反硝化脱氮产氧量，污水处理反硝化工艺

关注公众号：环境水处理（hbscl01）1简介（Introduction）

厌氧氨氧化作为一种新型反硝化工艺，近年来逐渐受到人们的关注，其原理是厌氧氨氧化细菌以NO2--N为电子受体，将氨氮氧化为氮气，就是这个意思。稳定？-N是Anammox工艺成败的关键。在以往的实验研究中，NO2--N的获取主要是通过短程硝化来实现的。该过程通常需要较高的温度(Van et al. 2001)或较少的溶解氧(Tokutomi, 2004)，使得该过程不稳定且容易发生完全硝化，从而限制了反硝化反应条件。通过控制，NO3--N被还原只生成NO2--N，而NO2是厌氧氨氧化所必需的——一种获取N的新途径（孟学政等，2009）。

研究结果表明，反硝化反应是通过硝酸盐还原酶（NaR）、亚硝酸盐还原酶（NiR）、一氧化氮还原酶（NoR）和一氧化二氮还原酶（Nos）的作用，逐步将NO3转化为NO3。那将N还原为N2的工序（式（1））。

(1)

然而，并非所有反硝化细菌都能够进行完整的反硝化反应（Bothe et al. 1990; Kloos et al. 1999; Nielsen and Nielsen, 2002）。有些反硝化细菌只能完成反硝化反应链。这些微生物在反硝化反应链中的作用取决于它们所拥有的反硝化还原酶的类型和数量（图1b）。 NO3--N 然后可以还原为N2 (Stouthamer, 1992) (图1a)。另一方面，大肠杆菌（E.coli）和硝酸盐细菌（Archaea，ANME-2d）只含有硝酸盐还原酶，只能还原NO3--N。 NO2--N (Ferguson, 1994; Haroon et al. 2013) 通过改变反应条件，仅浓缩含有硝酸还原酶的反硝化细菌即可实现亚硝酸氮的积累。

图1 两种反硝化途径示意图（a.含有所有反硝化酶的微生物独立完成反硝化过程；b.含有不同反硝化酶的不同微生物协同完成反硝化过程）

碳源类型和碳氮比(COD/NO3--N)也是影响反硝化过程中NO2--N积累的重要因素。研究表明，反硝化反应产生最高的比反硝化作用。当使用乙酸钠作为碳源时，观察到NO2--N积累现象(尹芳芳等，2009)。如果碳源不足(C/N 3.2)，NO2--N就会积累。积累显着，且积累量随着碳源的增加而增加(曹祥生等，2010)。

本研究以乙酸钠为活性污泥碳源，在城市污水处理厂脱氮装置中，通过控制不同C/N条件下的反应时间来控制反硝化过程。这一NO2--N步骤，其中NO3--N被还原，达到了为厌氧氨氧化反应提供NO2--N的目的，同时控制了不同C/Cs下NO2--N积累速率.这是通过比较来实现的。探索实现N、NO2 C/N稳定积累的最佳途径，为现有反硝化系统组成理论提供依据水处理原理与设计——水处理技术（2）（原出版第3版）82.70购买

2.材料和方法

2.1 接种污泥及富集培养方法

实验采用3台SBR反应器并联进行，进水C/N分别为1、2.5、4，反应器容积为1 L，初始污泥浓度为1000 mg L-1，HRT为12 h。 SRT为8天，反应温度2527，接种污泥取自西安市第四污水处理厂A/A/O生物反应池好氧区边缘。

通过在测试过程中不断缩短反应时间，达到了仅将NO3-N还原为NO2-N的目的，以监测亚硝酸盐水平。当达到最大浓度时，反应溶液被迫沉降并排出，结束反应。然后反应堆变得空闲并等待下一个周期。此后，反应时间不再改变。当NO2-N积累速率降低时，反应时间再次减少，依此类推。

2.2 实验用水

实验用水由自来水手工配制，水中NO3-N浓度为50 mg·L-1，根据C/N=1、2.5、4添加乙酸钠，并添加氯化铵和钾。做过。微生物生长需要氮和磷，用NaHCO3调节pH值，使混合物的pH值保持在7.0至8.0之间。

