2结果与讨论


2.1生物转盘厌氧氨氧化系统脱氮效果与特性


厌氧氨氧化生物转盘稳定运行期间，对系统进、第33卷出水氮素转化、去除特性及pH值变化进行测定，如图2、图3所示。由图2a,2b可知：稳定运行73d期间，进水平均氨氮和亚硝酸盐氮的质量浓度分别为230mg·L——1和250mg·L——1.系统中出水质量浓度很低，小于2mg·L——1,氨氮和亚硝酸盐氮去除率均达到95%以上；出水中硝酸盐氮质量浓度略高于进水（见图2c），出水pH值略高于进水（见图2d），以上特征表明系统发生了厌氧氨氧化反应。系统总氮容积去除负荷达到0.338kg·m——3·d——1,平均总氮去除率达到了90.79%,系统具有良好的脱氮效果。

图2系统进、出水氮素物质转化及去除特性与pH值变化图

图3系统中各氮素物质去除量与生成量比例变化图


系统去除的亚硝酸盐氮与氨氮的质量浓度之比在1.00——1.25之间，同时系统生成的硝酸盐氮与去除的氨氮质量浓度之比在0.044上下波动（见图3）；这两个比值均小于厌氧氨氧化反应化学计量式中的理论比值（式1）。据此推断，系统中除厌氧氨氧化反应外，可能还存在反硝化反应，厌氧氨氧化过程中生成的部分副产物硝酸盐氮发生了反硝化作用，转化成为亚硝酸盐氮或氮气。


2.2污泥内部氮素迁移转化特性与脱氮机理


为了进一步验证以上推断，采用本课题组自制的具有高分辨率的微电极对污泥基团内部物质浓度空间分布特征进行检测。


2.2.1厌氧氨氧化微生态机制分析


基质中各物质浓度之比分别为c（NH4+——N）/c（NO2——N）=1.0∶1.2和c（NH4+——N）/c（NO2——N）=1.0∶2.0时，颗粒污泥内部氮素迁移转化的空间分布特征如图4所示。

图4颗粒污泥内部氮素空间分布规律


由图4a可知：基质充足时，颗粒污泥0——2500μm区域间，亚硝酸盐氮和氨氮浓度同时降低，二者以大约1.05∶1.00的比例被消耗；伴随着亚硝酸盐氮和氨氮的消耗，产生了少量的硝酸盐氮，且pH值第5期王磊等：厌氧生物转盘氨氧化系统中脱氮机理与途径从8.08升高到8.18,具有典型的厌氧氨氧化特征。当基质中亚硝酸盐氮浓度过剩（见图4b）时，颗粒污泥表层（0——1200μm），亚硝酸盐氮和氨氮浓度成比例降低，硝酸盐氮浓度升高，发生了厌氧氨氧化反应。1200μm以下区域，在氨氮消耗殆尽的前提下，亚硝酸盐氮继续减少，硝酸盐氮浓度也略微减少，是典型的反硝化特征。


2.2.2颗粒污泥内部反硝化微生态机制分析


为了进一步验证反硝化过程的存在，将颗粒污泥分别置于只含亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的两种基质中，用微电极测定其浓度空间分布规律，如图5所示。

图5污泥颗粒内部物质变化规律

当基质中只含有亚硝酸盐氮时（见图5a），亚硝酸盐的浓度持续降低，氨氮和硝酸盐氮的变化甚微，pH值略有增加，说明反硝化菌以亚硝酸盐氮为电子受体发生了内源反硝化反应；当基质中只含硝酸盐氮时（见图5b），颗粒表层区域（0——1200μm），硝酸盐浓度减少，亚硝酸盐浓度略微增加，说明此段因缺乏氨氮和亚硝酸盐氮致使厌氧氨氧化菌活性受到抑制，发生了将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮的反硝化。颗粒污泥内部1200μm到2500μm区域内，亚硝酸盐氮浓度减小，硝酸盐氮浓度变化甚微，说明发生了反硝化反应。


整个过程中，pH值从7.99增加到8.21.研究者曾在低碳厌氧氨氧化系统中发现了厌氧氨氧化和反硝化协同脱氮的现象，原因是有机物和NOx——共同存在的条件有利于反硝化菌的生长。本系统是无机配水，理论上不足以提供反硝化所需碳源。然而，本研究宏观和微观两个层面均发现反硝化的现象，推断碳源来自于微生物自身降解，在不利的环境条件下，厌氧氨氧化细胞水解为反硝化反应提供碳源，这可能也是厌氧氨氧化菌增殖较慢的原因。


3结论


1）无机配水厌氧氨氧化生物转盘系统中，消耗的亚硝酸盐氮与氨氮的质量浓度比值维持在1.05∶1.00左右，生成的硝酸盐氮质量浓度与消耗的氨氮质量浓度之比维持在0.044,均低于厌氧氨氧化反应的理论化学计量值1.31和0.22,表明除了厌氧氨氧化外还存在其他反应途径。


2）颗粒污泥内部氮素迁移转化微生态特性研究发现：基质浓度充足时，颗粒内部区域主要发生厌氧氨氧化的生物脱氮途径；氨氮浓度受限时，颗粒污泥内部同时发生厌氧氨氧化和反硝化脱氮途径；基质中只含有NOx——时，颗粒污泥内部发生了反硝化反应。表明系统中至少存在厌氧氨氧化和自养反硝化两种生物脱氮途径。