FNA在污水生物脱氮除磷中的抑制效应

FNA在污水生物脱氮除磷中的抑制效应
李璐;马娟;宋相蕊
【摘要】Nitrite(NO2-),as the intermediate product of nitration and denitrification,exists in wastewater biological denitrification and dephosphorization systems. The influencing factors of nitrite protonated product free nitrous acid (FNA) are discussed. On this basis,the research progress in the inhibition effect of nitrite and FNA on wastewater biological denitrification and dephosphorization is summarized. The possibly inhibitory mechanisms of FNA on bio-logical denitrification and dephosphorization are introduced. The problem of how to effectively control the inhibitory effect of FNA in the process of wastewater treatment is discussed ,and its further research is predicted.%亚硝酸盐作为生物硝化和反硝化的中间产物，存在于污水生物脱氮除磷系统中。

探讨了亚硝酸盐的质子化产物游离亚硝酸（FNA）的影响因素，在此基础上综述了亚硝酸盐及FNA对污水生物脱氮除磷抑制效应的研究进展，概述了FNA在生物脱氮除磷系统中可能的抑制机理，讨论了如何有效控制污水处理过程中FNA的抑制作用，并对进一步研究提出了展望。

【期刊名称】《工业水处理》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】生物脱氮除磷;游离亚硝酸;抑制机理
【作者】李璐;马娟;宋相蕊
【作者单位】兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070;兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070;兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】X703
氮、磷是引起水体富营养化和环境污染的重要污染物质，因此，研究污水脱氮除磷技术具有重要意义。

氮、磷的去除比较复杂，生物脱氮除磷涉及硝化、反硝化以及释磷、吸磷等多个生化反应过程，由于每一个过程的目的不同，对微生物的组成、基质类型及环境条件的要求也各不相同〔1〕。

最近的一些研究表明，生物脱氮除磷过程出现了一些超出人们传统认识的新发现，如硝化过程不单由自养菌完成，某些异养菌也可以参与硝化作用〔2〕；某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用〔3〕；厌氧条件下氨氧化也可以发生〔4〕；在厌氧/缺氧交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化和除磷功能的兼性厌氧微生物，该微生物能利用O2或者NO-N作为电子受体〔5〕。

这些新发现为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理论和思路。

目前，生物脱氮除磷技术的研究热点主要集中在短程硝化反硝化生物脱氮工艺、厌氧氨氧化生物脱氮和反硝化除磷工艺方面。

众所周知，硝化过程中，许多环境因素如高温、低溶解氧浓度、低pH等都会引起氨氧化速率大于亚硝酸盐氧化速率，导致亚硝酸盐的积累，而一定量的亚硝酸盐会对多种微生物的新陈代谢产生抑制作用，因此，亚硝酸盐的存在一直以来被视为传
统污水处理中的不利因素。

并且，近年来的诸多研究表明，NO-N的质子化产物——游离亚硝酸（FNA）对氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化细菌及反硝化除磷菌等微生物的增殖与产能具有抑制作用〔6-12〕。

换言之，污水生物脱氮除磷过程中真正的抑制剂是FNA而非亚硝酸盐〔13〕。

1 FNA浓度的计算及其影响因素分析
1.1 FNA浓度的计算
FNA浓度的计算公式如下：
式中：ρ（FNA）——游离亚硝酸质量浓度（以HNO2-N计），mg/L；
ρ（NO-N）——亚硝酸盐质量浓度，mg/L；
T——温度，℃；
pH——系统内的pH。

由公式（1）可知，ρ（FNA）为ρ（NO-N）、pH和温度的函数，其与ρ（NO-N）呈正相关，与pH、温度呈负相关。

1.2 亚硝酸盐浓度的影响
在恒定pH、温度条件下，由公式（1）可知，
在污水生物处理过程中，通常pH介于6.0～9.0，温度介于15～50℃，经计算KNO2介于10-3～10-5，远远小于1，由此并结合公式（2）可以看出，NO-N
浓度的变化仅导致FNA浓度较小程度的增加或降低。

1.3 pH的影响
假定系统内ρ（NO-N）和温度保持不变，由公
则：
依据公式（3）经计算可知，每增加或降低1个pH单位，相应的ρ（FNA）则会降低或增加到原来的0.1倍或10倍。

1.4 温度的影响
假定ρ（NO-N）和pH不变，根据公式（1）可知，
在适宜微生物生长的温度范围（5～40℃）内，以5℃为1个基准单位，考察了温度变化对FNA浓度的影响。

