一种检测污水脱氮过程中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的方法

摘要

本发明公开了一种检测污水脱氮过程中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的方法，1）从待测污水生物脱氮系统内接种生物膜或活性污泥至测试容器中，然后加入与待测污水生物脱氮系统同种废水至测试容器中，参照待测污水生物脱氮系统调控参数运行2h以上；2）向测试容器中加入

说明书

技术领域

本发明涉及污水脱氮技术，具体涉及一种检测污水脱氮过程中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的方法，属于污水处理技术与环境保护技术领域。

背景技术

生物脱氮过程涉及亚硝化、硝化、反硝化及厌氧氨氧化等多种生化反应，其中亚硝酸盐主要由亚硝化生成。氨氮首先在氨氧化菌(AOB)体内的氨单加氧酶(AMO)催化作用下转化为羟氨，羟氨经由羟氨氧化还原酶(HAO)催化后转化为亚硝酸盐。亚硝酸盐能够被亚硝酸盐氧化细菌(NOB)进一步氧化为硝酸盐或直接参与反硝化过程，也能在厌氧氨氧化菌作用下与氨氮发生厌氧氨氧化作用，最终转化为氮气后释放到大气中。因此，亚硝化过程高效稳定的运行直接关系到生物脱氮系统的脱氮效能，通过分析系统中亚硝化速率、亚硝酸盐氧化速率、反硝化速率与厌氧氨氧化速率等动力学特征，有助于优化脱氮工艺、降低单位能耗、缩短反应时间，有效提高处理系统脱氮效能。

亚硝酸盐生成速率亦称为亚硝化速率，生物脱氮系统涉及多种氮转化途径并囊括多种处理工艺，传统方法难以实现所有工艺中亚硝化速率的测定。亚硝酸盐生成速率测定的传统方法是测定单位时间内亚硝酸盐浓度增量，但在一些特殊工艺中，亚硝酸盐作为一种脱氮中间产物，在脱氮过程中生成的同时又被消耗，因此，通过传统的底物浓度测量难以确定实际的亚硝酸盐产量。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种检测污水脱氮过程中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的方法，本方法测量准确，解决了现有方法中间产物生成与降解速率测定的难题，实现了复杂体系中单一过程的检测。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种检测污水脱氮过程中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的方法，具体步骤如下：

1)从待测污水生物脱氮系统内接种生物膜或活性污泥至测试容器中，然后加入与待测污水生物脱氮系统同种废水至测试容器中，生物膜或活性污泥湿重与废水质量体积比为200-300g﹕700-800mL；然后参照待测污水生物脱氮系统调控参数运行2h以上；待测污水生物脱氮系统调控参数包括曝气或搅拌方式、DO浓度、温度及pH值等。其中废水氨氮浓度优选2-50μM。

2)向步骤1)测试容器中加入¹⁵N标记NaNO₂溶液，使得添加后¹⁵N标记NaNO₂溶液最终浓度为1-2uM的，¹⁵N标记NaNO₂溶液母液中¹⁵N原子丰度为20％-50％，搅拌混匀后运行测试容器并开始计时；本发明¹⁵N标记NaNO₂溶液加入量的确定是按照其终浓度来确定的，研究表明在1-2uM时效果最好，高于这个范围系统氮转化受影响，低于这个范围容易产生测量误差，此外，¹⁵N标记NaNO₂加入量太少容易导致同位素稀释过快产生二次测量误差。实际操作时，¹⁵N标记NaNO₂母液浓度为1-2mM，所以基本就是按1000倍进行稀释，即¹⁵N标记NaNO₂溶液按测试容器中每1L反应体系添加1mL计。

3)分两次取步骤2)测试容器中水样，两次取样时间都控制在加入NaNO₂溶液后12h以内，取样后立即检测样品中亚硝氮浓度，同时检测亚硝氮中¹⁵N同位素丰度；取样间隔不超过3h；

4)根据式(1)计算亚硝酸盐产生速率，即亚硝化速率，根据式(2)计算亚硝酸盐降解速率：

F₀＝[(C₁-C₂)*ln(A₁/A₂)]/[(t₂-t₁)*ln(C₁/C₂)]>

F₁＝F₀-(C₂-C₁)/(t₂-t₁)>

其中，F₀、F₁分别表示亚硝酸盐产生速率与降解速率，t₁、t₂分别代表前后两个取样时间点，C₁、C₂分别代表t₁、t₂时刻样品中亚硝酸盐浓度(uM)，A₁、A₂分别代表t₁、t₂时刻样品中亚硝酸盐¹⁵N同位素丰度。

如果第3)步取样后不能马上检测，则将样品加入ZnCl₂溶液中并置于-80℃保存备用，以终止反应，使样品中亚硝氮浓度和亚硝氮中¹⁵N同位素丰度保持在取样出来当时水平；ZnCl₂溶液质量浓度为50％，ZnCl₂溶液按每1mL水样加20-30uL计。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明仅添加少量¹⁵N标记亚硝酸盐，无需额外施加条件，确保亚硝酸盐生 成速率与降解速率在与待测试污水生物脱氮系统相同的状态下测定，因此检测准确可靠。借助同位素示踪技术，本发明突破了中间产物生成与降解速率测定的难题，实现了复杂体系中单一过程的检测，对污水处理工艺的改进有一定的指导意义。本发明适用于生物脱氮系统中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的测定，也可广泛应用于土壤、湖泊、河流、海洋等生态系统中亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的测定，应用前景非常广阔。

