在部分亚硝化中功能及对亚硝化效能影响

李 祥，王 悦，黄 勇，巫 川，王孟可，陈宗姮，刘福鑫 （苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州科技学院环境生物技术研究所，江苏 苏州 215009）

李 祥*，王 悦，黄 勇，巫 川，王孟可，陈宗姮，刘福鑫 （苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州科技学院环境生物技术研究所，江苏 苏州 215009）

通过接种成熟的亚硝化生物膜研究了HCO3-在部分亚硝化过程的主要功能，为部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺处理高氨氮低碳废水时亚硝化段碳源需求提供依据.结果表明，维持进水氨氮浓度不变，通过降低HCO3-浓度将进水C/N比维持在1.8时，反应器内亚硝化效能达到0.99kg/（m3·d）；逐步降低C/N比至0.5时，因HCO3-不够维持亚硝化体系pH值环境，导致亚硝化效能下降至0.67kg/（m3·d）.C/N比维持在0.75时，基本能够维持亚硝化过程所需要pH值为8的环境.亚硝化过程中HCO3-的消耗量与亚硝化效能具有明显的线性关系.当利用低浓度强碱将反应器内pH值维持在8时，空气和水中微量碳源就能够满足亚硝化过程的碳源需求，亚硝化效能最高达到1.28kg/（m3·d）.说明HCO-3在部分亚硝化过程中主要功能是中和亚硝化过程产生的H+，维持亚硝化菌所需要的pH值环境.

部分亚硝化；碳酸氢盐；亚硝化效能；功能

随着对厌氧氨氧化反应机理、影响因素及控制过程研究的不断深入，基于厌氧氨氧化反应的自养生物脱氮联合工艺逐步受到研究者的关注［1-8］.该联合工艺因具有无需有机物参与，耗氧量少，二次污染少，脱氮效能高的优势.为化工行业高氨氮、低碳废水的处理带来了新的技术革命［9-11］.

在联合工艺中，亚硝化作为厌氧氨氧化的前置反应，需要将部分氨氮转化为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化提供电子受体.因此，亚硝化过程高效稳定的运行直接关系到后续厌氧氨氧化工艺脱氮效能高低.研究者一般通过控制温度、溶解氧、游离氨和碱度等因素实现部分亚硝化［12-14］.然而厌氧氨氧化细菌与好氧氨氧化细菌（此处为将氨氧化为亚硝酸盐的微生物）对部分生长环境因子和基质的需求存在部分相似性，若对亚硝化过程进行限制可能会影响到厌氧氨氧化过程的脱氮效能.例如不仅是好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌碳源的来源，同时还是阻止亚硝化过程pH值下降和厌氧氨氧化过程pH值上升的重要缓冲物质［15-16］.有研究表明通过限制投加量可以控制部分亚硝化的程度，以满足厌氧氨氧化对进水水质的要求［17-18］.但是该策略到底是限制好氧氨氧化菌对碳源的需求，还是限制了亚硝化菌对pH值缓冲物的需求，仍很少有文献进行报道.同时若对亚硝化段进行控制，可能会导致厌氧氨氧化菌对碳源需求量不足，影响整体工艺的脱氮效能.因此，如何实现亚硝化反应器高效稳定运行的同时，不影响厌氧氨氧化过程对的需求是目前联合工艺运行过程需要探讨的问题之一.

1 材料与方法

限制碳源对亚硝化效能影响的实验采用发酵罐装置R2，由玻璃制成（图1）.控制反应器有效体积2.5L，内置纤维填料，填充度25%.反应器温度控制在32℃，由水浴套加热控制.进水方式为连续流，流量由蠕动泵控制；进气量由转子气体流量计控制.反应器内置ORP/pH在线监控调节装置，控制反应器内pH值在8.0±0.1，由低浓度强酸强碱控制.

图1 亚硝化反应装置Fig.1 Schematic diagram of the nitrification reactor

1.2 接种污泥

亚硝化反应器接种污泥为成熟的亚硝化生物膜，接种污泥取自某生活污水处理装置好氧区的活性污泥，成絮状，具有良好的沉淀性能，SVI为40mL/g.

1.3 模拟废水组成

采用人工配水，废水主要由NH4Cl（按需配制），NaHCO3（按需配制），KH2PO427mg/L，CaCL2·2H2O 136mg/L，MgSO4·7H2O 20mg/L和微量元素浓缩液Ⅰ1mL/L，微量元素浓缩液Ⅱ1.25mL/L组成.微量元素浓缩液Ⅰ：EDTA 5000mg/L， FeSO45000mg/L；微量元素浓缩液Ⅱ：EDTA 5000mg/L， ZnSO4·7H2O 430mg/L，CoCl2·6H2O 240mg/L，MnCl2·4H2O 990mg/L，CuSO4·5H2O 250mg/L， NaMoO4·2H2O 220mg/L，NiCl2·6H2O 190mg/L，NaSeO4·10H2O 210mg/L，H3BO414mg/L.

