低C/N比污水反硝化過程中亞硝態氮累積特性研究

李玲玲 劉曉萍 楊兆雪

(青島科技大學環境與安全工程學院，山東 青島 266042)

低C/N比污水反硝化過程中亞硝態氮累積特性研究

李玲玲 劉曉萍#楊兆雪

(青島科技大學環境與安全工程學院，山東 青島 266042)

以乙酸鈉為碳源，采用序批實驗研究低C/N比污水在不同溫度反硝化過程中的亞硝態氮累積規律。研究結果表明，不同溫度下低C/N比污水均能在反硝化過程中累積亞硝態氮。在同一溫度下，隨著初始C/N比增加，亞硝態氮最大累積率隨之增加，溫度為15 ℃時亞硝態氮最大累積率增幅最大，C/N比為1.03時，亞硝態氮最大累積率僅為18.8%，而C/N比為4.16時，亞硝態氮最大累積率高達83.9%；在同一水平的C/N比下，隨著溫度升高，亞硝態氮最大累積率也隨之呈增加的趨勢；當C/N比為1左右，溫度從15 ℃上升到25 ℃時，亞硝態氮最大累積率從18.8%上升到51.7%；在較高溫度、較高C/N比下，反應初期由于乙酸鈉具有一定弱堿性導致系統pH迅速上升，隨著硝態氮逐漸還原成亞硝態氮，乙酸鈉被分解成CO2，pH逐漸下降，待硝酸鹽完全去除，進一步發生亞硝態氮還原，系統pH再次上升。

溫度 低C/N比 亞硝態氮累積 pH

許多行業會產生低C/N比污水，如焦化廢水、垃圾滲濾液、污泥厭氧消化液等，此類污水通常采用傳統的生物硝化反硝化技術進行脫氮處理，由于硝化過程需要曝氣，反硝化過程需要外加碳源，導致污水處理成本較高。近年來興起的厭氧氨氧化工藝可利用亞硝態氮作為電子受體將氨氮直接氧化成氮氣[1]，此工藝脫氮途徑短，不需投加碳源，在處理低C/N比污水上具有明顯的優勢[2-3]。

然而在實際應用過程中，污水中亞硝態氮含量低，目前主要通過短程硝化為厭氧氨氧化提供亞硝態氮。但不少研究發現，維持短程硝化的穩定運行比較困難[4-5]，短程硝化易轉變為全程硝化。實際上，亞硝態氮是反硝化的中間產物，也可通過反硝化過程獲得亞硝態氮，為厭氧氨氧化反應提供電子受體。最近有學者提出短程反硝化—厭氧氨氧化脫氮工藝[6-7]，即先將污水中的部分氨氮通過硝化反應氧化為硝態氮，再利用反硝化菌將硝態氮轉化為亞硝態氮，進一步利用厭氧氨氧化菌將亞硝態氮和污水中剩余的氨氮轉化為氮氣，從而實現高效經濟脫氮，此工藝的關鍵在于反硝化過程中要能實現亞硝態氮的大量累積。

現有研究中，有關低C/N比污水在不同溫度反硝過程中的亞硝態氮累積特性研究較少。為此，本研究以乙酸鈉為碳源，探索低C/N比污水在不同溫度下亞硝態氮的累積規律，為短程反硝化—厭氧氨氧化工藝的工程應用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 實驗用污泥及污水

實驗所用污泥取自青島某污水處理廠，污泥取回后在實驗室序批式活性污泥反應器(SBR)中培養一段時間以富集反硝化菌。人工配制實驗污水，污水中各試劑添加量為：硝酸鈉516 mg/L、磷酸二氫鉀5 mg/L、硫酸鎂98 mg/L、氯化鈣103 mg/L、氯化鐵0.25 mg/L，乙酸鈉按需添加。

