硝态氮浓度对短程反硝化的反硝化速率影响研究

胡贝贝，张玉聪，万俊锋

(郑州大学 化工与能源学院 生态与环境研究实验室，河南 郑州 450001)

近年来，硝酸盐转化为亚硝酸盐的短程反硝化过程引起了人们的广泛关注。相对于传统反硝化[1]，短程反硝化是全程反硝化反应速率的 1.5～2倍[2]。在短程反硝化过程,在不同的初始硝态氮浓度条件下，反硝化速率有所不同。因此，以乙酸钾[3]作为碳源在有机物充足的条件下,加入不同的浓度硝酸根配成一定浓度梯度的氮源,测不同浓度条件下的亚硝态氮积累率以及反硝化速率。再通过采用双底物 Monod 方程[4]分析反硝化动力学,求解动力学参数，得到硝态氮与反硝化速率的方程。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

本实验以容积500 mL密封瓶为反应器来进行实验，瓶口有采样装置。实验过程中通氮气，利用氮气以保证反应过程无氧气存在以及混合液的均质性。实验采用的填料来自反应器培养的带污泥的聚氨酯海绵填料，反应器接种污泥取自培养的颗粒污泥具有良好生物脱氮性能。

1.2 方案分析方法

反硝化速率计算方法，反硝化速率以一段时间内硝酸根的消耗量计算(反应过程中亚硝酸根有生成也有消耗不易计算反硝化速率，其计算公式见式(1)。

(1)

N——填料个数,n。

(2)

式中q反——硝酸盐氮比反硝化速率，mg/(Lhn)；

q反max——最大比反硝化速率，mg/(Lhn)；

S——有机物(COD)浓度,mg/L；

KN——半饱和常数，mg/L；

KS——有机物(COD)的半饱和常数,mg/L。

2 结果与讨论

2.1 短程反硝化过程中亚硝态氮的积累

(3)

图1 反应器1号的变化曲线Fig.1 Change curve of No.1 reactor NAR

图2 反应器2号的变化曲线Fig.2 Change curve of No.2 reactor NAR

图3 反应器3号的变化曲线Fig.3 Change curve of No.3 reactor NAR

图4 反应器4号的变化曲线Fig.4 Change curve of No.4 reactor NAR

图5 反应器5号的变化曲线Fig.5 Change curve of No.5 reactor NAR

图6 反应器1～5号COD的变化曲线Fig.6 Change curve of No.1～5 reactor COD

2.2 硝态氮浓度对短程反硝化速率的影响

图7 硝态氮与反硝化速率的变化曲线Fig.7 Change curve of nitrate nitrogen and denitrification efficiency

2.3 短程反硝化的动力学方程

2.3.1 确定亚硝酸盐氮饱和常数KN在碳源充足时,忽略碳源浓度对反硝化速率的影响。式(2)可简化为式(4)。

(4)

氮源浓度会对反硝化速率有影响，确定氮饱和常数KN。实验反应器内有机物的浓度，远远大于饱和常数，则反硝化速率仅随电子受体亚硝酸盐氮浓度的变化而变化。方程两边各取倒数得式(5)。

(5)

图8 亚硝酸盐氮饱和常数KN的测定Fig.8 Determination of nitrite saturation constant KN

当1/q反=0时，1/SN= -1/KN，以 1/q反对1/SN作图，得到一条直线，直线与横轴的截距即为-1/KN, 测一组不同亚硝酸盐浓度下的反硝化速率。以1/q反对 1/SN作图，由图可得到方程1/q反=36.966(1/SN)+1.044 2，相关系数R2=0.938，由图中直线与横轴的截距即可以求出亚硝酸盐氮的饱和常数KN=35.13 mg/L。

2.3.2 确定q反max在较高浓度的有机物和亚硝酸氮情况下，系统中有机物和亚硝酸盐氮的浓度远远大于它们各自的饱和常数，这种条件下反硝化反应呈零级反应，即反硝化速率不随亚硝酸盐氮和有机物浓度的变化而变化，由此，求出亚硝酸盐氮最大比还原速率q反max。

图9 反硝化速率和亚硝态氮变化曲线Fig.9 Change curve of denitrification efficiency and nitrite nitrogen

(6)

2.4 微生物群落组成多样性分析

微生物群落组成多样性分析,取污泥样品,测定样品中细菌群落的组成，样品中细菌群落组成见图10。

图10 微生物菌群门到属的变化Fig.10 Changes in microbial flora phylum to genus

从门分类水平来看，样品中获得大量没有注释信息的微生物8.3%，而在有注释信息的已知反硝化菌群中,主要分属于两个优势类群(组成比例在20%以上):变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi),其中变形菌门为优势菌门,其相对组成比例36.1%，另外还含有少量的酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)等。

从微生物多样性分析反硝化菌群，变形菌门属于短程反硝化的氮转化过程中的优势菌群，其菌群的大量存在对短程反硝化的进行有促进作用。

3 结论

(4)通过研究硝态氮浓度对短程反硝化的反硝化速率影响，可以确定最适合短程反硝化进行的硝态氮浓度，有利于我们利用短程反硝化的氮转化途径来处理污水，实现水处理的高效、节能、环保。