通过计算{ρ〔FNA（T）〕-ρ〔FNA（T+5）〕}/ρ〔FNA（T）〕得出，温度每升高5℃，ρ（FNA）降低的比例介于0.10～0.15，因此，温度的波动对FNA浓度的影响相对较小。

综上，较之亚硝酸盐浓度和温度，pH是影响FNA浓度的最主要因素。

2 FNA对污水生物脱氮除磷的抑制效应探讨
表1总结了文献报道的污水生物脱氮除磷过程中主要生物种群活性受抑制程度分别为50%和100%时相应的FNA浓度。

表1 FNA对不同微生物的抑制浓度?
表1中涉及的微生物对FNA的抑制有较好的耐受性。

为使微生物种群对更高浓度的FNA的抑制有更好的耐受性，对其进行驯化是有必要的。

但这在污水处理中并不总是可行，因为进水的成分是随时变化的，会存在潜在的干扰。

FNA的存在可能会对生物种群的功能结构进行重新配置，从而为一些与系统中主要微生物竞争营养、碳源等物质的其他微生物（如除磷系统中的聚糖菌与聚磷菌竞争碳源和营养）的生长提供优势。

表1中，NOB活性100%受抑制时的FNA质量浓度为0.023 mg/L，而城市污水处理厂进水NH4+-N通常介于30～70 mg/L，因此，亚硝酸盐累计浓度不会超过NOB的抑制阈值，这就说明一些污水处理厂试图单独利用FNA的抑制作用来实现短程硝化是不可行的。

所以，为了达到短程硝化，除了利用FNA的抑制作用，采用一些运行参数（如DO）的在线控制来抑制NOB的生
长也是必要的。

在一定条件下，亚硝酸盐容易在强化生物除磷（EBPR）系统中累积，成为EBPR
系统恶化的因素之一。

基于此，众多学者开展了亚硝酸盐抑制好氧吸磷的研究〔18-19〕，研究发现，好氧吸磷过程中亚硝酸盐的消耗不同于硝化过程中亚硝酸盐的消耗：（1）一些具有较强反硝化能力的聚磷菌（PAOs）在好氧条件下能利
用亚硝酸盐为电子受体；（2）加入亚硝酸盐的好氧吸磷过程中，氧气消耗速率和吸磷速率持续降低，而停止投加亚硝酸盐后两者均有小幅升高。

好氧吸磷过程亚硝酸盐抑制浓度因不同工艺、不同水质而差别较大。

亚硝酸盐影响缺氧吸磷的研究则主要集中于2点，即亚硝酸盐能否作为反硝化除
磷的电子受体和亚硝酸盐对反硝化吸磷的抑制浓度。

近年来，大部分研究支持亚硝酸盐能够作为反硝化吸磷的电子受体的观点，但是关于亚硝酸盐的临界抑制浓度存在很大分歧。

Y.Zhou等〔20〕以4种不同的可以除磷的污泥为研究对象，对聚磷菌的缺氧吸磷现象和反硝化能力进行了研究，实验过程中严格控制pH。

结果发现，FNA才是真正的抑制剂，对吸磷和反硝化均产生了抑制作用。

当FNA质量浓度（以HNO2-N计）达到0.002 mg/L时，PAOs的吸磷作用受到抑制，当FNA
质量浓度（以HNO2-N计）达到0.02 mg/L时，吸磷作用完全被抑制；同时发现，当FNA质量浓度（以HNO2-N计）从0.002 mg/L增加到0.02 mg/L时，PAOs的反硝化速率减小了约40%，而继续增加FNA质量浓度（以HNO2-N计）到0.04 mg/L时，反硝化速率几乎没有变化。

3 FNA对污水生物脱氮除磷的抑制机理探讨
研究结果表明，FNA对微生物的活性具有抑制作用。

然而截止目前，对这种抑制
作用如何发生且哪一步微生物代谢过程受到影响的机理尚不明确。

J.M.Yarbrough 等〔21〕的研究表明，FNA对于较大范围内的微生物种群有抑制作用，能显著影
响这些微生物的主动运输、氧利用速率和氧化磷酸化的能量产生方式。