1.2 實驗方法

采用500 mL玻璃瓶作為反應器，反應器密封，利用磁力攪拌器進行攪拌，水浴控溫，pH實時監控。由于實驗操作原因， C/N比不能精準控制，本研究污水C/N比擬定在1、2、3、4左右。控制反應器內混合液揮發性懸浮固體(MLVSS)在1 500 mg/L左右，初始硝態氮質量濃度在85 mg/L左右，進水pH在8.0～8.3，反硝化時間為4 h，定時取樣測定硝態氮、亞硝態氮和COD濃度。為考察溫度對反硝化過程中亞硝態氮累積的影響，分別在15、25、35 ℃下開展反硝化實驗，每組實驗均進行3次平行實驗。

1.3 分析項目與方法

亞硝態氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定；硝態氮采用紫外分光光度法測定；COD采用重鉻酸鉀法測定，因亞硝態氮的存在會影響COD測定結果，根據式(1)對COD測定結果進行校正；pH采用玻璃電極法測定；MLVSS采用重量法進行測定[8]。

cCOD’=cCOD-2.339 5×c硝態氮+8.000 3

(1)

式中：cCOD’為校正后COD質量濃度，mg/L；cCOD為實測COD質量濃度，mg/L；c硝態氮為硝態氮質量濃度，mg/L。

2 實驗結果

2.1 15 ℃時不同C/N比污水的反硝化過程

圖1為15 ℃時不同C/N比污水在反硝化過程中硝態氮、亞硝態氮、COD及pH的變化曲線。

圖1 15 ℃時不同C/N比污水在反硝化過程中硝態氮、亞硝態氮、COD及pH變化曲線Fig.1 Profile of sewage nitrate-N,nitrite-N,COD and pH during denitrification process under different C/N ratios at 15 ℃

圖2 25 ℃時不同C/N比下反硝化過程中硝態氮、亞硝態氮、COD及pH變化曲線Fig.2 Profile of sewage nitrate-N,nitrite-N,COD and pH during denitrification process under different C/N ratios at 25 ℃

由圖1(a)可見，溫度為15 ℃時，反硝化前30 min不同C/N比污水硝態氮濃度均快速下降，且隨著C/N比的增加，硝態氮去除量相應增加；C/N比為4.16時，30 min內硝態氮質量濃度下降50.83 mg/L；而C/N比為1.03時，30 min內硝態氮質量濃度僅下降7.00 mg/L。由圖1(b)可見，不同C/N比污水均存在亞硝態氮的累積；C/N比為4.16時，亞硝態氮質量濃度最大值為68.19 mg/L；C/N比為1.03時，亞硝態氮質量濃度最大值僅為15.46 mg/L。由圖1(c)可見，C/N比為1.03、1.90、2.73時，COD在反應前15 min快速下降，此后COD變化較小；而C/N比為4.16時，COD在反應前60 min快速下降，60 min后COD緩慢下降，至90 min時，COD幾乎完全去除，此后可能由于微生物發生溶胞現象導致COD又緩慢上升。由圖1(d)可見，在不同C/N比下，反硝化過程中pH變化趨勢一致，均呈現出先快速上升，達到峰值后再緩慢下降的趨勢；但不同C/N比下pH達到峰值的時間及峰值大小不同；C/N比為4.16時，pH在40 min達到峰值(8.98)；而C/N比為1.03時，pH在6 min即達到峰值(8.50)。

2.2 25 ℃時不同C/N比污水的反硝化過程

圖2為25 ℃時不同C/N比污水在反硝化過程中硝態氮、亞硝態氮、COD及pH變化曲線。

由圖2(a)可見，C/N比為4.27時，硝態氮在反應前30 min快速下降，至90 min時降到2.85 mg/L；C/N比為1.17～2.85時，硝態氮在反應前15 min下降較快，此后下降速度逐漸放緩。由圖2(b)可知，C/N比為4.27時，反應90 min后亞硝態氮質量濃度達到最大值78.97 mg/L，此后亞硝態氮濃度開始下降；C/N比為1.17～2.85時，反應240 min內亞硝態氮濃度不斷增加。由圖2(c)可以看出，C/N比越高，COD去除效果越好，當C/N比為4.27時，COD在反應30 min內完全去除，隨后可能由于微生物發生溶胞作用，COD波動上升；C/N比為2.85時，COD在反應150 min內完全去除；而C/N比為1.17時，至反應結束COD僅去除32.40 mg/L。由圖2(d)可知，C/N比為1.17～2.85時，pH變化趨勢相同，即先快速上升，達到峰值后再下降；而C/N比為4.27時，pH先升高后下降，在82 min時又開始緩慢上升。

