厌氧氨氧化作为被广大学者关注的新型脱氮工艺之一，具有动力消耗低、不需要投加有机物、产泥量少、耗氧量低等优点。由于厌氧氨氧化菌生长率较低并且厌氧氨氧化以氨氮和亚硝态氮作为反应基质。而在实际废水中几乎不存在亚硝态氮，导致厌氧氨氧化几乎不可能作为一个单独工艺应用于实际工程中，如果向厌氧氨氧化工艺中投加亚硝态氮不仅会增加运行费用而且可能会造成水体二次污染，基于上述原因众多学者研究开发出了亚硝化工艺。亚硝化工艺作为厌氧氨氧化工艺的前置工艺，可以为后续的厌氧氨氧化工艺提供大量的反应基质，为推动厌氧氨氧化工艺应用到实际工程中起到重要作用。亚硝化是将硝化反应控制在前半段即只将NH4+- N 氧化到NO2--N 的反应，众多学者通过控制DO 质量浓度在1.0～2.0 mg/L、温度为35 ℃、pH 控制在8.3～8.5、FA 质量浓度达到6 mg/L 以及曝气量稳定在7.2 L/h 的条件下可以快速的累积亚硝态氮。研究表明，亚硝化是一个耗氧的过程，因此DO 是实现亚硝化的重要因素之一。亚硝化细菌以及后续的厌氧氨氧化菌都是自养菌而城市废水中含有有机物会促进硝化菌等异养菌的生长与亚硝化细菌、厌氧氨氧化菌竞争反应基质。因此，通过静态实验研究探讨在好氧条件下含有有机物的废水对亚硝化的影响，旨在为亚硝化- 厌氧氨氧化工艺应用到实际工程提供理论依据。
1 实验部分
1.1 实验用水
实验采用实际生活污水，分别以Na2CO3碳源，以NH4Cl 为氮源进水NH4+-N 质量浓度约为50mg/L，DO 质量浓度控制在1.0 mg/L，pH 稳定在7.5～8.0，每升配水加微量元素营养液0.3 mL，营养液配方为：10.0 mg/L EDTA(乙二胺四乙酸)、1.50mg/L FeCl3·6H2O、0.18 mg/L KI、0.15 mg/L H3BO3、0.15 mg/L CoCl2·6H2O、0.12 mg/L ZnSO4·7H2O、0.12mg/L MnCl2·4H2O、0.06 mg/L Na2MoO4·2H2O、0.03mg/L CuSO4·5H2O，运行方式为进水(瞬时)→曝气7 h→沉淀排水1 h→闲置1 h。
1.2 实验装置
实验采用结构为内外双层圆柱形SBR 反应器，反应器材料为有机玻璃，反应器外层是水浴加热系统，内层作为反应系统。反应器内径12 cm，外径14 cm，高为80 cm，总容积为9 L，有效容积为8 L，进水采用通过高位水箱的方式向反应器内部供水，通过微电脑计时。在反应器内部设置曝气头并通过外部的空气压缩机向反应器内部反应系统曝气，曝气量的大小由连接于二者之间的空气流量计进行控制，并以微电脑计时器实现曝气与停曝
1.3 分析方法
实验根据国家环保局水和废水监测分析方法规定的方法进行检测。NH4+-N 质量浓度采用纳氏试剂分光光度法，NO2--N质量浓度采用N -(1-萘基)-乙二胺光度法测定，DO 通过便携式溶解氧仪进行测定;COD 采用快速密闭催化消解法;NO3--N质量浓度采用紫外分光光度法。
2 结果与讨论
2.1 DO 对匹配厌氧氨氧化亚硝化反应的影响
亚硝化细菌和硝化细菌均为好氧菌，因此DO在亚硝化过程中是重要的影响因素之一。研究表明[14]，亚硝化细菌对DO 的亲和力高于硝化细菌。因此在低DO 条件下亚硝化细菌具有明显竞争优势，有学者通过研究发现DO 质量浓度小于1 mg/L 时亚硝化细菌的活性明显强于硝化细菌，可以控制低DO 淘洗硝化细菌实现亚硝化。
2.1.1 DO 对NH4+-N 去除效果的影响
DO 对NH4+-N 去除效果的影响随着DO 质量浓度的升高，出水NH4+-N质量浓度不断下降，NH4+-N去除率也随之增加。当DO质量浓度达到2.0 mg/L 时，NH4+-N平均去除率能够达到99%，出水NH4+-N质量浓度仅为0.33 mg/L。