S.Aiba等
〔22-23〕报道了FNA具有提高细胞膜质子渗透性的质子解耦联效应，而该渗透
性是通过质子往复机械运行完成的。

此外，T.G.Casey等〔24-25〕认为，亚硝酸盐或FNA会对某种代谢酶的的活性产生抑制作用。

V.O’Leary等〔25〕报道了
亚硝酸盐或FNA的抑制作用取决于酶活性的代谢过程，且通过研究表明，微生物的亚硝酸盐抑制过程可能包含一种以亚硝酸形式存在的亚硝酸盐和带有巯基微生物细胞酶的相互作用。

关于FNA对污水生物脱氮除磷的抑制机理，一般采用以下3种假设来解释：（1）FNA的抑制作用可能是由于FNA的解耦联作用。

FNA是亚硝酸盐的一种质子形式，能够穿过细胞膜，并且在膜两侧往复运动而不产生能量〔22，26〕。

W.F.H.Sijbesma等〔23〕认为，FNA作为一个使用P.酮基的质子载体，当它透
过细胞膜以后会导致胞外驱动质子的能量增加。

这种方式导致了亚硝酸盐还原速率的增加，这一点与马娟等〔27〕观察到的现象（亚硝酸盐的还原速率随着FNA浓度的增加而降低）是矛盾的。

因此，这种假设并不适用于解释FNA对所有微生物的抑制机理。

（2）FNA通过抑制磷吸收和/或微生物生长而导致了较低的能量需求来减慢反硝
化速率。

在能量消耗过程中，较低的能量需求将导致细胞内ATP（低于ADP浓度）的积累，这使得ATP的合成减缓，进而减慢了亚硝酸盐还原速率。

但是，Y.Zhou 等〔20〕发现，投加不同质量浓度（0.000 8～0.002 mg/L）的FNA，其反硝化
速率相近。

这与本假设理论相矛盾。

（3）FNA会抑制酶的活性。

B.Baumann等〔28〕的研究表明，FNA抑制酶的活性的原因可能在于以下3个原因之一：FNA抑制了酶信使核糖核酸（mRNA）的
转移；酶的位置被改变和不适当地折叠；高浓度的FNA导致已经合成的酶失去活性和/或它的信息发生改变。

4 污水处理过程中FNA抑制作用的控制
降低污水处理过程中FNA浓度最有效的方式是提高pH。

当pH从7增加到8时，FNA的浓度能够减少90%，而且较高pH（pH＜8）对于硝化作用、PAOs与聚
糖菌（GAOs）的竞争都是有益的〔29〕。

值得注意的是，过高的pH（pH＞8.5）会对一些微生物种群产生毒害作用，而且，随着pH的增高，游离氨（FA）的浓
度也会增加〔30〕。

相对于pH来说，温度能够在较小程度上影响FNA的浓度。

当温度从20°C降低
到10°C时，FNA的浓度会升高20%～25%。

也就是说在低温条件下FNA的浓度会较高，对微生物的抑制作用较大。

但是由于加热过程的高成本，采取控制温度的方法来降低污水处理过程中FNA浓度不太可行。

抑制剂的投加方式也能影响FNA的抑制效果。

连续的分步投加与一次性投加相比更能减少FNA的抑制作用。

Y.Zhou等〔31〕在处理屠宰废水时采用了连续分次
投加亚硝酸盐的方式，结果表明，磷的去除和反硝化的效果明显优于一次性投加亚硝酸盐的效果，通过控制流速连续投加170 mg/L的FNA，并未在缺氧段检测到FNA。

Y.Zhou等〔20〕通过研究发现，由于传质阻力的作用，与絮凝状污泥相比，颗粒污泥对FNA的抑制作用有更强的耐受性。

因此，颗粒污泥或以生物膜为主的处理系统能够耐受更高浓度的FNA。

然而，FNA作为能量产生和增长的化学解偶联剂与其他解偶联剂相比会抑制颗粒污泥和生物膜的新陈代谢作用，而抑制和耐受的临界值仍需进一步研究。

从某种程度上来讲，可以利用FNA解决膜生物反应器（MBR）中的生物淤积问题〔32〕。

数学模型可用于预测FNA对微生物种群的抑制作用和由于抑制作用引起的种群变化，在污水处理中，数学模型能够帮助控制很多参数。

S.Park等〔33〕利用数学
模型通过控制pH、DO、曝气量等相关参数来调控亚硝酸盐和FNA的积累，成功实现了短程硝化。

A.Oehmen等〔34〕利用数学模型描述了在厌氧/缺氧/好氧条
件下PAOs和GAOs的新陈代谢，预测出当FNA作为一个重要参数影响PAOs和GAOs竞争时EBPR系统中微生物的群落动态。