圖3 35 ℃時不同C/N比下反硝化過程中硝態氮、亞硝態氮、COD及pH變化曲線Fig.3 Profile of sewage nitrate-N,nitrite-N,COD and pH during denitrification process under different C/N ratios at 35 ℃

2.3 35 ℃時不同C/N比污水的反硝化過程

圖3為35 ℃時不同C/N比污水在反硝化過程中硝態氮、亞硝態氮、COD及pH變化曲線。

由圖3(a)可知，C/N比越高，硝態氮下降越快，當C/N比為4.32時，硝態氮在反應60 min時降至4.47 mg/L；C/N比為2.67時，硝態氮在105 min時下降到8.03 mg/L；C/N比為1.85、1.13時，反應過程中硝態氮濃度下降相對緩慢。從圖3(b)可見，當C/N比為4.32時，亞硝態氮在反應60 min時質量濃度達到最大值76.04 mg/L，此后亞硝態氮濃度逐漸下降；當C/N比為2.67時，亞硝態氮在反應90 min時質量濃度達到最大值78.32 mg/L，此后亞硝態氮濃度也開始下降；當C/N比為1.85、1.13時，亞硝態氮在240 min的反硝化過程中濃度逐漸增加。由圖3(c)可知，不同C/N比下，COD均在反應前30 min快速下降，尤其是C/N比為4.32、2.67時，COD分別由352.70、220.40 mg/L降到20 mg/L以下。由圖3(d)可知，C/N比為4.32、2.67時，反硝化過程中pH均呈現先增加后降低，一段時間后再次上升的變化趨勢；而C/N比為1.13、1.85時，pH先增加至峰值后逐漸降低。

3 討 論

3.1 反硝化過程中亞硝態氮累積特性分析

現有研究中，有關反硝化過程中亞硝態氮累積的原因主要有3種解說：(1)部分反硝化細菌只含有硝態氮還原酶，系統中微生物以這類菌群為主時將導致亞硝態氮累積[9]；(2)硝態氮還原速率大于亞硝態氮還原速率時，會產生亞硝態氮累積[10]；(3)硝態氮的存在抑制亞硝態氮的還原，在硝態氮去除前會發生亞硝態氮的積累[11]。

OH等[12]、殷芳芳等[13]在以乙酸鈉為反硝化碳源時均發現了亞硝態氮累積現象，且在反硝化過程中硝態氮去除量明顯大于亞硝態氮累積量。而本研究反硝化過程中硝態氮去除量和亞硝態氮累積量幾乎相等。存在差異的主要原因是前兩位學者的反硝化研究中，硝態氮還原的同時發生亞硝態氮還原，硝態氮還原酶爭奪電子的能力強于亞硝態氮還原酶，導致二步反應存在速率差，形成亞硝態氮累積。本研究中硝態氮先還原成亞硝態氮，硝態氮完全去除后再進一步發生亞硝態氮的還原，反硝化過程中硝態氮的存在抑制了亞硝態氮還原酶的活性，導致亞硝態氮大量累積；當硝態氮基本去除，亞硝態氮還原酶活性增強，亞硝態氮開始還原。KORNAROS等[14]在研究中也發現，系統中的硝態氮會抑制亞硝態氮還原酶的活性，導致亞硝態氮累積。

根據反硝化過程中亞硝態氮最大濃度與初始硝態氮濃度的比值，得到不同溫度和不同C/N比下反硝化過程中亞硝態氮最大累積率(見圖4)。

圖4 不同溫度和C/N比下亞硝態氮最大累積率Fig.4 Maximum nitrite accumulation ratio under different C/N ratios and temperatures during denitrification process

