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【格林大講堂】

       污水處理廠廣泛采用生物脫氮技術，因為硝化細菌對許多環境因素比較敏感(如pH、 溫度、 溶解氧濃度等)，所以脫氮過程中的硝化作用被認為是整個脫氮過程的限速步驟. 硝化過程中氨氧化細菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)將氨氮(NH4+-N) 轉化為亞硝酸鹽氮(NO2--N)，然后亞硝酸鹽氧化細菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)將亞硝酸鹽氮(NO2--N)轉化為硝酸鹽氮(NO3--N). 污水中的氨氮以游離氨(NH3)和銨根離子(NH4+)的形式存在，游離氨(free ammonia，FA)是AOB菌群生長所需要的初始基質，但是過高的FA會對其產生毒害作用，影響AOB和NOB菌群的生長.

       目前已有的研究主要集中在FA濃度對硝化性能和活性的短期抑制影響方面，或是以亞硝酸鹽積累為目的短程硝化作用影響的研究，例如孫洪偉等充分利用較高FA對NOB的抑制，通過優化DO、 ORP、 pH等參數，準確實現短程硝化. 但對生物系統反復受到高濃度氨氮廢水的急性沖擊負荷(以下稱“沖擊負荷”)，以及完整的生物硝化反應的抑制與活性恢復機制的研究還不夠. 在連續運行模式下，不同FA濃度對硝化作用沖擊的濃度特點、 抑制程度、 持續時間、 微生物菌群變化等相關信息還缺乏報道.

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       研究了高濃度FA對絮狀污泥和好氧顆粒污泥的抑制影響，發現氨氧化菌均勻分布的絮狀污泥容易受到FA抑制. Chen等在富集高效硝化菌的過程中發現當FA濃度增加到10~20 mg·L-1(混合反應器)，FA對反應器的脫氮性能造成明顯的抑制.在SBR反應器中研究FA對硝化菌的影響時，指出隨FA濃度提高，AOB活性逐漸增大而NOB活性先增大后被抑制. 彭趙旭等研究了在活性污泥系統中(序批式活性污泥反應器，SBR)，當進水NH4+-N為65 mg·L-1時[混合液懸浮固體濃度(mixed liquid suspended solids，MLSS)為2 200~2 400 mg·L-1]，反應器硝化效果明顯變差，NH4+-N沖擊負荷對硝化作用造成短期抑制.

       AOB、 NOB及異養菌的活性分別用氨氧化比耗氧速率(氨氧化SOUR)、 亞硝酸鹽氮氧化比耗氧速率(硝化SOUR)和碳氧化比耗氧速率(碳氧化SOUR)來表征. 通過添加不同濃度的抑制選擇劑[氯酸鈉(NaClO3)和丙烯基硫脲(ATU)]，可以測出氨氧化、 亞硝酸鹽氮氧化和碳氧化比耗氧速率.

       馴化階段進水NH4+-N濃度范圍為49.5~55.1 mg·L-1，出水NH4+-N均低于0.2 mg·L-1，NH4+-N去除率可達99.7% 以上，說明反應器中硝化細菌活性很高. 進水COD為250 mg·L-1左右，馴化期間出水COD可降至20 mg·L-1以下，COD去除率在91.6% 以上. 出水pH穩定在7.2~7.5的范圍內.顯示一個曝氣周期中氮的形態轉化，從中可知，在曝氣的前4 h，NH4+-N濃度逐漸降低到0.01 mg·L-1，同時出水NO3--N濃度逐漸增加，最后穩定在32.3 mg·L-1左右，氨氮最大比降解速率為1.38 mg·(g·h)-1. NO2--N從曝氣開始濃度逐漸增加，在1 h左右達到最大值16.0 mg·L-1，隨后逐漸降低，曝氣4 h后NO2--N低于檢出限. 通過氮平衡的計算，88.6%的NH4+-N轉化成了NO3--N，其它部分的NH4+-N可能是通過細菌的合成代謝被轉化為有機氮.

       出水NO2--N的濃度也隨著FA的增加逐漸增大. FA濃度低于6.6 mg·L-1時，系統中NO2--N濃度較低，最高濃度為1.2 mg·L-1; 當FA增加至11.8 mg·L-1時，系統中NO2--N發生明顯積累，出水NO2--N濃度達到38.4 mg·L-1，說明NOB菌群受到FA的嚴重抑制，NO2--N積累量增加了96.5%，與Chen等在活性污泥反應器(CSTR)的試驗得到的FA在11.3 mg·L-1時，NO2--N積累量增加了93.8% 相近. 試驗出水NO3--N的濃度以及硝酸鹽氮最大比生成速率呈現先升高后降低的變化趨勢，與NH4+-N去除量的變化趨勢相一致，且硝酸鹽氮最大比生成速率的最大值出現在FA濃度為10.5 mg·L-1時，為4.26 mg·(g·h)-1. 當FA為11.8 mg·L-1時，硝酸鹽氮最大比生成速率降至1.73 mg·(g·h)-1，NO3--N生成量的降低反映了FA對NOB菌群的抑制作用.發現在FA逐漸升高到10 mg·L-1時氨氮比降解速率逐漸增至最大，大于10 mg·L-1時氨氮比降解速率開始降低; FA為5 mg·L-1 時亞硝酸氧化作用的速率達到最大，隨后降低，該研究的峰值與本文的研究結論相似.

