趙 樑，倪偉敏，賈秀英,周 霞

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

硝態(tài)氮廢水如果不經(jīng)處理就排放到水體中，會給水環(huán)境帶來一系列的危害：水體富營養(yǎng)化，水生生物大量死亡，破壞水域生態(tài)系統(tǒng)的平衡；硝態(tài)氮在人體腸道中可以被還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽對人和生物體有致癌作用[1].生物反硝化技術(shù)能把硝態(tài)氮通過異養(yǎng)反硝化菌轉(zhuǎn)化為氮氣排放去除，業(yè)已用來去除硝態(tài)氮廢水.現(xiàn)有研究多把反硝化技術(shù)和硝化技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)以及脫硫除磷技術(shù)耦合起來研究[2-4]，單獨研究反硝化技術(shù)的很少.影響反硝化過程的因素很多，如微生物組成[5]、碳源種類[6-11]、碳源數(shù)量[5,12]、pH[13-14]、溫度[15-16]和C/N[12,15,17]等，pH對反硝化速率的影響尤為重要.大多數(shù)報道[14,18]研究pH對反硝化過程的影響時，pH范圍一般設(shè)定在6～9.本研究把pH的范圍設(shè)定為4～10，深入研究不同pH值對反硝化過程的影響程度及抑制機理，以期為廢水生物反硝化脫氮提供合適的反應(yīng)條件和合理的工藝參數(shù).

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與運行

本實驗采用的實驗裝置(圖1)為有機玻璃制造，直徑100 mm，高400 mm，有效容積3.8 L，并且外圍有水浴恒溫套，保證反應(yīng)所需溫度.以葡萄糖為碳源，實驗污泥先經(jīng)過一段時間的反硝化馴化以達到一定的反硝化能力.實驗開始之前把馴化好的污泥用清水洗去大部分可溶性碳源和雜質(zhì)，分離出沉降性能較好的反硝化污泥，污泥上清液水質(zhì)特征見表1.

表1 反硝化污泥上清液特征

1、2、3—污泥取樣口；4—攪拌槳；5—進泥口；6—水浴套進水口；7—水浴套出水口；8—排泥口.

1.2 模擬廢水

實驗?zāi)M廢水包括了氮源、磷源及少量的微量元素，所用藥品等級為分析純.反應(yīng)過程中添加一定量的NaNO3溶液(10 g/L)使反應(yīng)器內(nèi)的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為55.5 mg/L(偏差小于2 mg/L)，同時添加少量KH2PO4、CaCl2、MgSO4以及Mn、Zn、I和B等微量元素.

1.3 分析項目與方法

1.4 反硝化速率計算公式

根據(jù)文獻[22]，廢水中硝態(tài)氮反硝化過程可用式(1)表示：

(1)

(2)

反硝化過程中硝態(tài)氮的比反硝化速率：

(3)

亞硝態(tài)氮的比反硝化速率(有硝態(tài)氮時)：

(4)

亞硝態(tài)氮的比反硝化速率(無硝態(tài)氮時)：

(5)

式中CX為微生物質(zhì)量濃度，即MLVSS，g/L.

CN-CN0=-KdenCXt.

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同初始pH值下N的變化規(guī)律

在反硝化過程中，反應(yīng)器中的TN包含硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮和有機氮等，在本實驗反應(yīng)過程中氨氮的質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L，可以忽略不計.由圖2a可知：反應(yīng)8 h后，pH=8時TN殘余量僅為3.51 mg/L，其他pH條件下TN殘余量都大于10 mg/L，且酸性條件下的TN殘余量大于堿性條件，pH=4時殘余最多，為48.71 mg/L.反應(yīng)經(jīng)過8 h后，初始pH=4、5、6、7、8、9和10時反硝化過程中的TN去除率分別為37.39%、70.09%、80.48%、85.22%、95.54%、86.48%和80.74%，隨著pH的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，TN最大去除率出現(xiàn)在pH=8時.由此看出，TN的去除率受到pH的影響，表現(xiàn)為酸性或堿性越強抑制程度越大.

