亚硝酸根对厌氧氨氧化过程的抑制作用

亚硝酸根对厌氧氨氧化过程的抑制作用

摘要：在过去十年中有关亚硝酸盐对厌氧氨氧化细菌活性的抑制作用的报道层出不穷。尽管不良效果是明显的，相关矛盾报道的分歧在于发生反应的条件和发生的反应是否可逆。对环境因素影响进行评价的同时，关于亚硝酸盐的抑制作用也做了深入研究。厌氧氨氧化活性是厌氧氨氧化颗粒在连续标准化测压批量测试监测得到的，由滞后次数，测试中最大转换率和底物/产物转化比三个要素估算得出的。这种颗粒是在一级厌氧氨氧化反应器中获得的，占优势的厌氧氨氧化生物体属于Brocadia类型。观测到亚硝酸盐抑制50%活性时浓度为0.4g N /L.在亚硝酸盐全部去除时厌氧氨氧化活性可以恢复。使新鲜的介质保持6g N /L的浓度达到24小时，就会损失60%的活性。在亚硝酸根（0.2g N /L）暴露中使得活性大量降低由于铵根的存在。亚硝酸根产生的过程中氧的存在也会导致最大活性降低32%。由于暴露后恢复的现象表示：亚硝酸盐的不利影响是可逆的，某种程度上只是抑制作用而不是有毒的性质。在三个不同的PH值暴露之间的异同表明，亚硝酸盐是实际的抑制化合物，而不是亚硝酸。

1、介绍

厌氧氨氧化（anammox）工艺是处理富铵废水中较为经济的脱氮工艺。在世界范围内迅速地得到推广。负责微生物生长的铵根以硝酸盐作为电子受体反应后有氮气产生。厌氧自养微生物节约了曝气时消耗的能源，也不需要有机碳的注入并且只产生少量污泥。在进行厌氧氨氧化过程中的细菌类属“Brocadiales”中的浮霉状菌目，其中污水

处理最相关的两个菌种为Brocadia和Kuenenia。

在厌氧氨氧化过程中最关键的环节之一就是亚硝酸盐的稳定，因为它是整个过程中的电子受体并且由厌氧氨氧化菌完成转换，而且还是一个潜在的抑制化合物。亚硝酸盐的浓度低到5—40 mgN/L时抑制作用最强、Strouset首次提出亚硝酸盐的不利影响，他发现在100mgN/L时亚硝酸盐的抑制作用是完全可逆的。其他作者提出了抑制厌氧氨氧化过程中亚硝酸盐的浓度都类似于100mgN/L，但是并没有明确指出抑制作用是可逆还是不可逆的。一些文献提出了最高的没有抑制厌氧氨氧化活性时亚硝酸盐的浓度值（毒性阈值超过300mgN/L）。

关于亚硝酸盐的研究观察，其观察范围宽泛，基于厌氧氨氧化技术原理使得它很难预测，模拟或设计。因此，进行着亚硝酸盐对厌氧氨氧化细菌抑制作用的深入研究。特别强调了暴露于亚硝酸盐之后，厌氧氨氧化菌的复苏现象。我们区分抑制作用和毒性作用这两个概念时，抑制作用定义是一个现象，它是可逆的，并且取决于其接触抑制化合物的时间和浓度，毒性作用被定义为失去活性的不可逆过程，取决于其接触毒物的时间和浓度。

Dapena-More首先提出使用标准化测压批量测试，这种方法逐渐被修改，使其提高准确性和稳定性，并且把它作为重现我们研究的方法。最高转换率的标准评价由评估滞后次数和底物/产物转换率共同决定。

2、材料和方法

2.1.测压试验设备

实验在配备着测压传感器的密闭瓶中进行，该测压传感器包括360数据点数据存储系统。该系统以前就用于评价厌氧氨氧化的活性。测压装置由340毫升小瓶组成，这些小瓶提供了压力传感器测量头（灵敏度级别在1百帕）。每一个小瓶有两个侧孔由可刺穿的橡胶隔膜封闭着，这两个侧孔分别用于底物注射和抽样。

2.2.生物质能的起源

生物质能的最先使用源于Dokhaven-Sluisjesdijk污水处理厂中全规模厌氧氨氧化反应器。这个反应器包含了厌氧氨氧化颗粒污泥和在SHARON反应器中部分亚硝化反应处理后的水。颗粒尺寸分布主要借助于图像分析的方法，得出94%的颗粒直径都在1.1±0.2mm范围内。实验期间，厌氧氨氧化反应器在 7.1 kg N /

m³.d的设计容积负荷下运行。2010年期间反应器的平均运行条件为:温度在34±2.5℃，PH值在7.2±0.4，污水中氮的含量分别为氨氮50±20 mg/L,亚硝氮为15±15 mg/L，硝态氮为95±20 mg/L。由荧光原位杂交技术（FISH）测定出生物质由“Brocadia”浓缩形成，污泥与AMX820探针杂交，而不是与KST157探针杂交。

2.3.测压试验的一般程序

颗粒污泥样本在无充气条件下运送至实验室（运送时间为30分钟），直接用于实验测试。生物质存在于被冲刷并重新悬浮的洗涤介质中：该介质包含微量元素用来避免养分的限制，并且该微量元素存在于25毫摩HEPES的缓冲液中。介质的PH值应用0.1摩尔/升的氢氧化钠或者硫酸调节到7.5。在此之后，液体上部空间（200 mL）应喷入

氮气以便维持缺氧条件。瓶子被放置在恒温摇床上，在170rpm和30℃条件下，使顶压温度保持稳定（可升高温度使其产生变化）。当超压时自动泄压（通过插入一根针连接到一个装满水的容器作为水锁）并且注入底物基板。注入的溶液是由亚硝酸钠，硫酸铵和碳酸氢铵溶于超纯水中形成，并且该溶液要高温高压灭菌。在没有附加说明时，初始的铵根和亚硝酸根浓度应该为50mgN/L。为了避免无机碳限制反应进程同时考虑到在反应达到平衡时部分无机碳会挥发到顶空，最初的碳酸盐浓度应为32.7 mg/L。顶空氮气的生产和积累造成的压力增加，使得在整个测试过程中测量和后续处理记录自动进行。一旦压力达到一个恒定值（假定所有亚硝酸盐都要转换），液体样品进行化学分析（PH值。氨氮，亚硝酸盐和硝酸）。

2.4.初步测试

在测量最大厌氧氨氧化活性（MSAA）的初步分析时，为了保证该方法的准确性和可靠性，数据都要根据par.2.3一式两份。不同批次的生物量在整个实验期内进行相同测试运行，排除任何影响生物量组成的变化在全规模反应器中。

■氨和亚硝酸盐水平：铵盐的起始浓度为40,50,60,70和80 mg N/L，亚硝酸根的起始浓度待测。最初的生物量浓度为1.0 g VSS/L。

这个测试也可以用来评估氮的平衡。

■生物量水平：在铵盐为40 mg N/L，亚硝酸盐40 mg N/L的测试中应用不同的生物量标准（0.2,0.5,1.0,1.5,2.0,3.0,4.0 g VSS/L）；在铵盐为60 mg N/L，亚硝酸盐60 mg N/L的测试中也