游離氨和游離亞硝酸聯(lián)合抑制下的氨氧化過(guò)程和亞硝酸鹽氧化過(guò)程的動(dòng)力模型

【摘要】為實(shí)現(xiàn)城市污水短程硝化厭氧氨氧化生物脫氮，可以利用游離氨（FA）或游離亞硝酸（FNA）控制硝化過(guò)程得到亞硝態(tài)氮積累。反競(jìng)爭(zhēng)性抑制模型能很好地?cái)M合 FA 抑制活動(dòng)，非競(jìng)爭(zhēng)性抑制模型同樣能很好地?cái)M合 FNA 抑制活動(dòng)。亞硝酸鹽氧化反應(yīng)較小的K1值反應(yīng)此反應(yīng)對(duì)FA與FNA抑制的敏感性，這可能導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累。因此研究FA和FNA聯(lián)合抑制下的氨氧化過(guò)程和亞硝酸鹽氧化過(guò)程的動(dòng)力模型可以更好的控制短程硝化。

【關(guān)鍵詞】游離氨；游離亞硝酸；動(dòng)力模型

1、引言

由于世界范圍內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的不斷發(fā)生，各國(guó)學(xué)者對(duì)污水脫氮除磷做了大量研究，并開發(fā)出了許多污水脫氮新工藝，如SHARON、OLAND、CANON、ANAMMOX等，這些新技術(shù)的關(guān)鍵是如何將硝化過(guò)程控制在亞硝化階段.研究發(fā)現(xiàn)，游離氨（free ammonia， FA）對(duì)亞硝酸鹽氧化菌nitrite oxidizing bacteria， NOB）和氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）產(chǎn)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(jié)果表明，當(dāng)FA濃度達(dá)到6 mg L時(shí)就可完全抑制NOB的生長(zhǎng)；游離亞硝酸（free nitrous acid， FNA）完全抑制NOB和AOB生長(zhǎng)的濃度分別為0.02 mg L和0.4mg L。但目前還鮮見NOB對(duì)FNA的抑制具有適應(yīng)性，因此研究FA和FNA聯(lián)合抑制下的氨氧化過(guò)程和亞硝酸鹽氧化過(guò)程的動(dòng)力模型，就可以準(zhǔn)確的在反應(yīng)器啟動(dòng)初期利用廢水中較高的FA濃度使NOB受到抑制，啟動(dòng)短程硝化。

2、建模方法

FA 抑制氨氧化過(guò)程的動(dòng)力模型（1），F(xiàn)NA 抑制氨氧化過(guò)程的動(dòng)力模型（2），F(xiàn)A 抑制亞硝酸鹽氧化過(guò)程的動(dòng)力模型（3），F(xiàn)NA抑制亞硝酸鹽氧化過(guò)程的動(dòng)力模型（4），這四種動(dòng)力模型均來(lái)自酶抑制模型。抑制類型包括競(jìng)爭(zhēng)性抑制、反競(jìng)爭(zhēng)性抑制（或者說(shuō)自我抑制）和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。當(dāng)抑制劑的濃度不取決于底物濃度時(shí)（例如例2和例3），采用直接線性圖表法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中來(lái)確定抑制類型。當(dāng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證最可能的抑制類型。

2.1 FA抑制氨氧化過(guò)程

Andrews 總結(jié)了一個(gè)經(jīng)典的氨氧化過(guò)程中的反競(jìng)爭(zhēng)性抑制模型：

在這個(gè)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(shù)。Andrews和其他的研究學(xué)者認(rèn)為公式1中的S是總氮的濃度（TAN，NH 4+ -N+NH3 -N），當(dāng)pH恒定時(shí)，這理論是成立的。由于FA抑制了氨氧化過(guò)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(guān)于公式2中底物濃度S的想法。傳統(tǒng)上，S是總氮濃度。然而，一些學(xué)者提出了最新的說(shuō)法是S是游離氨的濃度：

2.2 FNA抑制氨氧化過(guò)程

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中確定未知的抑制模型及其動(dòng)力參數(shù)，直接線性圖表法是十分有效的。這個(gè)方法基于莫諾式底物利用動(dòng)力模型：

在這個(gè)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(guān)系圖。不同的S-q值將產(chǎn)生不同的直線，但所有線將經(jīng)過(guò)定點(diǎn)（）。盡管由于錯(cuò)誤直線不相交于一點(diǎn)，但是這個(gè)方法就是眾多方法中估計(jì)最可靠的，因?yàn)樗柚沽擞捎谥兄档牟迦氲漠惓Ｖ档挠绊憽?/p>

2.3 FA抑制亞硝酸鹽氧化過(guò)程

FA對(duì)亞硝酸鹽氧化過(guò)程的抑制似乎是亞硝酸鹽積累最重要的因素。有兩種關(guān)于FA抑制作用的說(shuō)法：反競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。

2.4 FNA對(duì)亞硝酸鹽氧化過(guò)程的抑制

早期闡述亞硝酸鹽氧化過(guò)程的抑制模型是非競(jìng)爭(zhēng)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）：

（6）

Boon和Laudelout認(rèn)為S是NO2- 的濃度，S1是HNO2的濃度。近來(lái)，Gee等人認(rèn)為S和S 1都是NO 2- -N的濃度，然而其他學(xué)者認(rèn)為S和S1 都是HNO 2的濃度。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證實(shí)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+℃））*10 pH +1]）。

結(jié)論：

FA和FNA聯(lián)合抑制模型可以預(yù)測(cè)的是，通過(guò)聯(lián)合底物和產(chǎn)物的復(fù)合抑制，NOB的將會(huì)顯著減小。這也表明，在SBR系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)高亞氮條件下氨氮的完全去除，這在連續(xù)流反應(yīng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

作者簡(jiǎn)介：

張艷（1989-），女，漢族，河北省保定市，初級(jí)工程師，本科，柏堅(jiān)聯(lián)創(chuàng)工程顧問(wèn)有限公司，給排水方向。