根据目前的污水处理工艺水平，降低FNA影响的可行办法有：（1）通过控制抑制剂的投加方式和/或减少回流量来降低亚硝酸盐的浓度；（2）采用颗粒状污泥或生物膜系统。

5 展望
亚硝酸盐的质子化产物游离亚硝酸（FNA）存在于EBPR系统中，一方面可以作为电子受体完成同步脱氮除磷，达到节约碳源、曝气量和能源的目的；另一方面作为抑制微生物生长和代谢的抑制剂，影响短程硝化和反硝化除磷的进行。

尽管针对亚硝酸盐抑制脱氮除磷过程的相关研究取得了很多成果，但目前对一些现象仍无法做出明确解释，导致一些问题没有解决。

（1）到目前为止，针对长期稳定运行的以短程硝化反硝化系统内的微生物来考察FNA的抑制作用的研究少之又少。

（2）由于高氨氮废水在实际生物处理过程中会产生较高的NO-N浓度，从而导致较高浓度的FNA，所以有必要针对高氨氮废水进行FNA的抑制作用研究。

（3）目前，有关亚硝酸盐对好氧吸磷和缺氧吸磷的抑制作用还不十分清楚，比如FNA的抑制作用如何发生且哪一步微生物代谢过程受到影响的机理尚不明确。

（4）大多数的有关FNA的抑制作用是基于实验室规模培养的微生物种群来考察的，但这些微生物种群并不广泛存在于实际的污水处理系统中，因此基于实际污水处理系统中的微生物种群考察FNA的抑制作用很有必要。