1.4 测定方法

水质指标均按照《水和废水监测分析方法》［19］方法测定.采用纳氏分光光度法；采用N-（1萘基）-乙二胺分光光度法；采用紫外分光光度法；DO采用梅特勒荧光法在线监测仪；pH值采用哈纳pH211型酸度计；pH/ORP在线监测设备采用梅特勒监测仪，IC（Inorganic Carbon，简称IC）采用岛津TOC监测设备.

限制碳源对亚硝化效能影响的实验：接种亚硝化生物膜启动亚硝化反应器R2并使之稳定运行，然后利用低浓度强碱控制反应器的pH值恒定在8.0±0.1，仅有微量元素中的碳源和空气中的CO2作为碳源，研究限制碳源对亚硝化效能的影响.

2 结果与分析

图2 浓度对亚硝化反应器亚硝化效能的影响Fig.2 Effect of the concentration ofon nitrification performance in nitrification reactor

图3 浓度变化对IC及pH值的影响Fig.3 The effect of the change of concentration ofon the concentration of IC and pH

2.3 碳源的供应量对亚硝化效能的影响

在亚硝化反应器R2启动期间（1～20d），进水IC基本保持650mg/L左右，出水IC也基本稳定在290mg/L左右，大约有360mg/L的IC在亚硝化过程中被消耗掉.说明即使在pH值恒定的反应器内也会出现IC的大量损失.而在限制碳源量的运行阶段，pH值的稳定一直依赖强碱控制，进水IC基本控制在3mg/L左右，进出水IC值仅相差1mg/L（图4C，图4B内箭头指向部分的放大），但是亚硝化效能未因IC浓度的限制而受到限制.Guisasola等［23］采用无pH值恒定功能的反应器研究IC对亚硝化效能影响表明，当IC浓度低于36mg/L时，亚硝化活性受到限制，并认为是碳源的缺失引起的.而本研究表明只要pH值环境保持适宜，亚硝化菌对碳源的需求量十分低，仅空气中的CO2就能满足亚硝化菌对碳源的需求.

图4 限制碳源供应量对亚硝化效能的影响Fig.4 Effect of limiting carbon source supply for nitrification efficiency图C为图B内箭头指向部分的放大

在水环境中，无机碳的存在形态与pH值密切相关，关系如（1）所示.当pH值环境低于6.36时，环境中IC主要以CO2的形态存在；当pH值大于10.35时，环境中IC一般以的形式存在；而在一般的中性环境中IC以形式存在.

由限制碳源的实验可知，在亚硝化过程中亚硝化菌对碳源的需求量十分少.而在大量供应时，亚硝化系统IC损失也十分大，大约有360mg/L的IC在亚硝化过程中被消耗掉.因此，损失的IC并不是作为碳源被亚硝化生物同化，很有可能是亚硝化菌膜内外形成了pH值浓度梯度，大量在亚硝化膜内与亚硝化菌产生的H+反应，以CO2的形式被空气从水中吹脱掉.后期通过对正常运行亚硝化曝气尾气收集测定后发现，尾气中含有大量CO2（数据未显示），进一步验证上述推测.

图5 损失IC与亚硝化效能关系Fig.5 The relationship between loss of IC and nitrification efficiency

因传统废水生物处理工艺中异养微生物常常将大量有机物分解为CO2，因此一般忽略了对亚硝化过程的影响.然而对于一些高氨氮、低碳的工业废水（例如碱性蚀刻废水，基本不含碳源），运用生物脱氮时，就成为一个重要的限制因素.随着厌氧氨氧化研究的不断深入，基于厌氧氨氧化的亚硝化-厌氧氨氧化联合自养生物脱氮工艺在处理此类废水时显示较强的优势.由厌氧氨氧化计量方程式可知，厌氧氨氧化菌对碳源的需求量很少，但是厌氧氨氧化是一个pH值变化的过程的存在对其活性具有重要的影响.李祥等［24］研究表明在厌氧氨氧化反应器启动过程中与进水浓度最佳比值为1.13.YANG等［25］在研究过程也发现随着进水浓度的增加，厌氧氨氧化装置的脱氮效能也会得到快速提高.因此如何分配废水中的整个工艺脱氮效能起着关键的作用.