由圖4可見，總體看來，同一溫度下隨著C/N比的增加，反應系統中碳源含量升高，碳源作為反硝化的電子供體使更多硝態氮還原成亞硝態氮，導致亞硝態氮最大累積率隨之增加，這種趨勢在溫度較低時尤為明顯，溫度為15 ℃時不同C/N比下亞硝態氮最大累積率相差最大，C/N比在1.03時，亞硝態氮最大累積率僅為18.8%；而C/N比在4.16時，亞硝態氮最大累積率達到83.9%。在較高溫度(25、35 ℃)、較高C/N比(約為3、4)下，亞硝態氮最大累積率均在70%以上。

總體看來，在同一水平的C/N比下，隨著溫度增加，反硝化菌體內酶的活性增大，亞硝態氮最大累積率也呈增加趨勢。C/N比較低時，溫度對亞硝態氮最大累積率的影響較大；C/N比在1左右時，15 ℃時亞硝態氮最大累積率僅為18.8%，而25 ℃時亞硝態氮最大累積率達到51.7%。C/N比在4以上時，不同溫度下亞硝態氮最大累積率均能達到80%以上。

總而言之，低溫下要實現亞硝態氮的充分累積，需給系統提供充足的碳源，初始C/N比要控制在4左右。在較高溫度下(25～35 ℃)，反硝化系統可適當降低C/N比，初始C/N比宜控制在3左右。

3.2 反硝化過程COD的變化

反硝化過程中通常先將硝態氮還原成亞硝態氮，再將亞硝態氮還原成氮氣排除，反應方程式如下：

(2)

(3)

根據方程式計算可以得出將1.00 mg硝態氮還原至亞硝態氮需要消耗1.46 mg乙酸鈉，相當于1.14 mg COD；而每還原1.00 mg亞硝態氮至N2，需2.20 mg乙酸鈉，相當于1.72 mg COD。通過實驗數據計算，本研究反應初期COD去除量遠大于理論值，之后COD趨于平穩，而反硝化反應繼續進行；分析其原因可能是微生物在反應初期吸附大量乙酸鈉，導致COD快速降低，隨后微生物利用吸附的乙酸鈉進行反硝化反應。BEUN等[15]在研究反硝化規律時也發現，反硝化菌在碳源充足時將儲存有機物以供碳源缺乏時使用。

3.3 反硝化過程pH變化

由實驗結果可知，在較高溫度、較高C/N比下，反硝化過程中系統pH先快速上升至峰值后，又逐漸下降；當系統中硝態氮完全去除，開始發生亞硝態氮的還原反應時，pH再次上升。分析其原因，由于反應初期溶液中存在大量乙酸鈉，乙酸鈉具有一定的弱堿性，導致反應開始時pH迅速上升；隨著反應的進行，乙酸鈉被分解成CO2，致使反應系統pH下降；當硝態氮完全去除后，開始發生亞硝態氮還原反應，亞硝態氮被還原成氮氣的過程中產生大量OH-，導致pH再次升高。GONG等[16]在以乙酸鈉為碳源研究反硝化規律時發現，反硝化過程中pH迅速上升后逐漸下降，未出現本研究中pH再次升高的現象。產生差異的主要原因是反硝化過程中亞硝態氮累積的機制不同，本研究中硝態氮的存在抑制了亞硝態氮還原，當硝態氮基本去除，才開始發生亞硝態氮的還原反應；而在GONG等的研究中，硝態氮還原的同時存在亞硝態氮的還原，但硝態氮還原速率快于亞硝態氮還原速率，導致亞硝態氮的大量積累，雖然在亞硝態氮還原過程中產生OH-，但是由于乙酸鈉分解產生大量CO2，CO2溶于水的過程中產生的H+大于亞硝態氮還原過程中OH-的生成量，引起pH持續下降。也有學者研究發現，pH在整個反硝化過程中持續升高，主要原因是硝態氮還原速率僅略高于亞硝態氮還原速率，亞硝態氮累積量較小，因亞硝態氮還原過程中產生大量的OH-，導致反應過程中pH持續升高[17-18]。由上述分析可知，反硝化過程中亞硝態氮累積的機制不同，反應過程中pH的變化存在較大差異。