参考文献
［1］张自杰.排水工程（下册）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002：306-320.
［2］Kuenen J G，Robertson L bined nitrification-denitrification
process［J］.FEMS Microbiology Review，1994，15（2）：109-117.
［3］Munch E V，Lant P，Keller J.Simultaneous nitrification and denitrificationinbench-scalesequencingbatchreactors［J］.WaterResearch，1996，30（2）：277-284.
［4］van de Graaf L A A，Mulder A，de Bruijn P，et al.Anaerobic oxidation of ammonium is a biologically mediated process［J］.Applied and Environmental Microbiology，1995，64（4）：1246-1251.
［5］Kuba T，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor ［J］.Water Science and Technology，1993，27（5/6）：241-252.
［6］Anthonisen A C，Loehr R C，Prakasam T B S，et al.Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid［J］.Journal of the Water Pollution Control Federation，1976，48（5）：835-852.
［7］Jenicek P，Svehla P，Zabranska J，et al.Factors affecting nitrogen removal by nitritation/denitritation［J］.Water Science and Technology，2004，49（5/6）：73-79.
［8］Fux C，Velten S，Carozzi V，et al.Efficient and stable nitritation and denitritation of ammonium-rich sludge dewatering liquids using an SBR with continuous loading［J］.Water Research，2006，40（14）：2765-2775.
［9］Vadivelu V M，Yuan Z G，Fux C，et al.The inhibitory effects of free nitrous acid on the energy generation and growth processes of an enriched Nitrobacter culture［J］.Environ.Sci.Technol.，2006，40（14）：4442-4448.
［10］Blackburne R，Vadivelu V M，Yuan Z G，et al.Kinetic characterisation of an enriched Nitrospira culture with comparison to Nitrobacter［J］.Water Research，2007，41（14）：3033-3042.
［11］Almeida J S，Julio S M，Reis M A M，et al.Nitrite inhibition of denitrification by pseudomonas fluorescens［J］.Biotechnology and Bioengineering，1995，46（3）：194-201.
［12］Zhou Yan，Pijuan M，Zeng R J，et al.Free nitrous acid inhibition on nitrous oxide reduction by a denitrifying-enhanced biological phosphorus removal sludge［J］.Environ.Sci.Technol.，2008，42（22）：8260-8265. ［13］Zhou Yan，Oehmen A，Lim M，et al.The role of nitrite and free nitrous acid（FNA）in wastewater treatment plants［J］.WaterResearch，2011，45（15）：4672-4682.
［14］Hellinga C，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Model based design of a novel process for nitrogen removal from concentrated flows
［J］.Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems，1999，5（4）：351-371.
［15］Ma J，Yang Q，Wang S，et al.Effect of free nitrous acid as inhibitors on nitrate reduction by a biological nutrient removal sludge ［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，175（1/2/3）：518-523. ［16］Strous M，Kuenen J G，Jetten M S M.Key physiology of anaerobic ammonium oxidation［J］.Applied and Environmental Microbiology，1999，65（7）：3248-3250.
［17］Pijuan M，Ye L，Yuan Z.Free nitrous acid inhibition on the aerobic metabolism of poly-phosphate accumulating organisms［J］.Water
Research，2010，44（20）：6063-6072.
［18］Ahn J，Daidou T，Tsuneda S，et al.Metabolic behaviour of denitrifying phosphate-accumulating organisms under nitrate and nitrite electron acceptor conditions［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2001，92（5）：442-446.
［19］Yoshida Y，Takahashi K，Saito T，et al.The effect of nitrite on aerobic phosphate uptake and denitrifying activity of phosphate-accumulating organisms［J］.Water Science and Technology，2006，53（6）：21-27.
［20］Zhou Y，Pijuan M，Yuan Z.Free nitrous acid inhibition on anoxic phosphorus uptake and dentrification by poly-phosphate accumulate organisms［J］.Biotechnology and Bioengineering，2007，98（4）：903-912.
［21］Yarbrough J M，Rake J B，Eagon R G.Bacterial inhibition effects of nitrite：Inhibition of active transport，but not of group translocation，and of intracellular enzymes［J］.Applied and Environmental Microbiology，1980，39（4）：831-834.
［22］Aiba S，Shoda M，Nagatani M.Kinetics of product inhibition in alcohol fermentation［J］.Biotechnology and Bioengineering，1968，10（6）：845-864.
［23］Sijbesma W F H，Almeida J S，Reis M A M，et al.Uncoupling effect of nitrite during denitrification by Pseudomonas fluorescens：An in
vivo31P-NMR study［J］.Biotechnology and Bioengineering，1996，52（1）：176-182.
［24］Casey T G，Wentzel M C，Ekama G A.Review of biochemistry of heterotrophic respiratory metabolism［J］.Water SA，1999，25（4）：
409-424.
［25］O’Leary V，Solberg M.Effect of sodium nitrite inhibition on intracellular thiol groups and on the activity of certain glycolytic enzymes
in Clostridium perfringens［J］.Applied and Environmental Microbiology，1976，31（2）：208-212.
［26］Anthonisen A C，Loehr R C，Prakasam T B S，et al.Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid［J］.Journal of the Water Pollution Control Federation，1976，48（5）：835-852.
［27］马娟，王丽，彭永臻，等.FNA的抑制作用及反硝化过程的交叉影响［J］.
环境科学，2010，31（4）：1030-1035.
［28］Baumann B，van der Meer J R，Snozzi M，et al.Inhibition of denitrification activity but not of mRNA induction in Paracoccus denitrificans by nitrite at a suboptimal pH［J］.Antonie van Leeuwenhoek，1997，72（3）：183-189.
［29］Han Xiaoli，Hai Reti，Wang Wenxing.Effect of COD/N ratio and pH on nitrification in a laboratory-scale constructed wetlands treating septic tank wastewater［J］.Environmental Engineering and Management Journal，2010，9（5）：615-621.
［30］Oehmen A，Vives M T，Lu H，et al.The effect of pH on the competition between polyphosphate-accumulating organisms and glycogen-accumulating organisms［J］.Water Research，2005，39（15）：3727-3737.
［31］Zhou Y，Pijuan M，Yuan Z.Development of a 2-sludge，3-stage system for nitrogen and phosphorous removal from nutrient-rich wastewater using granular sludge and biofilms［J］.Water Research，2008，42（12）：3207-3217.
［32］Xu H，Liu Y.Control and cleaning of membrane biofouling by energy uncoupling and cellular communication［J］.Environ.Sci.Technol.，2011，45（2）：595-601.
［33］Park S，Bae W，Rittmann B E.Operational boundaries for nitrite accumulation in nitrification based on minimum/maximum substrate concentrations that include effects of oxygen limitation，pH，and free ammonia and free nitrous acid inhibition［J］.Environ.Sci.Technol.，2010，44（1）：335-342.
［34］Oehmen A，Lopez-Vazquez C M，Carvalho G，et al.Modelling the population dynamics and metabolic diversity of organisms relevant in anaerobic/anoxic/aerobic enhanced biological phosphorus removal processes［J］.Water Research，2010，44（15）：4473-4486.。