圖2 不同初始pH下反硝化過程中N的變化規(guī)律

反硝化過程中硝態(tài)氮的降解主要包括兩步：①在硝態(tài)氮還原酶作用下還原為亞硝態(tài)氮；②亞硝態(tài)氮在亞硝態(tài)氮還原酶作用下還原為一氧化氮或氮氣.不同pH條件對硝態(tài)氮還原酶、亞硝態(tài)氮還原酶和微生物細胞活性的抑制程度不同，因而對硝態(tài)氮的去除率和亞硝態(tài)氮的積累率影響也不同.一般來說，活性污泥反硝化系統(tǒng)的最佳pH在7.5左右，pH=6.5，9時硝態(tài)氮的去除率將為最佳去除率的70%左右，超過該范圍時硝態(tài)氮的去除率將急劇下降[24].本實驗條件下反硝化最佳pH在8，pH=6，9時硝態(tài)氮的去除率為最佳去除率90%左右(圖2b).硝態(tài)氮與TN的去除率變化一致，都隨pH先增大后減小(圖2c).本實驗中可溶性有機氮降解不明顯，pH≥6時亞硝態(tài)氮積累明顯(圖2d)，造成了TN與硝態(tài)氮的去除差異.

圖3 不同初始pH下亞硝態(tài)氮最大積累率

不同pH值下反硝化過程中亞硝態(tài)氮的積累程度不同，是由于反應(yīng)中亞硝酸鹽還原酶和硝酸鹽還原酶在不同pH下活性不同.由圖2d可見，pH>6時亞硝態(tài)氮積累量大于5 mg/L，積累效應(yīng)明顯，并且隨著pH的增加積累量增加至21.15 mg/L；亞硝態(tài)氮最大積累量出現(xiàn)的時間隨pH的增大而延長.反硝化過程亞硝態(tài)氮的最大積累率與pH之間呈良好的指數(shù)關(guān)系(圖3).酸性條件下亞硝態(tài)氮的積累率變化不明顯，小于5%，堿性條件下亞硝態(tài)氮的積累率變化較大，由8%增加到22%.

Glass等[25]對高濃度硝酸鹽廢水反硝化過程的研究結(jié)果表明,反硝化過程在不同pH范圍內(nèi)按照不同的機理進行：當pH<7時，硝態(tài)氮反硝化完全；pH在7.5～9.0時，亞硝態(tài)氮積累明顯.傅金祥等[26]研究常溫下pH對反硝化過程的影響時發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)前2 h內(nèi)pH=8.5時亞硝態(tài)氮積累率是pH=7.1時的1.2倍.Glass等[25]研究了pH對高濃度硝態(tài)氮反硝化過程的影響，結(jié)果表明pH=9時的亞硝態(tài)氮最大積累量是pH=7.5時的4.3倍.可見pH大于一定值后會出現(xiàn)亞硝態(tài)氮的積累.究其原因，pH升高時，亞硝態(tài)氮隨著硝態(tài)氮的降解而積累效應(yīng)增強，隨后又不斷地被降解，至殘余量很低，說明堿性條件的影響只能延緩亞硝態(tài)氮的降解速度而不能得到穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮[27].本實驗結(jié)果表現(xiàn)為酸性條件對亞硝態(tài)氮還原酶的抑制作用明顯，堿性條件對亞硝態(tài)氮還原酶抑制作用不明顯.

2.2 不同初始pH值下△TOC和△TOC/△TN的變化規(guī)律

從圖4a可以看出，隨pH的增加，TOC消耗量先增大后減小，且變化幅度逐漸減小，最大消耗量出現(xiàn)在pH=8時，為279.44 mg/L.據(jù)研究[25]，酸性條件對碳源降解過程中乙酰輔酶A和丙酸脫氫酶活性的抑制作用大于堿性條件，造成反硝化過程中供電子不足，因此，酸性條件下TOC的消耗量小于堿性條件，本實驗中最適pH值為8.由圖4b可知，經(jīng)過8 h反應(yīng)后，pH=4、5、6、7、8、9、10時反硝化過程中△TOC/△TN分別為7.19、4.26、3.95、3.86、3.71、3.97和4.37.一般而言，△TOC/△TN越小，碳源用于污泥生長所占的比重就越大，污泥活性也越高[11].pH=8時，△TOC/△TN最小，說明此時污泥活性最大，最有利于反硝化的進行.