附图说明

图1-生物脱氮系统中亚硝酸盐生成与降解的示意图。

图2-单级自养脱氮工艺测试试验装置图。

图3-单级自养脱氮系统中亚硝酸盐浓度与¹⁵N同位素丰度。

图4-单级自养脱氮工艺中亚硝酸盐生成与降解速率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明生物脱氮系统中亚硝酸盐生成与降解可以参见图1所示的示意图。其中，F₀、F₁代表亚硝酸盐的合成与降解速率，t₁、t₂表示代表两个相邻采样时刻，C₁、C₂分别代表t₁、t₂时刻亚硝酸盐浓度，A₁、A₂分别代表t₁、t₂时刻亚硝酸盐¹⁵N同位素丰度。本发明以单级自养脱氮工艺作为实施例说明生物脱氮系统中亚硝酸盐生成与降解速率检测方法。测试具体步骤如下：

1)取有效体积为1L的三角瓶为测试装置，参照原系统污泥浓度接种300g(湿重)单级自养生物膜至三角瓶内，然后通入700mL人工模拟废水，废水含有7.14μM硫酸铵，参照原系统设定以下控制条件：连续式曝气，DO浓度为1.0-2.0(mg/L)，温度为28-32℃，pH值为7.8-8.2，接种生物膜后运行2h；

2)向三角瓶中加入1mL¹⁵N标记NaNO₂溶液(2μM，¹⁵N>

3)通过取样装置分别在开始计时后0、3、6、9、12h各取水样5mL，由于试验条件原因，不能取样后马上检测，故样品加入100uL 50％(质量百分比)的ZnCl₂后置-80℃保存备用，以终止反应，使样品中亚硝氮浓度和亚硝氮中¹⁵N同位素丰度保持在取样出来当时水平。采用GB/T>15N同位素丰度(检测结果见图3)；

4)根据如下两式可分别计算单级自养脱氮工艺中亚硝酸盐生成速率与亚硝酸盐降解速率：

F₀＝[(C₁-C₂)*ln(A₁/A₂)]/[(t₂-t₁)*ln(C₁/C₂)]

F₁＝F₀-(C₂-C₁)/(t₂-t₁)

其中，F₀、F₁分别表示亚硝酸盐生成速率与亚硝酸盐降解速率，均为两采样时刻间的平均速率；t₁、t₂分别代表前后两个取样时间点，C₁、C₂分别代表t₁、t₂时刻样品中亚硝酸盐浓度(uM)，A₁、A₂、分别代表t₁、t₂时刻样品中亚硝酸盐¹⁵N同位素丰度。

步骤3)检测结果如图3所示，亚硝酸盐中¹⁵N原子丰度由32％逐渐降至14％；而亚硝酸盐浓度在0-3h内降幅最大，3-6h内有小幅度升高，并在接下来的6h中由1.84μM逐渐降低至1.11μM。将每个时刻的亚硝酸盐浓度与¹⁵N原子丰度代入上述两方程式，可以分别计算各时间段内的平均亚硝酸盐产生速率(F₀)与亚硝酸盐平均降解速率(F₁)，得到图4所示结果，结果显示亚硝酸盐降解速率维持在0.15-0.17(μM/h)之间的相对稳定水平；亚硝酸盐产生速率在0-3h内较低，在3-6h达到最高水平后逐渐降低，该结论能够解释亚硝酸盐浓度在0-3h降幅较大并在3-6h小幅度升高的现象，并与亚硝酸盐浓度检测结果相吻合，说明本发明具有较高的可信度。

以上结果表明，本发明能够有效检测污水脱氮过程中亚硝酸盐生成速率与降解速率，检测结果与亚硝酸盐浓度变化特征有较高的吻合度，体现了本发明的准确性与可行性。本发明可用于揭示单级自养脱氮系统脱氮过程中亚硝酸盐浓度变化的内在机制，为污水处理工艺优化提供一种研究手段。

本发明测试采用的装置参见图2，曝气管通过三角瓶瓶塞进入瓶内，并在进入端头设有曝气头，曝气管位于瓶外段上设有转子流量计以控制曝气量；取样器的取样针通过瓶塞伸入瓶内以用于取样，瓶塞上还设有空气引出管；在瓶外设有测定温度和DO浓度的测定仪，对应的探头通过瓶塞进入瓶内。