此外，相同溫度下C/N比越大，碳源濃度越高，被微生物吸附所需要的時間越長，則pH到達峰值的時間越晚。在相同C/N比下，溫度越高，系統內亞硝態氮積累量越大，亞硝酸還原成氮氣時產生OH-量越多，pH越大。

以上結果表明，不同的反硝化過程具有不同的pH變化規律，可以利用pH的變化控制反硝化過程。當系統亞硝態氮積累機制為硝態氮抑制亞硝態氮還原時，可以將pH再次上升的時間點作為亞硝態氮開始還原的標志，以此終止反硝化的進行，阻止亞硝態氮進一步還原成氮氣，從而實現亞硝態氮的最大累積，為厭氧氨氧化反應提供充足的電子受體。

4 結 論

(1) 在同一溫度下，隨著C/N比增加，亞硝態氮最大累積率隨之呈增加趨勢；溫度為15 ℃，C/N比由1.03增加到4.16時，亞硝態氮最大累積率由18.8%增至83.9%；在較高溫度下(25、35 ℃)，較高C/N比(約為3、4)，亞硝態氮最大累積率均在70%以上。在同一水平的C/N比下，隨著溫度升高，亞硝態氮最大累積率也呈增加的趨勢，且C/N比較低時，溫度對亞硝態氮最大累積率的影響較大；C/N比在1左右時，15 ℃時亞硝態氮最大累積率僅為18.8%，而25 ℃時亞硝態氮最大累積率達到51.7%。

(2) 低溫下要實現亞硝態氮的充分累積，需給系統提供較充足的碳源，系統初始C/N比要控制在4左右。在較高溫度(25～35 ℃)下，要使亞硝態氮能充分累積，系統初始C/N比可降至3左右。

(3) 在較高溫度、較高C/N比下，以乙酸鈉為碳源時，反應初期COD迅速下降，導致系統中pH迅速上升達到峰值；在硝態氮被還原為亞硝態氮的過程中，乙酸鈉被分解成CO2，致使系統中pH下降；當硝態氮完全去除時，亞硝態氮開始發生還原反應，pH再次上升。

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Studyonnitrite-NaccumulationcharacteristicsduringdenitrificationprocessinlowC/Nratiosewage

LILingling,LIUXiaoping,YANGZhaoxue.

(CollegeofEnvironmentandSafetyEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,QingdaoShandong266042)

Batch denitrification experiments were carried out,using sodium acetate as carbon source,to investigate the effects of temperature on nitrite accumulation of low C/N ratio sewage during denitrification process. The results showed that nitrite accumulation was observed at different temperatures in sewage with different C/N ratio. At the same temperature,higher maximum nitrite accumulation ratio (NAR) could be obtained as a result of the increase of C/N ratio. The highest increment of maximum NAR appeared at 15 ℃,with maximum NAR was only 18.8% at C/N ratio of 1.03,and the maximum NAR reached 83.9% at C/N ratio of 4.16. At the same C/N ratio,higher maximum NAR could be observed at higher temperature. When the temperature was increased from 15 ℃ to 25 ℃,the maximum NAR was also increased from 18.8% to 51.7% at C/N ratio of about 1. As the alkalescence of sodium acetate,pH went up to the maximum value at the initial reaction stage. When nitrate was reduced to nitrite,sodium acetate was converted into carbon dioxide,which resulted in the decreasing pH values. When nitrate was completely removed,nitrite began to be further reduced and pH went up again.

temperature; low C/N ratio; nitrite-N accumulation; pH

李玲玲，女，1974年生，博士，副教授，主要從事污水生物處理研究。#

。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.014

編輯:丁 懷 (

2016-06-25)