姜婷婷，李昱含，謝雨陽(yáng)，林金威，孫洪偉

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

圖1 傳統(tǒng)生物脫氮基本原理Fig.1 Basic principles of traditional BNR

隨著研究的進(jìn)一步深入，眾多研究表明FA 對(duì)污水生物脫氮能產(chǎn)生明顯的抑制作用[1-3]。目前已經(jīng)有大量關(guān)于FA對(duì)脫氮菌群(AOB、NOB和反硝化菌)影響的研究，獲得以下結(jié)論：雖然FA是AOB的生長(zhǎng)基質(zhì)能使氨氧化反應(yīng)速率加快，但是已有很多文獻(xiàn)表明過(guò)高濃度的FA會(huì)對(duì)污水處理系統(tǒng)中的脫氮菌群產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用[13-16]。這種抑制作用主要是通過(guò)降低脫氮菌群的活性以及重組微生物群落結(jié)構(gòu)從而對(duì)污水脫氮效果產(chǎn)生影響[17]。這種由FA引起的抑制作用涉及硝化反應(yīng)、產(chǎn)甲烷反應(yīng)[18-19]、反硝化反應(yīng)[20]和顆粒污泥形成等領(lǐng)域[21]。

由于大量研究表明FA對(duì)污水處理系統(tǒng)中的脫氮菌群有抑制或致死作用，因此有必要對(duì)FA在脫氮過(guò)程中的詳細(xì)抑制作用和機(jī)理進(jìn)行研究，在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)FA抑制作用下的活性污泥動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行探索，深入理解硝化菌在不同條件下的生化反應(yīng)過(guò)程，從而進(jìn)一步優(yōu)化廢水生物脫氮工藝，提高該工藝的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)目前的研究主要是分析在高氨氮廢水中實(shí)現(xiàn)短程硝化時(shí)FA的抑制作用[22-23]，少有涉及FA對(duì)硝化菌抑制機(jī)理和模型的研究。文中總結(jié)了有關(guān)FA在廢水生物脫氮中作用研究的重要成果。其中包括FA對(duì)污水處理系統(tǒng)中的脫氮菌群影響的描述，對(duì)涉及的抑制閾值、抑制機(jī)理和抑制動(dòng)力學(xué)模型機(jī)制的理解，以及通過(guò)FA選擇性抑制來(lái)實(shí)現(xiàn)短程硝化。

1 FA對(duì)生物脫氮的影響

1.1 FA對(duì)硝化過(guò)程的影響

在硝化過(guò)程中，F(xiàn)A會(huì)對(duì)氨氧化過(guò)程和亞硝酸鹽氧化過(guò)程產(chǎn)生一定的抑制作用。Anthonisen等最先提出FA對(duì)AOB和NOB都能產(chǎn)生抑制作用，只是其對(duì)二者的抑制濃度范圍不同。發(fā)現(xiàn)當(dāng)FA濃度僅為0.1～1.0 mg NH3/L時(shí)，就會(huì)使NOB開始受到抑制；當(dāng)FA濃度為10～150 mg NH3/L，才使得AOB受到抑制作用[3]。Christian等認(rèn)為，當(dāng)FA濃度>5 mg NH3/L 時(shí)，會(huì)使得AOB會(huì)受到一定程度抑制，當(dāng)FA濃度>40 mg NH3/L時(shí)，AOB會(huì)受到強(qiáng)烈的抑制作用，從而使得氨氮難以轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，而當(dāng)游離氨濃度僅為6 mg NH3/L時(shí)，NOB將完全停止新陳代謝[24]。然而在后續(xù)的進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)了FA對(duì)AOB和NOB不同的抑制閾值水平。Kim等的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)FA濃度僅為0.7 mg NH3/L時(shí)就可以使NOB的活性下降超過(guò)50%[13]。Balmelle等的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)FA濃度為25 mg NH3/L時(shí)，才使得AOB的活性下降了40%[25]。Vadivelu等2007年的研究表明，當(dāng)FA<1 mg NH3/L時(shí)就開始對(duì)NOB產(chǎn)生抑制，隨著FA濃度接近6 mg NH3/L時(shí)，NOB的生長(zhǎng)完全受到抑制[14]，這與Christian的結(jié)論一致。然而Vadivelu 等2006年的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FA接近 16 mg NH3/L 時(shí)就開始對(duì)AOB產(chǎn)生抑制[20]。Rongsyamanont等研究表明，F(xiàn)A對(duì)AOB起始抑制濃度 60～120 mg NH3/L，對(duì)NOB的起始抑制濃度為0.6～60 mg NH3/L，該起始抑制濃度與上述研究有很大的不同[26]。