2.3 批量测试

(1)反硝化活性测定

具体操作方法是定期测量不同C/N下反硝化过程中NOx-N浓度变化，考察活性污泥的反硝化活性，收集淘洗后的.mL活性污泥至3个400mL广口瓶中，用清水吹扫。氮气5分钟，然后添加基质(NO3--N:50 mg L-1)并调整C/N=I接着1。分别在2.5和4中加入醋酸钠，密封并在25恒温水浴中孵育，反应过程中每5分钟定期取样，NO3--N、NO2--N、COD等对样品中的指标进行了分析和测定。

(2)碳源含量对反硝化活性的影响

为了研究碳源含量对反硝化过程中NO2-N积累的影响，实验：将污泥引入C/N=2.5反应器进行反硝化反应，还原NO2--，旨在停止反硝化过程中NO2--的积累。某一点的反应。当N积累达到最大后，继续添加足够量的COD，在整个反应过程中定期取样，立即检查水样的NO3-N、NO2--N、COD等指标，并进行分析和测量。采样完成后。

2.4 分析项目及分析方法

各项指标的测定方法均采用标准方法（国家环境保护局，2002）：NO3--N为紫外分光光度法，NO2--N为乙二胺分光光度法，COD为重铬酸钾滴定法，NH4+-N采用纳氏滴定法方法。试剂分光光度法；pH采用玻璃电极法NO2--N的存在影响COD的测量，因此对测得的COD进行修正： COD校正=COD测量-1.14CNO2--N（付昆明等，2011） 。

2.5 反硝化率和转化效率的计算

通过活性测试测量反硝化过程中NOx-N浓度变化和污泥浓度，并利用式（2）至（5）计算反硝化率和转化效率。

NO3--N还原率：

(2)

NO2--N积累率：

(3)

NO3--N转化率：

（四）

NO2--N积累率：

（五）

式中，NO3--N 为NO3-N 还原率（mg·g-1·h-1），NO2--N 为NO2-N 累积率（mg·g-1·h-1）） ；CNO3_N 为单位时间减少的NO3_N 量（mg·L1）；CNO2_N 为单位时间累积的NO2_N 量（mg·L1）。 X为污泥浓度（g·L-1）（以VSS计），50为进水NO3-N浓度50mg·L-1。

2.6 高通量宏基因组微生物测序

从反应器中取出一定量的活性污泥，用去离子水洗涤，离心，使用OMEGA试剂盒E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA试剂盒纯化（http://www.omegabiotek.com.cn/vancheerfile/files/2016/11） . 按照说明进行操作。 /20161116125337431.pdf）提取DNA。

使用提取的DNA 作为PCR 模板，使用V4 引物（序列： 5'-CCCTACACGACGCTCTTCCGATCT-3' 和5'-GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAG-3'）在MyiQ 实时PCR 放大器（Biorad，USA）上进行PCR 反应。扩增产物通过琼脂糖凝胶（1%）电泳测试后，使用Qubit2.0 DNA检测试剂盒（Life，Q10212）对DNA进行精确定量，并按质量比1:1等量混合后进行测序。

3.结果与讨论

3.1 核反应堆运行特性

通过控制不同C/N值下的反硝化反应时间，在SBR反应器中培养108天后，实现了稳定的NO2-N积累。 NO2--N积累率、NO3--N转化率、污泥浓度和反应时间随时间变化，由图可见，C/N=1和C/N=2.5的反应器中反应时间增加。随着出水中NO3-N浓度逐渐降低，NO3-N转化率和NO2-N积累率逐渐升高，这一结果是由于还原态NO2-N的不断参与所致。在C/N=4反应器中随着反应时间的缩短，NO3--N转化率逐渐升高，出水NO2--N浓度和NO2--N初步积累。这是因为在培养后期，反硝化细菌活性增强，NO2--N迅速积累，反硝化细菌不断利用剩余的COD将部分积累的NO2--N还原为N2，是有原因的。导致出水中NO2-N浓度和NO2-N累积率下降。