目前亚硝化与厌氧氨氧化工艺的联合方式有两种，一种是将两个反应放置在单一反应器内进行，另一种是分步反应，通过串联实现其联合.若是前者， 由亚硝化和厌氧氨氧化反应特性可知，亚硝化过程产生的酸与厌氧氨氧化产生的碱可以相互中和，此种联合方式需要的IC将大大降低.若采用后者工艺，首先由对亚硝化影响研究表明，在亚硝化反应器内维持适宜pH值环境的进水与比值不能低于1.其次在厌氧氨氧化反应器内消耗量也十分巨大.郑平等［26］在厌氧氨氧化反应器的启动过程中发现，随着反应器的脱氮效能提高，出水pH值逐渐升高到8.7～9.1，从而导致厌氧氨氧化反应的稳定性变差.当将进水KHCO3浓度由0.5g/L提高到1.25g/L时，反应器出水pH值迅速下降到8.1～8.4，反应器的脱氮效能才得到进一步提高.因此，此种联合自养生物脱氮工艺对的需求量十分巨大，可能导致废水处理成本和工艺控制难度的加大.本研究结果表明主要功能是维持各自工艺运行过程中的pH值环境，因此可以通过增加回流实现亚硝化过程产生的酸与厌氧氨氧化产生的碱相互中和，同时也减少了温室气体的排放.

3 结论

3.2 当利用低浓度强酸强碱将反应器pH值环境维持在8时，仅利用空气中CO2就能够满足亚硝化过程对碳源的需求，亚硝化反应器的亚硝化效能最高达到1.28kg/（m3·d）.说明在部分亚硝化过程中主要功能是维持亚硝化菌所需要的pH值环境，而非碳源.

［1］Li Huosheng， Zhou Shaoqi， Ma Weihao， et al. Long-term performance and microbial ecology of a two-stage PNANAMMOX process treating mature landfill leachate ［J］. Bioresource Technology， 2014，159：401-411.

［2］Lackner Susanne， Gilbert Eva M， Vlaeminck Siegfried E， et al. Full-scale partial nitritation/anammox experiences- An application survey ［J］. Water Research， 2014，55：292-303.

［3］Frank Persson， Razia Sultana， Marco Suarez， et al. Structure and composition of biofilm communities in a moving bed biofilm reactor for nitritation- anammox at low temperatures ［J］. Bioresource Technology， 2014，154：267-273.

［4］李 冬，杨 卓，梁瑜海，等.耦合反硝化的CANON生物滤池脱氮研究 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（6）：1448-1456.

［5］李 冬，崔少明，梁瑜海，等.溶解氧对序批式全程自养脱氮工艺运行的影响 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（5）：1131-1138.

［6］郑冰玉，张树军，张 亮，等.一体化厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液的性能研究 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（7）：1728-1733.

［7］胡 石，甘一萍，张树军，等.一体化全程自养脱氮（CANON）工艺的效能及污泥特性 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（1）：111-117.

［8］李 祥，黄 勇，朱 莉，等. 基于竖流式一体化反应器实现自养生物脱氮研究 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（6）：1471-1477.

［9］Zhu Liang， Liu Junxin. Landfill leachate treatment with a novel process： Anaerobic ammonium oxidation （Anammox） combined with soil infiltration system ［J］. Journal of Hazardous Materials，2008，151：202-212.

［10］李 祥，黄 勇，朱 莉，等.蚀刻液废水厌氧氨氧化脱氮性能研究 ［J］. 中国环境科学， 2011，32（12）：2199-2204.

［11］Zhang Li， Yang Jiachun， Furukawa Kenji. Stable and high-rate nitrogen removal from reject water by partial nitrification and subsequent anammox ［J］. Journal of Bioscience and Bioengineering， 2010，110（4）：441-448.

［12］Jong Hyuk Hwang， Nazim Cicek， Jan Oleszkiewicz. Effect of loading rate and oxygen supply on nitrification in a non-porous membrane biofilm reactor ［J］. Water Research， 2002，43：3301-3307.

［13］Li Huosheng， Zhou Shaoqi， Huang Guotao， et al. Achieving stable partial nitritation using endpoint pH control in an SBR treating landfill leachate ［J］. Process Safety and Environmental Protection， 2014，92（3）：199-205.

［14］Lee Po-Heng， Cotter Samuel F.， Prieri Silvia Reyes， et al. pH-gradient real-time aeration control for nitritation community selection in a non-porous hollow fiber membrane biofilm reactor（MBfR） with dilute wastewater ［J］. Chemosphere， 2013，90（8）：2320-2325.