圖4 不同初始pH值下△TOC和△TOC/△TN的變化規(guī)律

2.3 不同初始pH值下反硝化動力學(xué)研究

利用反硝化脫氮零級模型對反硝化動力學(xué)進行研究，根據(jù)式(6)，以CN-CN0為縱坐標、時間t為橫坐標，不同pH下CN-CN0與t的線性關(guān)系見圖5.由于本實驗條件下，整個反硝化過程中硝態(tài)氮降解一直持續(xù)到反應(yīng)結(jié)束，因此由式(2)～(5)可計算得到硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率以及比反硝化速率(表2).

表2 不同初始pH值下的比反硝化速率

圖5 不同初始pH下CN-CN0隨t的變化規(guī)律

圖6 不同初始 pH下比反硝化速率變化規(guī)律

徐亞同[28]研究了反硝化污泥在馴化和未馴化時不同pH值對反硝化速率的影響，發(fā)現(xiàn)無論反硝化污泥是否經(jīng)過馴化，pH值從6.0升高到9.5時，反硝化速率先增加后減小，最大反硝化速率出現(xiàn)在pH=7.5，本實驗結(jié)果反映的規(guī)律與其相似.其原因是過酸過堿條件均對反硝化過程有影響.酸性條件抑制原因，根據(jù)姜體勝等[29]的研究，當pH值低于6時，反硝化受到強烈抑制，在pH為4.7時，污泥已經(jīng)惡化，微生物酶的活性降低，導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)解絮現(xiàn)象，影響反硝化過程的進行.而堿性條件下抑制原因，根據(jù)張志等[30]的研究，當pH高于9時，反硝化過程中產(chǎn)生堿度，破壞了厭氧微環(huán)境反硝化過程的酸堿平衡，使平衡向著不利于反硝化產(chǎn)堿的方向偏移，抑制反硝化速率.本實驗對pH影響的研究結(jié)果表明，最適宜的反硝化pH為7～8.

2.4 pH值對反硝化過程抑制機理的分析

對于廢水厭氧反硝化過程，pH值是一個非常重要的環(huán)境條件，其影響主要表現(xiàn)在兩個方面：①影響微生物細胞內(nèi)的電解質(zhì)平衡，改變細胞內(nèi)環(huán)境的滲透壓，直接影響微生物的活性甚至決定其能否存活；②影響溶液中基質(zhì)或抑制物的濃度，從而間接影響生物體的活性[31].

Drysdale等[34]對反硝化菌群做了進一步的研究，根據(jù)缺氧條件下微生物對硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的還原能力不同，將生物活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)微生物分成了5類：①真正的反硝化菌，能還原硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮；②不完全反硝化菌，只能將硝態(tài)氮還原到亞硝態(tài)氮階段；③不完全亞硝態(tài)氮還原菌，可還原硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，但硝態(tài)氮濃度會抑制該類細菌；④亞硝態(tài)氮專性還原菌，只能還原亞硝態(tài)氮；⑤非反硝化菌，不能還原硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮.因此在反硝化過程中微生物優(yōu)勢菌的比例及反硝化能力的不同會使得硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的還原速率之間存在差異，進而引起不同程度的亞硝態(tài)氮積累.從本實驗的研究結(jié)果看，比反硝化速率在pH=8時達到最大，亞硝態(tài)氮的積累程度隨著pH升高而增大.因此在本實驗反硝化系統(tǒng)中，酸性條件下亞硝態(tài)氮專性還原菌的活性較強，分解亞硝態(tài)氮的能力也較強，亞硝態(tài)氮積累不多，同時反硝化速率也很低；堿性條件下不完全反硝化菌的活性較強，亞硝態(tài)氮積累較多.pH值對硝態(tài)氮還原酶和亞硝態(tài)氮還原酶都有抑制作用，但酸性pH對亞硝酸還原酶抑制作用更大，堿性pH對硝態(tài)氮還原酶抑制作用更大，所以隨著pH值的增加硝態(tài)氮反硝化速率與亞硝態(tài)氮反硝化速率的差值越來越大.