       在沖擊負荷試驗中，SBR反應器的進水NH4+-N濃度逐漸升高，每一個沖擊負荷運行一個周期，然后進水NH4+-N立刻恢復到50 mg·L-1進行自然恢復過程. 當NH4+-N沖擊負荷為150 mg·L-1(FA=4.5 mg·L-1)時，在第一個周期運行結束時，出水NH4+-N濃度為26.6 mg·L-1，說明在這個NH4+-N濃度下系統內的AOB菌群已經不能對進水的NH4+-N進行全部去除，經過2個恢復周期，出水NH4+-N才降至0.2 mg·L-1以下水平. 隨著NH4+-N濃度的增加，短時出水NH4+-N濃度也逐漸增加，且出水NH4+-N恢復至0.2 mg·L-1以下所需的周期逐漸增加，當 NH4+-N沖擊負荷為2 000 mg·L-1(FA=3.6 mg·L-1)時，需要12個周期才能完全恢復. 可見進水氨氮濃度越大，其短時去除率越低，出水NH4+-N降至0.2 mg·L-1以下的恢復時間越長. 雖然恢復時間增加了，但是FA 對AOB和NOB的抑制作用在試驗濃度下是可恢復的，且硝化菌的活性并不能被完全抑制. 張亮等指出FA對硝化菌的抑制都是可逆的，硝化菌受FA抑制解除后，可逐漸恢復正常活性，且硝化菌對游離氨的抑制存在適應性，長期高游離氨環境下的硝化菌活性也可能逐漸恢復. 相比于重金屬類污染物(反應器相同)對活性污泥系統的毒性抑制作用，FA沖擊負荷對活性污泥的恢復速度相對較快.

       顯示了FA沖擊周期內曝氣階段的亞硝化SOUR(表征AOB菌群的活性)、 硝化SOUR(表征NOB菌群的活性)和碳氧化SOUR(表征異養菌的活性). 隨著進水FA濃度從3.6 mg·L-1增加到8.1 mg·L-1，亞硝化SOUR呈現增加的趨勢. FA濃度為8.1 mg·L-1時，亞硝化SOUR達到最大，即0.20 mg·(g·min)-1(以O2/MLSS計，下同)，之后隨著FA濃度的繼續升高(大于8.1 mg·L-1)，亞硝化SOUR急劇下降至0.06 mg·(g·min)-1，FA對亞硝化SOUR的抑制率為70%. 此抑制結果與前述最大比降解速率的峰值結果一致.

       試驗表明FA沖擊負荷在小于8.1 mg·L-1的范圍內時，增加FA負荷能夠促進硝化活性，而當FA沖擊負荷大于8.1 mg·L-1時，會對硝化作用造成抑制. AOB和NOB菌群活性的增強，體現在菌群數量增加和比耗氧速率SOUR增加; AOB和NOB菌群活性減弱，體現在菌群數量減少和比耗氧速率SOUR降低.

       FA的沖擊負荷不改變AOB和NOB菌群的菌群比例，AOB和NOB菌群的豐度在進水FA濃度為3.6~8.1 mg·L-1時都略微升高，當FA濃度大于8.1 mg·L-1時都會受到抑制，菌群豐度明顯降低.

        FA對硝化作用的抑制體現在對AOB和NOB菌群的豐度和活性(SOUR)的共同抑制，且菌群豐度和活性受抑制的變化趨勢基本一致; 氨氮去除率的變化與菌群的活性變化情況并不一致，當基質遠遠過量時，活性的提高仍然不能避免基質去除率的降低.

       FA沖擊負荷對硝化作用的抑制作用是可恢復的，硝化菌活性恢復時間隨著FA濃度的升高而延長. 較低濃度時(FA=3.6 mg·L-1)，2個周期即可恢復，較高濃度時(FA=11.8 mg·L-1)，則需要12個周期才能恢復.

       硝化SOUR的變化趨勢與亞硝化SOUR的變化趨勢相同，當FA濃度為6.6 mg·L-1時，硝化SOUR達到最大值0.40 mg·(g·min)-1(以O2/MLSS計，下同)，隨后硝化SOUR急劇降低至0.10 mg·(g·min)-1，FA對硝化SOUR的抑制率達到75%. 亞硝化SOUR比硝化SOUR達到峰值時的FA濃度高，說明AOB比NOB菌群抗FA抑制的能力更強. 此外，FA對異養菌的SOUR基本沒有太明顯的影響，表明FA沖擊負荷對異養菌的活性沒有明顯的抑制作用.