2.1.2 DO 对NO2--N 累积效果的影响
当DO 质量浓度在0.5～1.0 mg/L 变化时，NO3--N 质量浓度较低NO2--N 累积效果较好。DO 质量浓度为1.0 mg/L 时，NO2--N 累积效果最好。此时出水NO2--N 平均质量浓度为9.819 mg/L，NO2--N 平均累积率为89.423%。随着DO 质量浓度继续升高，出水NO2--N 质量浓度的增加幅度不明显而NO3--N 累积量大幅度增加，造成出水NO2--N质量浓度不断下降。而当DO 质量浓度继续上升到2.0 mg/L 时， 几乎没有亚硝态氮的累积，硝态氮的累积量已经上升到9.239 mg/L，亚硝态氮的累积率仅为21.458%，与DO=1.0 mg/L 相比降低了67.965%。此时，亚硝态氮的累积量不能满足后续厌氧氨氧化的需求。DO 质量浓度为0.5 mg/L 时，NO2--N 的累积率却达到了87.19%与DO=1.0 mg/L 相比仅降低了2.233%，而出水NO2--N 的质量浓度却低于DO=1.0 mg/L，这是由于出水中几乎没有NO3--N 造成的。因此，此时的'亚硝态氮累积效果要低于DO 质量浓度为1.0 mg/L 时的累积效果实验结果表明，DO 质量浓度较低时随着DO质量浓度的升高能够淘洗掉硝化细菌进而促进亚硝化细菌的生长。研究显示，亚硝化细菌、硝化细菌对溶解氧的亲和力不同。而在DO 质量浓度较低时，两类好氧菌的活性都会被抑制，与亚硝化细菌相比硝化细菌的活性受到抑制作用更明显。此时亚硝化细菌会优先利用反应器中有限的溶解氧将NH4+-N氧化成NO2--N 但是由于有限的生存空间，亚硝化细菌活性未完全恢复造成部分NH4+-N 不能被转化成NO2--N。随着DO 质量浓度的不断升高，亚硝化细菌受到的抑制作用不断减弱，亚硝态氮累积效果不断增强这一点从不断上升NO2--N 累积率、NH4+-N去除率可以看出。而随着溶解氧不断增加，硝化细菌的活性也得到释放并持续增强，硝化细菌开始和亚硝化细菌竞争生存空间，不断地将生成的NO2--N 转换成NO3--N，这一点从上升的NO3--N 累积量和下降的NO2--N 累积率可以看出。当DO 质量浓度为1.0mg/L 时，亚硝化细菌的活性已基本恢复而硝化细菌的活性仍受到抑制作用，此时NH4+-N的去除率和NO2--N 累积率能稳定在90%以上，亚硝态氮累积效果较好能够稳定地实现亚硝化。这与张晓宁、RuizG等学者的研究结果较为一致。DO 质量浓度超过1.0 mg/L 时，NO2--N 累积率大幅度下降，表明DO 质量浓度超过界限值后会促进硝化细菌的活性与亚硝化细菌竞争反应基质。DO 质量浓度为1.0 mg/L 能够稳定的累积亚硝态氮较好地实现亚硝化，但实际工程中不仅会增加曝气费用而且水中剩余的DO 会影响后续厌氧氨氧化反应，因此研究限氧条件下实现亚硝化对工程实际化具有现实意义。实验结果表明， DO 质量浓度为0.5 mg/L 时，NO2--N 累积效果略低于DO=1.0 mg/L，但NH4+-N去除率和NO2--N 累积率仍能稳定在80%以上，而且出水NH4+-N/NO2--N为1:1.36 基本符合后续厌氧氨氧化进水的要求。其他学者也通过实验发现了DO 质量浓度较低时能够抑制硝化细菌的生长促进亚硝化细菌的活性，利于NO2--N 的累积。
2.2 有机碳源对匹配厌氧氨氧化亚硝化的影响
采用静态实验，进水参考城市污水NH4+-N质量浓度控制在50 mg/L 左右，温度稳定在26 ℃，DO质量浓度维持在0.5 mg/L。用葡萄糖调节COD 分别为50、100、150、200 mg/L。单周期为进水(瞬时)→曝气7 h→沉淀排水1 h→闲置1 h，每个COD 质量浓度值连续运行7 d 并检测进、出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N 质量浓度。
