游離氨和游離亞硝酸聯合抑制下的氨氧化過程和亞硝酸鹽氧化過程的動力模型

文/張艷 柏堅聯創工程顧問有限公司 北京 100000

1、引言

由于世界范圍內水體富營養化現象的不斷發生，各國學者對污水脫氮除磷做了大量研究，并開發出了許多污水脫氮新工藝，如SHARON、OLAND、CANON、ANAMMOX等，這些新技術的關鍵是如何將硝化過程控制在亞硝化階段.研究發現，游離氨(free ammonia， FA)對亞硝酸鹽氧化菌nitrite oxidizing bacteria，NOB)和氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria，AOB)產生抑制作用的濃度為0.1-1.0 mg L和10-150 mg L，最新研究結果表明，當FA濃度達到6 mg L時就可完全抑制NOB的生長；游離亞硝酸(free nitrous acid， FNA)完全抑制NOB和AOB生長的濃度分別為0.02 mg L和0.4mg L。但目前還鮮見NOB對FNA的抑制具有適應性，因此研究FA和FNA聯合抑制下的氨氧化過程和亞硝酸鹽氧化過程的動力模型，就可以準確的在反應器啟動初期利用廢水中較高的FA濃度使NOB受到抑制，啟動短程硝化。

2、建模方法

FA 抑制氨氧化過程的動力模型（1），FNA 抑制氨氧化過程的動力模型（2），FA 抑制亞硝酸鹽氧化過程的動力模型（3），FNA抑制亞硝酸鹽氧化過程的動力模型（4），這四種動力模型均來自酶抑制模型。抑制類型包括競爭性抑制、反競爭性抑制（或者說自我抑制）和非競爭性抑制。當抑制劑的濃度不取決于底物濃度時（例如例2和例3），采用直接線性圖表法從實驗數據中來確定抑制類型。當抑制劑濃度取決于底物濃度（例1和例4）以至于直接線性圖表法是不適用的，那么就用實驗數據來驗證最可能的抑制類型。

2.1 FA抑制氨氧化過程

Andrews 總結了一個經典的氨氧化過程中的反競爭性抑制模型：

在這個式子中q和 分別是特定底物利用率和其最大值（mgS/mgVSS-day）。S是底物濃度，K s是半飽和速率濃度，K1是抑制常數。Andrews和其他的研究學者認為公式1中的S是總氮的濃度（TAN，NH 4+ -N+NH3 -N）,當pH恒定時，這理論是成立的。由于FA抑制了氨氧化過程并且FA的濃度取決于pH，那么公式1中的抑制公式 S/K1可以用SFA /K1代替，其中SFA是游離氨濃度：

有兩種關于公式2中底物濃度S的想法。傳統上，S是總氮濃度。然而，一些學者提出了最新的說法是S是游離氨的濃度:

2.2 FNA抑制氨氧化過程

從實驗數據中確定未知的抑制模型及其動力參數，直接線性圖表法是十分有效的。這個方法基于莫諾式底物利用動力模型:

在這個公式中， 和 分別是有效的 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的直線束關系圖。不同的S-q值將產生不同的直線,但所有線將經過定點（）。盡管由于錯誤直線不相交于一點,但是這個方法就是眾多方法中估計最可靠的，因為它阻止了由于中值的插入的異常值的影響。

2.3 FA抑制亞硝酸鹽氧化過程

FA對亞硝酸鹽氧化過程的抑制似乎是亞硝酸鹽積累最重要的因素。有兩種關于FA抑制作用的說法：反競爭性抑制和非競爭性抑制。

2.4 FNA對亞硝酸鹽氧化過程的抑制

早期闡述亞硝酸鹽氧化過程的抑制模型是非競爭性抑制模型，正如公式6所示，其中S 1是抑制劑濃度（mg N/L）:

Boon和Laudelout認為S是NO2-的濃度，S1是HNO2的濃度。近來，Gee等人認為S和S1都是NO2--N的濃度，然而其他學者認為S和S1都是HNO 2的濃度。因為實驗證實了抑制劑是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取決于pH，Ks/f(pH)，其中f（pH）=47/14(1/[exp(-2300/(273+℃ ))＊10pH+1])。

結論：

FA和FNA聯合抑制模型可以預測的是，通過聯合底物和產物的復合抑制，NOB的將會顯著減小。這也表明，在SBR系統中，能夠實現高亞氮條件下氨氮的完全去除，這在連續流反應中是無法實現的。