［15］Josep A. Torà， Javier Lafuente， Juan A. Baeza， et al. Combined effect of inorganic carbon limitation and inhibition by free ammonia and free nitrous acid on ammonia oxidizing bacteria ［J］. Bioresource Technology， 2010，101：6051-6058.

［16］Kimura Yuya， Isaka Kazuichi， Kazama Futaba. Effects of inorganic carbon limitation on anaerobic ammonium oxidation（anammox） activity ［J］. Bioresource Technology， 2011，102（6）：4390-4394.

［17］张肖静，李 冬，周利军，等.碱度对常低温处理生活污水亚硝化的影响 ［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2013，45（4）：38-43.

［18］Liang Zhiwei， Han Zhiying， Yang Shangyuan， et al. A control strategy of partial nitritation in a fixed bed bioflim reactor ［J］. Bioresource Technology， 2011，102：710-715.

［19］国家环境保护局.水和废水监测分析方法 ［M］. 4版.北京：中国环境科学出版社， 2002：258-282.

［20］Surmacz-Gorska J， Cichon A， Miksch K. Nitrogen removal from wastewater with high ammonia nitrogen concentration via shorter nitrification and denitrification ［J］. Water Science Technology，1997，36（10）：73-78.

［21］Villaverde S， Garcia-encina P A， Fdz-Polanco F. Influence of pH over nitrifying biofilms activity in submerged biofilters ［J］. Water Research， 1997，31（5）：1180-1186.

［22］Villaverde S， Fdz-Polanco F， Garcia P A. Nitrifying biofilms acclimation to free ammonia in submerged biofilters start-up influence ［J］. Water Research， 2000，34（2）：602-610.

［23］Guisasola Albert， Petzet Sebastian， Baeza Juan A， et al. Inorganic carbon limitations on nitrification： Experimental assessment and modelling ［J］. Water Research， 2007，41：277-286.

［24］李 祥，黄 勇，袁 怡.HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响 ［J］. 环境科学学报， 2012，32（2）：292-298.

［25］Yang J C， Zhang L， Fukuzaki Y， et al.High-rate nitrogen removal by the Anammox process with a sufficient inorganic carbon source ［J］. Bioresource Technology， 2010，101（24）：9471-9478.

［26］Tang Chong-jian， Zheng Ping， Mahmood Qaisar， et al. Start-up and inhibition analysis of the Anammox process seeded with anaerobic granular sludge ［J］. Journal of Industrial Microbiology Biotechnology， 2009，36（8）：1093-1100.

LI Xiang*， WANG Yue，HUANG Yong， WU Chuan， WANG Meng-ke， CHEN Zong-heng， LIU Fu-xin （1.School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， China；2.Institute of Environmental Biotechnology， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， China）. China Environmental Science，2015，35（3）：757～763

The main function ofin partial nitrification process was investigated by inoculating nitrification biofilm and to provide carbon source demand of nitritation stage in partial nitrification/anammox process to treat wastewater with high ammonia nitrogen and low carbon. The results show that the nitrification efficiency reached 0.99 kg/（m3·d） when the C/N ratio remained at 1.8 under the conditions of only decreasing influent concentration ofand unchanged ammonia concentration. However， the nitrification efficiency decreased to 0.67kg/（m3·d） at the same conditions， because the concentration ofwas not enough to sustain pH environment in the nitrosation system， when C/N gradually reduced to 0.5. The pH value stabled at 8in nitrosation process， when the C/N ratio remained at 0.75. It had an obvious linear relationship between consumption ofand nitrification efficiency in nitrosation process. The tiny carbon in the air and wastwater meeted the demand of carbon source and the nitrification efficiency rate was up to 1.28kg/（m3·d） in nitrification process， when the pH value stabled at 8by using low concentration of alkali. The results indicated that neutralizing H+produced by nitrification process and maintaining the pH environment needed for nitrosomonas were the main function ofin the partial nitrification process.

partial nitrotation；bicarbonate；nitrogen translate rate；function

X703.1

A

1000-6923（2015）03-0757-07

李 祥（1984－），男，江苏仪征人，实验师，硕士，主要从事废水生物脱氮除硫理论与新工艺研究.发表论文30余篇.

2014-07-07

国家自然科学基金资助项目（51008202）；江苏省环保厅重大项目（201104）；江苏省研究生创新基金（cxzz12_0858）；江苏省环境科学与工程重点专业；江苏省特色优势学科二期项目

* 责任作者， 实验师， lixiang@mail.usts.edu.cn