王志盈， 袁林江， 彭黨聰， 劉超翔
（西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

　　摘要：采用下向流內(nèi)循環(huán)生物流化床反應(yīng)器(DBFB)，分別在高濃度氨和低溶解氧條件下探討了亞硝化過程的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明：通過高濃度游離氨對硝化菌選擇性抑制所獲得的亞硝酸鹽積累是不穩(wěn)定的；在0.5～1.0mg/L溶解氧下，DO成為增殖的限制基質(zhì)，可實現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累；當(dāng)進水NH₃-N為300 mg/L時，出水NH₃-N＜20 mg/L；在保證氨氮去除率＞90%的前提下，使出水硝態(tài)氮中亞硝酸鹽比例穩(wěn)定在80%以上。亞硝化選擇過程完成后亞硝酸菌成為生物膜中的優(yōu)勢菌群。
　　關(guān)鍵詞：DBFB；硝化；亞硝酸鹽積累；生物脫氮
　　中圖分類號：X703
　　文獻標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2000)04-0001-04

Experimental Study on the Selection Characteristic of Nitrificationin Down-Flow Biological Fluidized Bed (DBFB)

WANG Zhi ying,YUAN Lin jiang, PENG Dang?cong, LIU Chao xiang
(School of Environ. and Munic. Eng., Xi’an Univ. of Architec. and Tech., Xi’an? 710055, China)

　　Abstract：A DBFB reactor was used to discuss the stability of nitrozation under high conce ntration of ammonia and low concentration of DO respectively. The experimental results showed that the nitrite accumulation obtained from selective inhibition of high concentration free ammonia to nitrifier was unstable. DO became growth-limiting substrate, and nitrite accumulation could be realized at DO concentration of 0.5～1.0 mg/L. When NH₃-N concentration in influent was 300 mg/L, that in effluent was lower than 20 mg/L. Under prerequisite for ammonia removal efficiency of more than 90%, the ratio of nitrite to the sum of nitrite and nitrate in the effluent was above 80%. Nitrosomonas dominated in the biofilm after accomplishment of nitrozation selection.?
　　Keywords: DBFB； nitrification； nitrite accumulation； biological nitrogen removal

　　在傳統(tǒng)硝化--反硝化脫氮過程中, 從硝酸鹽(NO₃^-)或亞硝酸鹽(NO₂^-)都可以進行反硝化，而硝化過程中由NO₂^-轉(zhuǎn)化為NO₃^-要消耗一定的溶解氧,然后在反硝化過程中NO₃^-再轉(zhuǎn)化為NO₂^-的重復(fù)轉(zhuǎn)化要消耗更多的有機碳源。如果控制這一轉(zhuǎn)化過程,使NO₂^-全部或大部分不轉(zhuǎn)化成NO₃^-,由NO₂^-直接反硝化,就形成了所謂的短程硝化—反硝化。其優(yōu)點有:①需氧量減少了25%左右,可降低能耗。②反硝化過程中有機碳源需要量減少40%左右。③在高氨環(huán)境下,NH₄⁺的硝化速率和NO₂^-的反硝化速率均比NO₂^-的氧化速率和NO₃^-的反硝化速率快,因而水力停留時間可縮短,反應(yīng)器容積也可相應(yīng)減小。④亞硝酸菌和硝酸菌的表觀產(chǎn)率系數(shù)分別為0.04～0.13 gVSS/gN和0.02～0.07gVSS/gN,NO₂^-反硝化菌和NO₃^-反硝化菌表觀產(chǎn)率系數(shù)分別為0.345 gVSS/gN和0.765gVSS/gN,因此短程硝化—反硝化在硝化過程中可少產(chǎn)污泥33%～35%左右,在反硝化過程中可少產(chǎn)污泥55%左右。由此可見，對于焦化、石化、化肥以及垃圾滲濾液等高氨氮、低碳源廢水的生物脫氮處理，短程硝化—反硝化具有重要的意義。
　　實現(xiàn)短程硝化—反硝化的關(guān)鍵步驟是將硝化過程控制在亞硝化階段,本文分別在高濃度氨和低溶解氧條件下,探討了硝化過程的選擇特性及其實現(xiàn)方法,為高氨低碳源廢水的高效、低能耗處理提供一定的依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗裝置及材料
　　采用下向流內(nèi)循環(huán)生物流化床(DBFB)作為硝化反應(yīng)器進行試驗(見圖1)，載體為多孔性輕質(zhì)無機鹽Perlita G，粒徑為1.1mm。

