硝態氮濃度對短程反硝化的反硝化速率影響研究

胡貝貝，張玉聰，萬俊鋒

(鄭州大學 化工與能源學院 生態與環境研究實驗室，河南 鄭州 450001)

近年來，硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽的短程反硝化過程引起了人們的廣泛關注。相對于傳統反硝化[1]，短程反硝化是全程反硝化反應速率的 1.5～2倍[2]。在短程反硝化過程,在不同的初始硝態氮濃度條件下，反硝化速率有所不同。因此，以乙酸鉀[3]作為碳源在有機物充足的條件下,加入不同的濃度硝酸根配成一定濃度梯度的氮源,測不同濃度條件下的亞硝態氮積累率以及反硝化速率。再通過采用雙底物 Monod 方程[4]分析反硝化動力學,求解動力學參數，得到硝態氮與反硝化速率的方程。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

本實驗以容積500 mL密封瓶為反應器來進行實驗，瓶口有采樣裝置。實驗過程中通氮氣，利用氮氣以保證反應過程無氧氣存在以及混合液的均質性。實驗采用的填料來自反應器培養的帶污泥的聚氨酯海綿填料，反應器接種污泥取自培養的顆粒污泥具有良好生物脫氮性能。

1.2 方案分析方法

反硝化速率計算方法，反硝化速率以一段時間內硝酸根的消耗量計算(反應過程中亞硝酸根有生成也有消耗不易計算反硝化速率，其計算公式見式(1)。

(1)

N——填料個數,n。

(2)

式中q反——硝酸鹽氮比反硝化速率，mg/(Lhn)；

q反max——最大比反硝化速率，mg/(Lhn)；

S——有機物(COD)濃度,mg/L；

KN——半飽和常數，mg/L；

KS——有機物(COD)的半飽和常數,mg/L。

2 結果與討論

2.1 短程反硝化過程中亞硝態氮的積累

(3)

圖1 反應器1號的變化曲線Fig.1 Change curve of No.1 reactor NAR

圖2 反應器2號的變化曲線Fig.2 Change curve of No.2 reactor NAR

圖3 反應器3號的變化曲線Fig.3 Change curve of No.3 reactor NAR

圖4 反應器4號的變化曲線Fig.4 Change curve of No.4 reactor NAR

圖5 反應器5號的變化曲線Fig.5 Change curve of No.5 reactor NAR

圖6 反應器1～5號COD的變化曲線Fig.6 Change curve of No.1～5 reactor COD

2.2 硝態氮濃度對短程反硝化速率的影響

圖7 硝態氮與反硝化速率的變化曲線Fig.7 Change curve of nitrate nitrogen and denitrification efficiency

2.3 短程反硝化的動力學方程

2.3.1 確定亞硝酸鹽氮飽和常數KN在碳源充足時,忽略碳源濃度對反硝化速率的影響。式(2)可簡化為式(4)。

(4)

氮源濃度會對反硝化速率有影響，確定氮飽和常數KN。實驗反應器內有機物的濃度，遠遠大于飽和常數，則反硝化速率僅隨電子受體亞硝酸鹽氮濃度的變化而變化。方程兩邊各取倒數得式(5)。

(5)

圖8 亞硝酸鹽氮飽和常數KN的測定Fig.8 Determination of nitrite saturation constant KN

當1/q反=0時，1/SN= -1/KN，以 1/q反對1/SN作圖，得到一條直線，直線與橫軸的截距即為-1/KN, 測一組不同亞硝酸鹽濃度下的反硝化速率。以1/q反對 1/SN作圖，由圖可得到方程1/q反=36.966(1/SN)+1.044 2，相關系數R2=0.938，由圖中直線與橫軸的截距即可以求出亞硝酸鹽氮的飽和常數KN=35.13 mg/L。

2.3.2 確定q反max在較高濃度的有機物和亞硝酸氮情況下，系統中有機物和亞硝酸鹽氮的濃度遠遠大于它們各自的飽和常數，這種條件下反硝化反應呈零級反應，即反硝化速率不隨亞硝酸鹽氮和有機物濃度的變化而變化，由此，求出亞硝酸鹽氮最大比還原速率q反max。

圖9 反硝化速率和亞硝態氮變化曲線Fig.9 Change curve of denitrification efficiency and nitrite nitrogen

(6)

2.4 微生物群落組成多樣性分析

微生物群落組成多樣性分析,取污泥樣品,測定樣品中細菌群落的組成，樣品中細菌群落組成見圖10。

圖10 微生物菌群門到屬的變化Fig.10 Changes in microbial flora phylum to genus

從門分類水平來看，樣品中獲得大量沒有注釋信息的微生物8.3%，而在有注釋信息的已知反硝化菌群中,主要分屬于兩個優勢類群(組成比例在20%以上):變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi),其中變形菌門為優勢菌門,其相對組成比例36.1%，另外還含有少量的酸桿菌門(Acidobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)等。

從微生物多樣性分析反硝化菌群，變形菌門屬于短程反硝化的氮轉化過程中的優勢菌群，其菌群的大量存在對短程反硝化的進行有促進作用。

3 結論

(4)通過研究硝態氮濃度對短程反硝化的反硝化速率影響，可以確定最適合短程反硝化進行的硝態氮濃度，有利于我們利用短程反硝化的氮轉化途徑來處理污水，實現水處理的高效、節能、環保。