图2 各反应器出水NOx-N、累积率、转化率、污泥浓度和反应时间的变化(a. C/N=1;b. C/N=2.5;c. C/N=4;c. C/N=4; d. 污泥浓度随时间的变化）

在富集培养过程中，污泥在培养初期处于驯化阶段，因此排出的污泥量大于污泥生长量，污泥浓度不断降低，但随着培养的进行，污泥浓度不断降低。污泥浓度减小，将继续下降。污泥活性增加，日污泥排放量几乎等于污泥增长量，污泥浓度恒定在1.1 g·L-1。

3.2 污泥活性变化

在培养过程中，通过定期测量NO3--N最大还原率和NO2--N最大积累率来表征反硝化活性。结果如图3所示。当碳氮比为1、2.5和4时，NO2-N累积速率和最大NO2-N累积速率分别为300.73和300.15、417.29和402.01、426.73和420.86 mg·g-1·h-1。随着培养时间的增加，最大NO3--N还原率和NO2--最大N积累率逐渐增大并达到稳定状态，并且它们之间的差异也逐渐减小，并且几乎全部还原了NO3--这表明： N 减少了。转化为NO2--N并稳定积累。

图3 C/N差异引起的反硝化率变化（a.NO3--N最大还原率，b.NO2--N最大积累率）

同时碳氮比对反硝化活性也有很大的影响，随着碳氮比的增加，反硝化活性逐渐增强，不同C/N下的反硝化活性测试结果如图4所示。马苏。当C/N为1和2.5时，反硝化过程产生稳定的NO2-N积累，当NO2-N积累达到峰值时COD基本被完全消耗，并随着C/N值的增加而降低。积累增加： 当C/N=1时，NO2-N最大积累量为20mg·L-1，平均积累率为88%，当C/N=2.5时，NO2--N最大积累量为88%。N为40 mg·L-1，平均积累率为95%，当C/N=4时，NO2--N达到最大积累量（45 mg·L-1），然后继续反应，降低了。 N2一直存在直至反应结束，NO2-N积累率仅为65%，NO2-N积累最大时COD仍保持在70 mg·L-1。分析以上实验结果，较低的C/N有利于NO2的实现。 -N的稳定积累是由于反应过程中基质的限制，阻止了NO2 -N继续还原为N2。

图4 不同C/N值下NOx-N和COD的变化（108天）（a.C/N=1；b.C/N=2.5；c.C/N=4）

3.3 碳源含量对反硝化过程中亚硝态氮积累的影响

碳源含量对反硝化过程中亚硝态氮积累影响的实验结果如图5所示。反应开始20分钟内，碳源充足，反硝化细菌的活性最大，亚硝酸氮的还原量最大。 NO3--N速率为417.25 mg·g-1·h-1，NO2--N最大累积速率为409.38 mg·g-1·h-1，NO3--N还原率和NO2 ——氮积累率逐渐降低，分别达到92.12 mg·g-1·h-1和52.68 mg·g-1·h-1。NO2--N积累在60分钟时达到最大值；60分钟后，碳源耗尽，反硝化细菌利用内源呼吸缓慢还原NO2--N。最大减少率仅为23.23 mg g-。 1h-1.随后加入足够的COD，通过反硝化细菌还原积累的NO2--N。NO2--N还原为N2，最大还原率为65.68mgg-1h -1。