短程硝化是控制硝化反應(yīng)處于氨氮向亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化階段，而不繼續(xù)轉(zhuǎn)化至硝態(tài)氮。與傳統(tǒng)的全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有節(jié)省曝氣能耗和碳源的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面均具有較高的可行性[27]。以上研究可以看出在硝化過(guò)程中，F(xiàn)A對(duì)亞硝酸鹽氧化過(guò)程的抑制作用強(qiáng)于其對(duì)氨氧化過(guò)程的影響?？梢岳肍A對(duì)AOB和NOB的敏感性方面的差異實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累，進(jìn)而獲得短程硝化，即將FA濃度調(diào)整到抑制NOB活性而AOB活性不受影響的水平，實(shí)現(xiàn)短程硝化[28]。目前已經(jīng)有大量學(xué)者利用這種選擇性抑制來(lái)實(shí)現(xiàn)短程硝化。例如，Chung等2005年的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)FA濃度為10～20 mg NH3/L時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化[29]。隨后，Chung等2006年的研究更進(jìn)一步研究縮小了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定短程硝化的FA濃度范圍，為 5～10 mg NH3/L[30]。吳麗娜等在FA 濃度40～70 mg NH3/L 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化[31]。Vlaeminck等通過(guò)將FA濃度控制在3 mg NH3/L以上，實(shí)現(xiàn)了有效的短程硝化，并得到了很高的總氮去除率[32]。Sui等在FA濃度為 10.61 mg NH3/L時(shí)得到了84%的亞硝積累率[33]。然而，能夠?qū)崿F(xiàn)短程硝化的FA濃度范圍研究并沒(méi)有形成一致的結(jié)論，這可能是由于不同的運(yùn)行條件導(dǎo)致的(溶解氧和懸浮/附著的生長(zhǎng)以及微生物群落結(jié)構(gòu))[34-36]。

此外目前有研究表明，F(xiàn)A對(duì)硝化菌群的抑制作用是可逆的，并且AOB的恢復(fù)速度比NOB快得多[37]。Sun等提出，在每個(gè)FA的初始階段(1.0 mg NH3/L運(yùn)行1～25 d，5.3 mg NH3/L 運(yùn)行 26～41 d 和6.6 mg NH3/L 運(yùn)行42～57 d)，AOB的活性首先下降，然后在2～5 d后迅速恢復(fù)至原始值的91%～95%[37]，充分證明了FA對(duì)AOB的活性有一定的抑制作用，但這種抑制作用能夠恢復(fù)。宋學(xué)起認(rèn)為NOB能夠適應(yīng)一定濃度的FA，起初當(dāng)FA濃度為24 mg NH3/L時(shí)，亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的反應(yīng)完全停止，當(dāng)NOB適應(yīng)此FA濃度后，該反應(yīng)恢復(fù)正常[38]。當(dāng)FA濃度繼續(xù)提高至56 mg NH3/L時(shí)，也可重新恢復(fù)亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化[39]。Vlaeminck 等的研究中亞硝態(tài)氮積累率在16 d后從0.2降低到0.1[40]。這些研究都能表明FA抑制作用的可逆性。

1.2 FA對(duì)反硝化過(guò)程的影響

目前針對(duì)FA對(duì)反硝化過(guò)程影響的研究還不多，但已有研究者表明FA對(duì)反硝化菌具有明顯的抑制作用。Yang等將2 L FA濃度為16 mg NH3/L活性污泥放入污泥處理單元，運(yùn)行1 d后，觀察到污泥中的反硝化活性降低了36%，其中AOB和NOB活性分別降低了21%和47%。然而，將這些處理過(guò)的污泥返回10 L的主流反應(yīng)器后，反應(yīng)器中的硝化和反硝化性能均不受其影響[41]。這可能是因?yàn)樵谥髁鞣磻?yīng)器中，F(xiàn)A濃度從16 mg NH3/L稀釋至 3.2 mg NH3/L，并且隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，F(xiàn)A被持續(xù)消耗。此外，從FA處理單元釋放的有機(jī)碳可被主流反應(yīng)器中的反硝化器用作外部碳源。