本发明准确性的关键影响因素是取样间隔时间。由于本发明涉及的亚硝酸盐产生速率与亚硝酸盐降解速率均是单位时间段的平均值，因此，缩短取样间隔时间、扩大取样数量可显著提高检测结果的准确性。考虑到大样品量所附带的取样繁琐与高昂检测费用，因此合适的取样时间点与取样时间间隔更是本发明在应用 过程中的重点考察对象。对于脱氮活性较高的系统(氨氮降解速率高于1uM/h)，单位时间段内亚硝酸盐产量与降解量均处于较高水平，此时应缩短取样间隔至1h以下；当系统脱氮活性较低时(氨氮降解速率低于1uM/h)，取样间隔应控制在1-3h以内。

本发明结合底物浓度检测与同位素检测手段，提出了一种检测生物脱氮系统亚硝酸盐生成速率与降解速率的方法，能够实现生物脱氮系统亚硝化速率与亚硝酸盐降解速率的测定，可用于全程同步硝化反硝化工艺、单级自养脱氮工艺等新型生物脱氮系统。本发明旨在为污水处理工艺的优化提供指导。此外，本发明还适用于土壤、河流、湖泊及海洋等生态系统中的亚硝化速率测定，也可用于环境污染的治理与修复。

上述计算亚硝酸盐生成速率与亚硝酸盐降解速率公式推导过程如下：由于生物脱氮系统中亚硝酸盐的生成与降解可用图1表示：其中，F₀、F₁代表亚硝酸盐的合成与降解速率，t₁、t₂表示代表两个相邻时刻，C₁、C₂分别代表t₁、t₂时刻亚硝酸盐浓度，A₁、A₂分别代表t₁、t₂时刻亚硝酸盐¹⁵N同位素丰度。在此基础上，同时设定

q：亚硝酸盐¹⁵N原子数量；

Q：亚硝酸盐总N原子数量(包括¹⁵N与¹⁴N)。

由此，亚硝酸盐中¹⁵N同位素丰度(A)可以表述为以下方程式：

A＝q/Q

因此，对于任意时刻的亚硝酸盐¹⁵N原子数量可以转换为以下方程：

q(t)＝Q_(t)*A_(t)>

其中，q_(t)表示t时刻¹⁵N原子数量，Q(t)表示t时刻N原子数量，A_(t)表示t时刻¹⁵N同位素丰度。由于¹⁵N-NO₂^-是系统运行前人为添加，亚硝酸盐产生过程中无¹⁵N原子诞生，因此亚硝酸盐¹⁵N原子数量(q_t)与其合成不相关，而只与亚硝酸盐降解具有相关性，由此，¹⁵N原子数量随时间变化情况又可以表述为以下方程式：

dq/dt＝-F₁*A_(t)>

此外，亚硝酸盐总N原子数量随时间变化情况可表述为方程式(3)：

dQ/dt＝F₀-F₁>

方程式变换：

方程(1)两边求导，可转换为方程(4)：

dq/dt＝(dQ/dt)*A_(t)+Q_(t)*(dA/dt)>

联合方程式(2)、(3)、(4)，可以整合为方程式(5)：

-F₁*A_(t)＝(F₀-F₁)*A_(t)+Q_(t)*(dA/dt)>

再次整合方程式(5)，得到方程式(6)：

(1/A_(t))d_t＝-F₀*(1/Q_(t))d_t>

对方程式(6)积分，可生成以下方程式：

$\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}(1/A_{\left(t\right)})d_t=\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}-{F_0}^{*}(1/Q_{\left(t\right)})d_t---\left(7\right)$

由方程(3)变形，可以得到dt关于dQ的表达式：

$dt=\frac{1}{F_0-F_1}dQ---\left(8\right)$

将方程式(8)代入方程式(7)中，原方程式整理得到方程式(9)：

再次根据方程式(3)积分，可得到方程式(10)：

$\frac{\Delta Q}{\Delta t}=F_0-F_1---\left(10\right)$

整合方程式(9)与方程式(10)，可生成亚硝酸盐生成速率关于亚硝酸盐含量、¹⁵N原子丰度与反应时间相关的数学表达式：

F₀＝[(Q₁-Q₂)*ln(A₁/A₂)]/[(t₂-t₁)*ln(Q₁/Q₂)]>

同时对公式(3)积分，得到方程式(12)

Q₂-Q₁＝(F₀-F₁)*(t₂-t₁)>

整理方程式(12)，得到亚硝酸盐降解速率关于产生速率、亚硝酸盐含量与 反应时间的数学表达式：

F₁＝F₀-(Q₂-Q₁)/(t₂-t₁)>

当反应体系的体积保持稳定时，亚硝酸盐中氮原子总量(Q)可用亚硝酸盐浓度(C)代替，则方程式(11)与方程式(13)可分别转化为方程式(14)与方程式(15)：

F₀＝[(C₁-C₂)*ln(A₁/A₂)]/[(t₂-t₁)*ln(C₁/C₂)]>

F₁＝F₀-(C₂-C₁)/(t₂-t₁)>

方程式(14)与方程式(15)分别代表生物脱氮系统中亚硝酸盐产生与降解速率，F₀与F₁均为t₁时刻到t₂时刻内的平均速率，因此，其准确性均取决于系统运行的稳定性与t₁到t₂的时间长短。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。