1.2 廢水
　　采用人工配水,由NH₄Cl、NaH₂PO₄、Na₂CO₃和微量元素組成，廢水中的N∶P控制在(10～20)∶1，堿度按7～8 gNa₂CO₃/gNH₃-N的比例投加。
1.3 分析方法
　　氨氮,納氏試劑比色法；亞硝酸鹽氮,N-1-奈基-乙二胺比色法；硝酸鹽氮,紫外分光光度法；DO,膜電極法；亞硝酸菌和硝酸菌數(shù)，MPN法；硝化速率，血清瓶體外間歇試驗法［pH 7.5,(28±1)℃］。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮濃度對硝化過程選擇性的影響
2.1.1 系統(tǒng)初期運行與穩(wěn)定硝化的實現(xiàn)
　　系統(tǒng)運行初期,出水亞硝酸鹽氮占整個硝態(tài)氮的78%～80%，氨氮的[HJ]轉(zhuǎn)化率均在95%以上。這是由于亞硝酸菌優(yōu)先在載體上生長繁殖,而硝酸菌則因適應(yīng)能力比前者弱,生長較慢^［1］，硝化能力相應(yīng)小于后者，因而造成了亞硝酸鹽氮的初期積累。隨著運行時間的增加,硝酸菌逐步適應(yīng)和增殖,硝酸鹽氮濃度開始上升，亞硝酸鹽氮逐漸下降。第17d時進水氨氮濃度為150mg/L,出水硝酸鹽氮濃度上升到120mg/L,亞硝酸鹽氮積累率降低到15%。可見,在溶解氧充足、環(huán)境適宜的條件下,生物膜上硝酸菌和亞硝酸菌的數(shù)量及硝化能力最終會達到平衡,從而實現(xiàn)NH₄⁺→NO₃^-的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化過程。
2.1.2 高濃度氨下的運行特征
　　進一步將進水氨氮濃度從150mg/L提高到300mg/L,出水亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度隨進水氨氮濃度變化見圖2中的Ⅰ部分。可以看出,進水氨氮濃度超過200mg/L后,亞硝酸鹽氮濃度開始逐漸上升，隨著進水濃度的迅速提高,亞硝酸鹽氮積累率也越來越大。當(dāng)進水氨氮濃度為300mg/L時,出水亞硝酸鹽氮濃度增加到150mg/L,積累率達56%，表明進水中的高濃度游離氨對系統(tǒng)的硝化作用產(chǎn)生了抑制。