1.3 FA對(duì)生物脫氮的總體影響

根據(jù)以上研究，F(xiàn)A對(duì)脫氮菌群的抑制閾值進(jìn)行總結(jié)，見(jiàn)表1。

表1 FA對(duì)污水處理系統(tǒng)中脫氮菌群的抑制閾值Table 1 Inhibition threshold of FA on denitrifying bacteria in sewage treatment system

由表1可知，通過(guò)調(diào)整FA濃度，可以使得污水處理系統(tǒng)中的脫氮菌群受到40%～100%的抑制。結(jié)果表明，相比于NOB，AOB和反硝化菌群對(duì)FA的影響有較強(qiáng)的耐受性，在FA濃度超過(guò)10 mg NH3/L時(shí)，活性僅下降了40%。而對(duì)于NOB，在FA濃度為0.7 mg NH3/L時(shí)，就可以使得其被抑制50%；在FA濃度為 6 mg NH3/L時(shí)，可以使得其被抑制100%。在常規(guī)運(yùn)行條件下，污水處理系統(tǒng)中的FA濃度為0.14～1.38 mg NH3/L[4-5]。因此，在常規(guī)條件下，F(xiàn)A對(duì)AOB和反硝化菌群的抑制程度遠(yuǎn)小NOB，NOB被抑制有助于實(shí)現(xiàn)短程硝化。

2 FA對(duì)生物脫氮的抑制機(jī)制

目前，F(xiàn)A對(duì)生物脫氮的抑制機(jī)制還未形成一致的認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為，F(xiàn)A可以直接抑制參與生化反應(yīng)的酶活性，F(xiàn)A對(duì)酶的影響是產(chǎn)生抑制作用的關(guān)鍵。在硝化過(guò)程中，F(xiàn)A可以直接影響其中涉及的氧化還原酶或是影響與硝化菌的電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子傳遞過(guò)程中有關(guān)的酶[42]，使得相關(guān)的酶失活，從而導(dǎo)致硝化菌的代謝活性下降。例如，當(dāng)FA濃度從 0.09 mg NH3/L 增加6.87 mg NH3/L時(shí)，一些調(diào)節(jié)水解的關(guān)鍵酶(蛋白酶和α-葡萄糖苷酶)，乙酸鹽的產(chǎn)生(磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶和乙酸激酶)和甲烷的產(chǎn)生(輔酶F420)的活性降低[43]。同時(shí)研究表明FA對(duì)不同類型酶的影響是不同的。例如，F(xiàn)A對(duì)[FeFe]氫化酶的抑制率僅為7%，而對(duì)輔酶F420的抑制率高達(dá)97%，從而導(dǎo)致氫積累[44]。Yuan等的研究證明FA能夠明顯抑Nitrobactor的合成代謝，而對(duì)其分解代謝影響有限。FA是通過(guò)阻礙硝化菌內(nèi)ATP合成來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制作用[45]。然而，還需要更進(jìn)一步了解FA對(duì)硝化菌的抑制機(jī)理。

3 FA抑制硝化菌的動(dòng)力學(xué)模型

數(shù)學(xué)建模是了解FA產(chǎn)生抑制作用的潛在機(jī)制并預(yù)測(cè)FA對(duì)生物過(guò)程影響的強(qiáng)大工具[2]。目前的研究較少有涉及FA對(duì)硝化反應(yīng)影響的數(shù)學(xué)模型。而當(dāng)進(jìn)水FA濃度較高時(shí)，F(xiàn)A會(huì)對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生顯著的影響。此時(shí)若使用傳統(tǒng)的硝化反應(yīng)模型，會(huì)使得模擬結(jié)果嚴(yán)重不符合真實(shí)情況[1]。因此，有必要建立FA抑制硝化菌的動(dòng)力學(xué)模型，才能得到更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。FA抑制硝化菌的動(dòng)力學(xué)模型包括FA抑制AOB的動(dòng)力學(xué)模型和FA抑制NOB的動(dòng)力學(xué)模型。