3 結(jié) 論

1)pH=8時，硝態(tài)氮的去除率達到99.43%， pH=4，10時硝態(tài)氮的去除率僅為pH=8時的35%和 85%，酸性條件下反硝化過程的抑制程度比堿性條件大.pH越低，對亞硝態(tài)氮還原酶的抑制作用越強，亞硝態(tài)氮的積累率也越高，但pH只能延緩亞硝態(tài)氮的降解速度而不能使亞硝態(tài)氮穩(wěn)定積累，反應(yīng)結(jié)束后亞硝態(tài)氮基本能去除.TN的變化規(guī)律和硝態(tài)氮相似，堿性條件下的去除率高于酸性條件下的去除率.

2)pH=8時，TOC的消耗量最大，為279.44 mg/L；△TOC/△TN值最小，為3.71，此時反硝化效率最大，最有利于反硝化的進行.

4)pH值對反硝化過程的抑制主要是通過改變反應(yīng)微環(huán)境中酸堿平衡，進而改變反硝化菌細胞內(nèi)電解質(zhì)平衡并影響硝態(tài)氮還原酶、亞硝態(tài)氮還原酶和碳源降解過程中的各種酶的活性，從而影響反硝化菌的活性和碳源的利用效率.pH過酸或過堿對反硝化過程都有抑制作用，但抑制途徑不同，主要體現(xiàn)在酸性條件對亞硝態(tài)氮還原酶的抑制作用較大，堿性條件對硝態(tài)氮還原酶的抑制作用較大，最佳的pH值在7～8.

[1] Forman D .Nitrate exposure and human cancer[M]//Bogardi I，Kuzelka R D. Nitrate contomination. Berlin: Springer，1991：281-288.

[2] 王朝朝，李軍．自養(yǎng)硝化與異養(yǎng)反硝化污泥膜污染特性的對比[J]．中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，44(6)：2629-2636．

[3] 林華淮，廖德祥，耿安朝．厭氧氨氧化與反硝化協(xié)同脫氮研究進展[J]．廣州化工，2013，41(11)：3-4．

[4] 袁瑩，周偉麗，王暉，等．不同電子供體的硫自養(yǎng)反硝化脫氮實驗研究[J]．環(huán)境科學(xué)，2013，34(5)：1835-1844．

[5] Lee D Y，Ramos A， Macomber L，etal. Taxis response of various denitrifying bacteria to nitrate and nitrite[J].Applied and Environmental Microbiology,2002,68(5):2140-2147.

[6] 沈志紅，張增強，王豫琪，等．生物反硝化去除地下水中硝酸鹽的混合碳源研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，31(6)：1263-1269．

[7] 閻寧，金雪標，張俊清．甲醇與葡萄糖為碳源在反硝化過程中的比較[J]．上海師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，31(3)：41-44．

