游离氨和游离亚硝酸联合抑制下的氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程的动力模型

【摘要】为实现城市污水短程硝化厌氧氨氧化生物脱氮，可以利用游离氨（FA）或游离亚硝酸（FNA）控制硝化过程得到亚硝态氮积累。反竞争性抑制模型能很好地拟合 FA 抑制活动，非竞争性抑制模型同样能很好地拟合 FNA 抑制活动。亚硝酸盐氧化反应较小的K1值反应此反应对FA与FNA抑制的敏感性，这可能导致亚硝酸盐的积累。因此研究FA和FNA联合抑制下的氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程的动力模型可以更好的控制短程硝化。

【关键词】游离氨；游离亚硝酸；动力模型

1、引言

由于世界范围内水体富营养化现象的不断发生，各国学者对污水脱氮除磷做了大量研究，并开发出了许多污水脱氮新工艺，如SHARON、OLAND、CANON、ANAMMOX等，这些新技术的关键是如何将硝化过程控制在亚硝化阶段.研究发现，游离氨（free ammonia， FA）对亚硝酸盐氧化菌nitrite oxidizing bacteria， NOB）和氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）产生抑制作用的浓度为0.1-1.0 mg L和10-150 mg L，最新研究结果表明，当FA浓度达到6 mg L时就可完全抑制NOB的生长；游离亚硝酸（free nitrous acid， FNA）完全抑制NOB和AOB生长的浓度分别为0.02 mg L和0.4mg L。但目前还鲜见NOB对FNA的抑制具有适应性，因此研究FA和FNA联合抑制下的氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程的动力模型，就可以准确的在反应器启动初期利用废水中较高的FA浓度使NOB受到抑制，启动短程硝化。

2、建模方法

FA 抑制氨氧化过程的动力模型（1），FNA 抑制氨氧化过程的动力模型（2），FA 抑制亚硝酸盐氧化过程的动力模型（3），FNA抑制亚硝酸盐氧化过程的动力模型（4），这四种动力模型均来自酶抑制模型。抑制类型包括竞争性抑制、反竞争性抑制（或者说自我抑制）和非竞争性抑制。当抑制剂的浓度不取决于底物浓度时（例如例2和例3），采用直接线性图表法从实验数据中来确定抑制类型。当抑制剂浓度取决于底物浓度（例1和例4）以至于直接线性图表法是不适用的，那么就用实验数据来验证最可能的抑制类型。

2.1 FA抑制氨氧化过程

Andrews 总结了一个经典的氨氧化过程中的反竞争性抑制模型：

在这个式子中q和 分别是特定底物利用率和其最大值（mgS/mgVSS-day）。S是底物浓度，K s是半饱和速率浓度，K1是抑制常数。Andrews和其他的研究学者认为公式1中的S是总氮的浓度（TAN，NH 4+ -N+NH3 -N），当pH恒定时，这理论是成立的。由于FA抑制了氨氧化过程并且FA的浓度取决于pH，那么公式1中的抑制公式 S/K1可以用SFA /K1代替，其中SFA是游离氨浓度：

有两种关于公式2中底物浓度S的想法。传统上，S是总氮浓度。然而，一些学者提出了最新的说法是S是游离氨的浓度：

2.2 FNA抑制氨氧化过程

从实验数据中确定未知的抑制模型及其动力参数，直接线性图表法是十分有效的。这个方法基于莫诺式底物利用动力模型：

在这个公式中， 和 分别是有效的 和有效的Ks，這反映出抑制的有效性。重新整合公式5和公式6：

公式5描述了斜率是q/S，截距是q的S-q的直线束关系图。不同的S-q值将产生不同的直线，但所有线将经过定点（）。尽管由于错误直线不相交于一点，但是这个方法就是众多方法中估计最可靠的，因为它阻止了由于中值的插入的异常值的影响。

2.3 FA抑制亚硝酸盐氧化过程

FA对亚硝酸盐氧化过程的抑制似乎是亚硝酸盐积累最重要的因素。有两种关于FA抑制作用的说法：反竞争性抑制和非竞争性抑制。

2.4 FNA对亚硝酸盐氧化过程的抑制

早期阐述亚硝酸盐氧化过程的抑制模型是非竞争性抑制模型，正如公式6所示，其中S 1是抑制剂浓度（mg N/L）：

（6）

Boon和Laudelout认为S是NO2- 的浓度，S1是HNO2的浓度。近来，Gee等人认为S和S 1都是NO 2- -N的浓度，然而其他学者认为S和S1 都是HNO 2的浓度。因为实验证实了抑制剂是FNA（HNO2）而不是（NO2-），所以在研究中，NO2-不是S1。如果直接的底物是FNA，那么公式6中Ks取决于pH，Ks/f（pH），其中f（pH）=47/14（1/[exp（-2300/（273+℃））*10 pH +1]）。

结论：

FA和FNA联合抑制模型可以预测的是，通过联合底物和产物的复合抑制，NOB的将会显著减小。这也表明，在SBR系统中，能够实现高亚氮条件下氨氮的完全去除，这在连续流反应中是无法实现的。

作者简介：

张艳（1989-），女，汉族，河北省保定市，初级工程师，本科，柏坚联创工程顾问有限公司，给排水方向。