3.1 FA抑制AOB的動(dòng)力學(xué)模型

FA抑制AOB的動(dòng)力學(xué)模型是在酶促反應(yīng)的基礎(chǔ)上建立的，采用莫諾方程對(duì)AOB活性和底物之間的關(guān)系進(jìn)行描述。在底物充足的條件下，F(xiàn)A對(duì)AOB的抑制作用可用非競(jìng)爭(zhēng)性抑制模型(Non-competitive Model)來(lái)描述[46]，即：

式中 μAOB——AOB的比增殖速率，d-1；

SNH3——AOB底物氨氮濃度，mg/L；

SFA——FA的質(zhì)量濃度，mg/L；

KNH3——AOB底物飽和常數(shù)，mg/L；

同時(shí)，F(xiàn)A對(duì)AOB的抑制作用也可以用Haldane模型來(lái)描述，即：

3.2 FA抑制NOB的動(dòng)力學(xué)模型

當(dāng)廢水中FA濃度較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽累積現(xiàn)象，此時(shí)需要考慮FA對(duì)NOB的抑制作用，其中包括反競(jìng)爭(zhēng)性模型和非競(jìng)爭(zhēng)性模型[1]，即：

反競(jìng)爭(zhēng)性模型：

非競(jìng)爭(zhēng)性模型：

式中 μN(yùn)OB——NOB的比增殖速率，d-1；

SNO-2——NOB底物亞硝酸鹽濃度，mg/L；

KNO-2——NOB底物飽和常數(shù)，mg/L；

也有研究者認(rèn)為FA會(huì)同時(shí)影響NOB的有效底物濃度和底物親和能力，從而采用混合性抑制模型來(lái)描述FA對(duì)NOB的抑制作用[47-48]，在此基礎(chǔ)上再引入一個(gè)抑制常數(shù)，即：

從上可以看出，F(xiàn)A抑制AOB和NOB的動(dòng)力學(xué)模型都包括非競(jìng)爭(zhēng)性抑制模型，Park和Bae利用下式擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)FA對(duì)NOB的抑制常數(shù)大約為46 mmol/L，遠(yuǎn)小于對(duì)AOB的抑制常數(shù)，為290～1 600 mmol/L[49]。與亞硝酸鹽氧化有關(guān)的抑制常數(shù)較小，這表明NOB比AOB更容易受到FA抑制，這可能使得亞硝酸鹽在硝化過(guò)程中大量積累。

式中 μ——特定底物利用率，d-1；

μmax——最大特定底物利用率，d-1；

S——底物濃度，mg/L；

SFA——FA的濃度，mg/L；

4 結(jié)論和展望

以上研究表明FA對(duì)脫氮過(guò)程中的硝化和反硝化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。目前的研究表明，這種抑制作用主要是由FA可以對(duì)硝化過(guò)程中的氧化還原酶產(chǎn)生直接影響或者是對(duì)硝化菌的質(zhì)子傳遞和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中涉及的酶產(chǎn)生影響，可能會(huì)減慢特定的微生物活動(dòng)，甚至重新配制微生物群落結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)提出了數(shù)學(xué)模型作為預(yù)測(cè)FA對(duì)脫氮過(guò)程影響的有力工具，這反過(guò)來(lái)將支持FA的調(diào)節(jié)作用以實(shí)現(xiàn)操作優(yōu)化。為準(zhǔn)確評(píng)估FA對(duì)脫氮過(guò)程影響，仍需對(duì)以下方面進(jìn)行研究：

(1)FA抑制機(jī)理及抑制模型。更進(jìn)一步確定FA抑制AOB和NOB的準(zhǔn)確閾值，建立有更強(qiáng)適用性的數(shù)學(xué)模型，從而能更準(zhǔn)確的模擬硝化進(jìn)程。

(2)FA抑制AOB和NOB產(chǎn)生的適應(yīng)性。可以利用AOB對(duì)FA的適應(yīng)性而避免NOB出現(xiàn)對(duì)FA的適應(yīng)性從而維持穩(wěn)定的短程硝化，提高氨氮去除負(fù)荷。

(3)FA經(jīng)濟(jì)評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中需要從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)一步評(píng)估其應(yīng)用潛力。