2.2.1 有机碳源条件下COD 去除效果
在反应初期COD 去除率较低，随着反应的进行COD 去除率逐渐增加，第6 天时COD 去除率达到43.66%。当COD 为100 mg/L 时，COD 平均去除率为51.12%比COD 为50 mg/L 时增加了26.89%。当COD 为150 mg/L 时，COD 平均去除率达到最高为59.05%，而第22 d 提高COD 到200 mg/L 时，COD 去除率开始下降，通过连续7 d的观测COD 平均去除率仅为35.21%。
2.2.2 有机碳源对NH4+- N 去除效果的影响
当COD 在100 mg/L 以下时，有机碳源几乎没有对NH4+-N去除效果的产生抑制作用，NH4+-N去除率基本稳定在90%以上，其他学者也通过实验研究发现低浓度的有机碳源不会抑制亚硝化细菌的生长[25-28]。随着COD 质量浓度增加到150 mg/L 时，NH4+- N 去除率开始下降，当COD 质量浓度达到200 mg/L 时NH4+-N去除率只能维持在70%左右。
2.2.3 有机碳源对NO2
--N 累积效果的影响
COD 质量浓度不同对NO2--N累积效果的抑制作用程度不同。当COD 质量浓度为50 mg/L 时几乎没有对NO2--N 累积效果产生抑制作用，随着COD 升高，对NO2--N 累积效果开始产生抑制作用。当COD 由100 mg/L 增加到150 mg/L时，NO2--N 累积率由75.1%下降到48.6%，当COD达到200 mg/L 时，NO2--N 累积率仅为34.5%。实验结果表明，初始时反应器内有机碳源较少，反硝化细菌等异养菌的生长受到抑制，此时亚硝化细菌等自养菌仍然是优势菌种。这一点从较高的NO2--N 累积率、NH4+-N去除率可以看出。随着COD不断地升高，反应器内的有机碳源越来越多，反硝化细菌等异养菌开始繁衍通过利用有机碳源以及死亡的微生物进行新陈代谢。但此时NH4+-N去除率、NO2--N 累积率仍能维持在一个较高的数值，说明此时亚硝化细菌仍是优势菌种。分析原因一方面可能是亚硝化细菌比硝化细菌对DO 更为敏感，在低DO环境下亚硝化细菌的竞争优势要强于硝化细菌。另一方面在有机碳源条件下硝化细菌的生长速率要高于亚硝化细菌，但是要取代亚硝化细菌成为优势菌种仍是一个漫长的过程[29]。但是当COD 超过150mg/L 时，硝化细菌的数量已经超过了亚硝化细菌。硝化细菌不仅会优先利用反应器中的DO，将生成的NO2--N 进一步氧化成NO3--N，造成NO2--N 出水浓度大幅度下降而且由于DO 的大量消耗导致亚硝化细菌无法进行新陈代谢，数量开始下降。由于与反硝化细菌等异养菌相比COD 过高其已经超过利用有机碳源进行新陈代谢所能承受的饱和浓度，因此反应器中有机碳源大量剩余使得COD 去除率较低。
3 结论
DO 质量浓度在不同范围内对亚硝化细菌、硝化细菌活性的影响不同。DO 质量浓度为1.0 mg/L时，亚硝化细菌的活性要优于硝化细菌，能够实现亚硝态氮稳定的累积较好地实现亚硝化。随着DO 质量浓度继续升高，硝化细菌活性不断增强对亚硝化细菌产生抑制作用。在DO 质量浓度为0.5 mg/L时，出水NH4+-N/NO2--N为1:1.36 能够满足后续厌氧氨氧化进水的要求，NO2--N累积效果较好。有机碳源是影响亚硝化的重要因素之一，在有机碳源浓度较低的条件下，COD 对亚硝化细菌的几乎没有抑制作用。当COD 超过150 mg/L 时，硝化细菌会优先利用有限的DO 以及反应器中的有机碳源进行生命活动，大量繁殖的反硝化细菌等异养菌会抑制亚硝化细菌的活性，降低NO2--N累积效果。
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