图5 碳源含量对反硝化过程的影响

在碳源充足、硝酸盐含量较高的条件下(反应前20min)，NO3--N的还原率和NO2--N的积累率基本相同。量为35.53毫克，NO2--N累积量为32.81毫克，COD消耗量为92.79毫克，相应的NH4+-N消耗量为3.27毫克，其中NO3--N消耗的COD所占比例以NH4+-为依据N消耗，合成池COD消耗49.29 mg，剩余3.7 mg COD用于还原部分NO2。 -N，1 g NO2- 将-N还原为N2理论上需要消耗1.72 g COD。由上可知，COD除了细胞合成外，大部分都被消耗掉了。大量COD用于还原NO3--N，少量COD用于还原NO2-N，但电子受体NO3-N和NO2-N相互竞争。反硝化细菌利用碳源仅将NO3--N还原为NO2--N，还原后的NO2--N几乎全部积累，由于反硝化酶的合成顺序，硝酸还原酶转化为亚硝酸还原酶。 NO3--N 的还原比NO2--N 的还原释放更多的自由能(Mooyoung et al. 2001)，因此，NO3--N 的存在由于抑制了N 的还原，因此NO2 的还原率降低--N减少。反应初期N的还原速率与内源呼吸时基本相同，NO2-N积累。

当碳源不足时（反应20-100min），NO2-N因底物限制而积累，同时反硝化细菌的亚硝酸还原酶（NiR）活性逐渐恢复。当系统中加入足够的COD时，反应后NiR活性增加（反应时间100-125分钟），促进积累的NO2-N快速还原；尽管与初始NO3-N还原相比，还原率仍然相当低率，这是因为在培养过程中，部分反硝化菌的NaR含量增加，NiR含量减少，NO3-N优先被还原，可以想象。结果就出现了上述的情况。

3.4 微生物种群的组成

本研究中，培养污泥中的主要菌群为Tauela（71.85%），属于-变形菌纲，同时还存在脱氯单胞菌（6.48%）和黄杆菌（4.62%）。 ）、蛭弧菌（占2.35%）等微生物中也存在，故培养污泥种群结构组成如图6所示。

图6 培养污泥种群结构组成

Thauera spp.和黄杆菌只能将NO3--N还原为NO2--N，导致反硝化系统中NO2--N积累。一般认为，Thauera 属的大多数物种仅含有硝酸还原酶（Nar）。即在厌氧氧环境下，只有NO3--N被还原为NO2--N（Srinandan等，2011；Liu等，2013）；而最新的研究表明，一些Thauera spp.虽然还有其他反硝化酶，当NO3--N存在时，微生物不能合成亚硝酸盐还原酶(Nir)(Liu et al. 2013)。因此，我们在本研究中采用了较短的反应时间。当硝酸盐耗尽时，反应终止。反应停止，从而最大限度地积累NO2--N并浓缩Thauera属微生物。黄杆菌具有与Thauera 相同的特征（Payne，1974）。一旦NO3--N完全还原，此时，随着反应的继续，Tauera和黄杆菌的亚硝酸还原酶（Nir）活性逐渐恢复，将NO2--N转化为NO、N2O或继续还原为N2。此时，NO2--N的最大还原率会较低。优于初始NO3--N还原率（图5）。

此外，培养污泥中还含有少量脱氯单胞菌和布德罗弧菌。这些是常见的反硝化细菌，包含反硝化过程中的所有酶系统，可以将NO3--N 还原为N2（Coates 等，2011；Heylen，2007）。这些细菌属的存在也是本研究中积累的NO2-N被还原为N2的原因。欲了解更多信息、水水宝商城数据或相关技术文档请访问http://www.dowater.com。

4。结论

1)NO3-N还原为NO2-N步骤中，通过控制反应时间和碳源供给量来控制反硝化过程，实现NO2-N的稳定积累。

2）当碳氮比为2.5时，培养108天后，反硝化反应时间由60分钟缩短至20分钟，NO3-N还原率和NO2-N积累率均为0.417 g.g.分别在-1·h-1和0.402 g·g-1·h-1时，NO2-N的最大积累率达到95%。

3）反硝化活性随着碳氮比的增加而增加，较低的C/N更有利于实现稳定的NO2-N积累。

4）在亚硝酸盐氮积累的反硝化过程中，如果碳源充足，NO3--N和NO2--N作为电子受体，相互竞争碳源，受到-N存在的抑制。 NO2-N被还原，NO2-N积累，当碳源不足时，由于底物限制，NO3-N优先被还原，NO2-N积累。

5）培养污泥中主要菌群为Tauera（占71.85%），只能将NO3-N还原为NO2-N，从而造成NO2-N的积累。