摘要：利用NH4+,NO2——，NO3——和pH等4種離子選擇性微電極，研究了不同基質(zhì)濃度條件下厭氧氨氧化系統(tǒng)中顆粒污泥內(nèi)部氮素遷移轉(zhuǎn)化的空間分布特征。結(jié)果表明：當(dāng)基質(zhì)濃度充足時(shí)，從顆粒污泥表面到內(nèi)部的氨氮和亞硝酸鹽氮濃度以一定比例同時(shí)降低，發(fā)生了以厭氧氨氧化反應(yīng)為主的特征反應(yīng)；當(dāng)氨氮濃度受限時(shí)，污泥顆粒外層區(qū)域（0——1200μm）發(fā)生厭氧氨氧化脫氮途徑，內(nèi)層區(qū)域（1200——2500μm）發(fā)生以亞硝酸鹽氮降低為特征的反硝化途徑；當(dāng)只存在NOx——時(shí)，顆粒污泥內(nèi)部發(fā)生反硝化的特征反應(yīng)。因此，厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)氨氧化系統(tǒng)中至少存在厭氧氨氧化和自養(yǎng)反硝化兩種生物脫氮途徑。厭氧氨氧化是指利用自養(yǎng)型厭氧氨氧化菌，以NO2——為電子受體，將NH4+氧化生成N2的生物過(guò)程。作為一種新型自養(yǎng)型生物脫氮技術(shù)，其運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)脫氮工藝節(jié)省近40%,因而具有廣泛的應(yīng)用前景。


其反應(yīng)計(jì)量關(guān)系式如下：NH4++1.31NO2——+0.0425CO2=1.045N2+0.22NO3——+1.87H2O+0.09OH——+0.0425CH2O.（1）然而，在實(shí)際廢水處理系統(tǒng)中，受水質(zhì)和運(yùn)行條件的影響，往往形成多菌種共生的系統(tǒng)，也可能存在多種脫氮途徑。杜兵等研究了進(jìn)水基質(zhì)比例的變化對(duì)推流式厭氧氨氧化反應(yīng)器性能影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水基質(zhì)的變化可能會(huì)導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)復(fù)雜化，使得多種反應(yīng)途徑同時(shí)并存。周少奇等研究了UASB反應(yīng)器中厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同作用，并從理論上計(jì)算了其計(jì)量關(guān)系。賴楊嵐等在成功富集厭氧氨氧化菌的自養(yǎng)脫硫反硝化反應(yīng)器中，研究了厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同作用，并探討了最適合的協(xié)同作用條件。以上研究多以低碳環(huán)境下厭氧氨氧化系統(tǒng)為研究對(duì)象，從計(jì)量學(xué)入手，分析厭氧氨氧化系統(tǒng)中可能的脫氮途徑，缺乏微觀理論依據(jù)。


微電極是一種尖端僅為幾十微米甚至幾微米的微型傳感器，能在不破壞污泥結(jié)構(gòu)的前提下測(cè)定污泥基團(tuán)內(nèi)部物質(zhì)濃度的空間分布特征。近年來(lái)，已被越來(lái)越多地應(yīng)用到水處理領(lǐng)域，成為廢水生物處理微觀機(jī)理研究的有效工具。


本研究結(jié)合微電極技術(shù)，從宏觀和微觀兩個(gè)層面對(duì)無(wú)機(jī)配水生物轉(zhuǎn)盤(pán)厭氧氨氧化系統(tǒng)中氮素物質(zhì)轉(zhuǎn)化去除特征、污泥基團(tuán)內(nèi)部氮素空間分布規(guī)律進(jìn)行研究，旨在探討無(wú)機(jī)配水厭氧氨氧化系統(tǒng)中脫氮的機(jī)理和途徑。


1材料與方法


1.1裝置及運(yùn)行條件


試驗(yàn)在穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)氨氧化系統(tǒng)中進(jìn)行，反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，盤(pán)面總面積為0.319m2,浸沒(méi)面積占87.5%.反應(yīng)器有效容積6.2L,轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.3——1.5r·min——1,HRT維持在1d,溫度控制在40——41℃。


1.2試驗(yàn)用水本試驗(yàn)用水為人工配制的無(wú)機(jī)廢水，主要成分為NH4Cl,NaNO2和NaHCO3,氨氮和亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度都控制在200——250mg·L——1.


1.3分析項(xiàng)目與方法


1.3.1常規(guī)分析方法


氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度采用分光光度法進(jìn)行測(cè)定；pH值采用pHS——3C精密酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。


1.3.2污泥基團(tuán)內(nèi)部氮素轉(zhuǎn)化的微生態(tài)特性測(cè)試


前期研究發(fā)現(xiàn)：生物轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)中，同時(shí)存在生物膜和顆粒污泥兩種污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)，二者均具有較高的活性。為了方便取樣，本試驗(yàn)取系統(tǒng)中顆粒污泥進(jìn)行微生態(tài)試驗(yàn)。


1）測(cè)試方案。從厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)中取少量的顆粒污泥，分別置于裝有不同基質(zhì)的錐形瓶中預(yù)培養(yǎng)3h,各基質(zhì)均由NH4Cl,NaNO2及少量微量元素配制而成，并加入NaHCO3將pH值調(diào)至8.0左右。不同基質(zhì)濃度方案如表1所示。

2）測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)采用自制NH4+,NO3——，NO2——和pH等4種離子選擇性微電極，對(duì)污泥基團(tuán)內(nèi)部中氮素遷移轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行研究，制作方法參照國(guó)外相關(guān)制作方法。制作的微電極尖端直徑在25μm以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間≤2s,穩(wěn)定性較好，符合實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用所需標(biāo)準(zhǔn)。微電極測(cè)試線路如圖1所示。表1微電極測(cè)試各基質(zhì)濃度圖1微電極測(cè)試系統(tǒng)圖從反應(yīng)器進(jìn)水端取出顆粒污泥置于測(cè)量室中，先用昆蟲(chóng)針沿豎直方向插入顆粒污泥兩端，使其固定在致密的網(wǎng)狀支撐物上，預(yù)培養(yǎng)3h后進(jìn)行測(cè)定。利用微調(diào)控器調(diào)節(jié)，使得電極尖端處于顆粒表層以上300μm處開(kāi)始測(cè)定，步長(zhǎng)設(shè)為100μm.由于顆粒內(nèi)部物質(zhì)濃度呈對(duì)稱性分布特征，微電極測(cè)定時(shí)只檢測(cè)了顆粒污泥一半?yún)^(qū)域氮素的空間分布特征，以得到具有代表性的濃度分布變化。