　　一些研究表明,亞硝酸菌和硝酸菌對游離氨的敏感度不同，硝酸菌容易受到游離氨的抑制。游離氨對硝酸菌和亞硝酸菌的抑制濃度分別為0.1～1.0mg/L和10～150mg/L。當(dāng)游離氨濃度超過了兩類菌群的抑制濃度時,則整個硝化過程都受到抑制。當(dāng)游離氮的濃度高于硝酸菌的抑制濃度,而低于亞硝酸菌的抑制濃度時,則亞硝酸菌能夠正常增殖和氧化,而硝酸菌被抑制,就會發(fā)生亞硝酸的積累。進水濃度為300mg/L(pH=7.5,t=25 ℃)時,系統(tǒng)內(nèi)游離氨濃度為4.5mg/L，正處于硝酸菌的抑制濃度范圍內(nèi),故系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了亞硝酸鹽氮積累現(xiàn)象。
　　圖2中的Ⅱ部分是系統(tǒng)停運之后又恢復(fù)運行出現(xiàn)的現(xiàn)象。此間硝酸鹽氮濃度迅速升高,而亞硝酸鹽氮積累率則持續(xù)下降。當(dāng)進水濃度再次達300mg/L時,系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮積累率僅為10%,比前期的56%下降了許多，表明硝酸菌對高濃度游離氨產(chǎn)生了適應(yīng)性。
　　Ahthonisen曾指出硝酸菌對游離氨的適應(yīng)性能影響游離氨抑制濃度大小，且硝酸菌對游離氨產(chǎn)生的適應(yīng)性是不可逆轉(zhuǎn)的。本試驗結(jié)果也表明，在生物膜中單純通過提高游離氨濃度(或進水氨氮濃度)雖可獲得亞硝酸鹽氮的積累，但這樣實現(xiàn)的短程硝化是不穩(wěn)定的。
2.2 溶解氧濃度對硝化過程選擇性的影響
2.2.1 亞硝化選擇過程
　　當(dāng)系統(tǒng)達到較高負荷［1.4 kgN/(m³·；d)］并進入全程硝化狀態(tài)(亞硝酸鹽氮比率＜10%)后,保持進水氨氮濃度在300mg/L以下，逐漸減小氧供給量,使溶解氧濃度逐步降低到1.0mg/L以下后,氨氮的去除率降低到90%以下,出水氨氮濃度由原來的不到10mg/L升高到30～45mg/L，同時出水亞硝酸鹽氮濃度也迅速上升,到第9d時,出水亞硝酸鹽氮濃度已達160mg/L。表明硝酸菌的正常硝化速率受到抑制,一部分亞硝酸鹽氮因不能被及時氧化而積累下來。隨著運行時間的增加,出水亞硝酸鹽氮濃度和積累率繼續(xù)升高。這一時期亞硝酸鹽氮的波動幅度大，環(huán)境條件稍有變化時(如溶解氧局部增大、進水量減小),亞硝酸鹽氮濃度就會迅速下降,硝酸鹽氮濃度即刻上升。其主要原因是低溶解氧對硝酸菌活性的抑制作用,以及在對有限溶解氧的競爭上，亞硝酸菌的能力要強于硝酸菌^［2、3］。但由于亞硝化選擇過程剛剛開始,生物膜中硝酸菌仍占據(jù)一定比例，故在基質(zhì)競爭過程中,會因外部條件起伏變化而引起亞硝酸鹽氮積累的波動。
　　為了加劇亞硝酸菌選擇過程,將溶解氧進一步降低后，出水亞硝酸鹽氮濃度增大到200mg/L,氨氮濃度也升到60～70mg/L,氨氮去除率下降到80%以下。試驗中觀察到載體上脫落的生物膜明顯增多,流化床底部沉積了大量污泥,出水混濁，說明溶解氧的降低對系統(tǒng)造成了一定的沖擊,不過這加快了生物膜的更新和菌群變化，加劇了亞硝酸的選擇過程。
　　2.2.2 亞硝化穩(wěn)定期
　　經(jīng)過一段時間選擇后（約30d后），系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮濃度能夠穩(wěn)定在210～230mg/L左右,亞硝酸鹽氮積累率達到82%～86%，出水氨氮濃度降低到30mg/L左右,氨氮去除率也達到90%以上，表明亞硝化選擇過程基本穩(wěn)定，此后的一段時期可稱之為亞硝化穩(wěn)定期。該時期流化床中脫落的生物膜明顯減少,出水清澈,生物膜性狀良好。即使略加大供氣量,使DO提高至0.8～1.0mg/L，亞硝酸鹽氮積累率仍然穩(wěn)定保持在80%以上, 波動不大，只是出水氨氮濃度更低，去除率上升。
　　在穩(wěn)定亞硝化階段，保持進水量不變,逐步降低系統(tǒng)的進水氨氮濃度,則出水氨氮濃度降低到了10mg/L以下,去除率達到98%；亞硝酸鹽氮濃度呈階梯性下降,積累率從84%下降到76%；但出水硝酸鹽氮濃度則基本維持在40～50mg/L左右。系統(tǒng)中硝酸鹽濃度并沒有因氨氮負荷的降低而提高,說明亞硝酸鹽氮積累依舊保持穩(wěn)定，證實了控制低溶解氧(0.5～1.0mg/L)是維持系統(tǒng)內(nèi)亞硝酸鹽氮積累穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，這一點與Garrido^［4］所觀察到的現(xiàn)象相同。
2.3 低溶解氧下不同運行階段硝化速率對比
　　從表1可見，在選擇期前硝酸菌的硝化速率［115mgN/(L·；h)］基本上與亞硝酸菌的［120mgN/(L·；h)］相匹配，表明在溶解氧充足的條件下,二類菌群基本平衡。但DO為0.5～1.0mg/L時，進入亞硝化穩(wěn)定期時硝酸菌的硝化速率大幅度降低到13mgN/(L·；h),而亞硝酸菌硝化速率僅降至為92 mgN/(L·；h)，兩者差異較大，導(dǎo)致系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮的大量積累。這說明溶解氧降低一方面使兩類硝化菌因基質(zhì)受限而速率降低；另一方面表明亞硝酸菌對有限溶解氧的競爭力強于硝酸菌，使亞硝酸菌增殖和氧化速率比硝酸菌高，因此全程硝化中兩類菌的平衡在低溶解氧下被打破,亞硝酸菌的活性遠大于硝酸菌，從而獲得了持久穩(wěn)定的NO₂-N積累。