[8] 高景峰，彭永臻，王淑瑩，等．不同碳源及投量對SBR法反硝化速率的影響[J]．給水排水，2001，27(5)：55-58．

[9] 譚佑銘，羅啟芳．不同碳源對固定化反硝化菌脫氮的影響[J]．衛(wèi)生研究，2003，32(2)：95-97．

[10] 趙慶彬，畢學(xué)軍，臧海龍，等．不同碳源對活性污泥反硝化能力的影響研究[J]．環(huán)境工程，2013，31(5)：127-131．

[11] 殷芳芳，王淑瑩，昂雪野，等．碳源類型對低溫條件下生物反硝化的影響[J]．環(huán)境科學(xué)，2009，30(1)：108-113．

[12] 侯紅娟，王洪洋，周琪．進水COD濃度及C/N值對脫氮效果的影響[J]．中國給水排水，2005，21(12)：19-23．

[13] Thomsen J K, Geest T, Cox R P. Mass spectrometric studies of the effect of pH on the accumulation of intermediates in denitrification byParacoccusdenitrificans[J]. Applied and Environmental Microbiology,1994,60(2):536-541．

[15] 鄭蘭香，鞠興華．溫度和C/N比對生物膜反硝化速率的影響[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(10)：13-15．

[16] 馬娟，彭永臻，王麗，等．溫度對反硝化過程的影響以及pH值變化規(guī)律[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2008，28(11)：1004-1008．

[17] 楊殿海，章非娟．碳源和碳氮比對焦化廢水反硝化工藝的影響[J]．同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1995，23(4)：413-416．

[18] 周海紅，王建龍，趙璇．pH對以PBS為反硝化碳源和生物膜載體去除飲用水源水中硝酸鹽的影響[J]．環(huán)境科學(xué)，2006，27(2)：290-293．

[19] 國家環(huán)境保護總局．水和廢水監(jiān)測分析方法[M]．4版．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

[20] 張業(yè)明，彭寶香，陳志量，等．TOC分析儀在化學(xué)有機污染物中的監(jiān)測與應(yīng)用[J]．裝備環(huán)境工程，2007，4(1)：52-55．

[21] 楊蕾，侯英，王保興，等．梯度淋洗/離子色譜法對煙草及煙草制品中7種無機陰離子的快速測定[J]．分析測試學(xué)報，2010，29(2)：165-170．

[22] 袁怡，黃勇，鄧慧萍，等．C/N比對反硝化過程中亞硝酸鹽積累的影響分析[J]．環(huán)境科學(xué)，2013，34(4)：1416-1420．

[23] 葉建鋒．廢水生物脫氮處理新技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：18-32．

[24] 沈耀良，王寶貞．廢水生物處理新技術(shù)：理論與應(yīng)用[M]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999：215-217．

[25] Glass C, Silverstein J. Denitrification kinetics of high nitrate concentration water: pH effect on inhibition and nitrite accumulation[J]. Water Research, 1998, 32(3): 831-839.

[26] 傅金祥，韓晉英，齊建華，等．常溫下pH對短程硝化反硝化的影響[J]．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，26(2)：316-320．

[27] 曹相生，付昆明，錢棟，等．甲醇為碳源時C/N對反硝化過程中亞硝酸鹽積累的影響[J]．化工學(xué)報，2010，61(11)：2938-2943．

[28] 徐亞同. pH、溫度對反硝化的影響[J]．中國環(huán)境科學(xué)，1994，14(4)：308-313.

[29] 姜體勝，楊琦，尚海濤，等．溫度和pH值對活性污泥法脫氮除磷的影響[J]．環(huán)境工程學(xué)報，2007，1(9)：10-14．

[30] 張志，任洪強，張蓉蓉，等．pH值對好氧顆粒污泥同步硝化反硝化過程的影響[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2005，25(6)：650-654．

[31] 楊洋，左劍惡，沈平，等．溫度、pH值和有機物對厭氧氨氧化污泥活性的影響[J]．環(huán)境科學(xué)，2006，27(4)：691-695．

[32] Focht D D, Verstraete W. Biochemical ecology of nitrification and denitrification[M]//Alexander M. Advances in microbial ecology. New York：Plenum Press,1977：135-214.

[33] 曾慶武．反硝化細菌的分離篩選及應(yīng)用研究[D]．武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008．

[34] Drysdale G D, Kasan H C, Bux F. Assessment of denitrification by the ordinary heterotrophic organisms in an NDBEPR activated sludge system[J]. Water science and technology,2001,43(1):147-154.