duì)該降解反應(yīng)同樣采用前述的分?jǐn)?shù)級(jí)公式,經(jīng)過試差法確定亞硝酸鹽的降解速率為0.1級(jí).由圖3可以看出,C/N為6時(shí),亞硝酸鹽的降解速率比C/N為4時(shí)的速率大53%.該結(jié)果表明,C/N的增加不僅可以加速硝酸鹽的降解速率,同樣也可以加速亞硝酸鹽的降解速率.

圖3 不同C/N條件下,亞硝酸鹽去除速率的比較(E為實(shí)驗(yàn)值,C為計(jì)算值)

2.3硝酸鹽和亞硝酸鹽降解速率的比較

由圖2所示的數(shù)據(jù)不易區(qū)分硝酸鹽和亞硝酸鹽之間降解速率的差別.由于在不同條件下,硝酸鹽與亞硝酸鹽的降解動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)不一致,因此也不便于對(duì)圖2和圖3的降解速率進(jìn)行比較.為此,依據(jù)硝酸鹽和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度差與時(shí)間差的比值(Δc/Δt)可以求解出它們的降解速率隨時(shí)間的變化關(guān)系,由此可以得出硝酸鹽和亞硝酸鹽降解速率與時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果如圖4所示.比較圖4中兩個(gè)C/N的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),C/N=6時(shí)的速率大于C/N=4時(shí)的速率.這說(shuō)明反硝化速率與C/N成正比關(guān)系.此外,由圖4可以看出,在反硝化的大部分時(shí)間里,硝酸鹽的降解速率大于亞硝酸鹽的降解速率.由于電子質(zhì)量濃度與反硝化速率成正比,因此,該結(jié)果表明在反硝化的大部分時(shí)間里,硝酸鹽反硝化過程獲得的電子多于亞硝酸鹽的反硝化過程.即在大部分時(shí)間內(nèi),電子流流向硝酸鹽的還原過程,直至5～6 h之后亞硝酸鹽的降解速率才大于硝酸鹽的降解速率.對(duì)比圖2可以發(fā)現(xiàn),幾乎就在亞硝酸鹽的質(zhì)量濃度大于硝酸鹽的質(zhì)量濃度之后,亞硝酸鹽的降解速率才大于硝酸鹽.

2.4硝酸鹽和亞硝酸鹽反硝化菌對(duì)電子親和性的比較

圖4 不同C/N條件下硝酸鹽和亞硝酸去除速率的比較

圖5 在C/N=4時(shí),硝酸鹽和亞硝酸鹽的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(E為實(shí)驗(yàn)值,C為計(jì)算值)

3 結(jié) 論

在硝酸鹽的反硝化過程中,會(huì)有亞硝酸鹽的積累,這是因?yàn)橄跛猁}的反硝化速率大于亞硝酸鹽.引起該速率的差別是因?yàn)橄跛猁}與亞硝酸鹽的反硝化菌對(duì)電子親和力不同.由于它們均屬于需要電子的反硝化反應(yīng),在反硝化過程中,便會(huì)產(chǎn)生對(duì)電子的競(jìng)爭(zhēng),由此引起反硝化過程中電子流分布的不同.由于硝酸鹽反硝化菌對(duì)電子的親和力比亞硝酸鹽要強(qiáng),因此硝酸鹽的降解速率要大于亞硝酸鹽的降解速率.提高C/N可以加速它們的反硝化速率.

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(責(zé)任編輯：郁 慧)

Competitionforelectronsbetweennitrateandnitriteduringdenitrification

Zhang Yuting,CaoLifeng,LiNaiyu,ZhangYongming*

(College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai200234,China)

Nitrate and nitrite removal rates were measured respectively during denitrificaiton,and experimental results showed that nitrite accumulated during nitrate removal,because nitrite removal rate was slower than nitrate.Following experiments documented that the difference between nitrate and nitrite was caused by different electron flow distribution between them,which was due to their different affinity to electron donors.In the initial stage of denitrification,nitrate removal rate was faster than nitrite as it obtained more electrons,but nitrite removal rate faster than nitrate when nitrate concentration was less than nitrite,during which electrons flowed to nitrite then.

denitrification; electron flow; biodegradation rate

2017-04-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978164);上海市地方高校能力建設(shè)項(xiàng)目(201607050300)

張雨婷(1993-),女,碩士研究生,主要從事污水處理方面的研究.E-mail:zyt3307@126.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 張永明(1958-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水污染控制方面的研究.E-mail:zhym@shnu.edu.cn

X522

:A

:1000-5137(2017)04-0483-06

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