表1　低溶解氧下不同運行階段系統(tǒng)硝化速率 DO
(mg/L) 對象 最大硝化速率
［mgN/(L·h)］ 生物膜取自的運行階段 >2.0 亞硝酸菌 120 亞硝化選擇過程前 硝酸菌 115 0.5～1.0 亞硝酸菌 92 亞硝化穩(wěn)定期 硝酸菌 13

2.4 生物膜中硝化菌數(shù)量變化
　　表2是在亞硝化過程選擇前和穩(wěn)定亞硝化時生物膜細菌計數(shù)結(jié)果。經(jīng)過低溶氧選擇后生物膜上亞硝酸菌數(shù)量增加了約3倍,而硝酸菌數(shù)量減少了近40%，表明低溶氧狀態(tài)下亞硝酸菌能夠繼續(xù)增殖，而硝酸菌則由于對溶解氧的競爭能力小于前者,其正常的繁殖過程受到了嚴重的抑制，并且還由于長期缺乏氧而在內(nèi)源呼吸中死亡，數(shù)目反而會降低。經(jīng)過亞硝化選擇過程后, 生物膜上亞硝酸菌比例上升到94%,成為膜上的優(yōu)勢菌群，使亞硝酸鹽氮能夠持續(xù)穩(wěn)定地積累，這也與上述對硝化速率的判斷相吻合。

表2 硝酸菌數(shù)量

個/ml 時間 亞硝酸菌 硝酸菌 亞硝化選擇過程前 3×10⁹ 1×10⁹ 穩(wěn)定亞硝化時 1×10⁹ 6×10⁷

3 結(jié)論

　　① 在溶解氧充足的條件下,由于亞硝酸菌的優(yōu)先競爭增殖和硝酸菌對高氨抑制的適應(yīng)性，使得在高濃度游離氨條件下選擇性抑制獲得的亞硝酸積累是不穩(wěn)定的。
　　② 在進水氨氮濃度為300mg/L時,將溶解氧濃度降至0.5～1.0mg/L,系統(tǒng)經(jīng)過一段時間后,亞硝酸積累率穩(wěn)定在80%以上,氨氮去除率可達到90%以上。即使降低進水氨氮濃度也不會影響亞硝酸的穩(wěn)定積累，說明保持低溶解氧是可以實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化過程。
　　③ 低溶解氧下亞硝化選擇完成后亞硝酸菌的數(shù)量比高溶氧時增加了約3倍,而硝酸菌的數(shù)量減少了約40%，亞硝酸菌在生物膜上成為優(yōu)勢菌群,導(dǎo)致氨和亞硝酸氧化速率嚴重不匹配，進一步證實了降低溶解氧實現(xiàn)的亞硝化是通過生物膜上兩類硝化菌的競爭選擇后促使其數(shù)量和活性發(fā)生了改變所致。

參考文獻：
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［2］Hanaki K ?et al?. Nitrification at low levels of dissolved oxygen with and without organic loading in a suspended-growth reactor［J］. Water Res,1990,24:379-402.
［3］Laanbroek H J ?et al?. Competition for limiting amounts of oxygen between Nitrosomonas europaea and Nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultured［J］. Arch Microbiology,1993,159:453-459.
［4］Garrido J M et al?. Influence of dissolved oxygen concentration on nitrite accumulation in a biofilm airlift suspension reactor［Ｊ］.Biotech Bioeng,1997,53:168-179.

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基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(59878042)

作者簡介：王志盈(1942-)，男，陜西銅川人，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院教授，學(xué)士，研究方向：水污染控制。
電話：（029）5533722（H）2202727（O）