摘要：利用NH4+,NO2——，NO3——和pH等4種離子選擇性微電極，研究了不同基質(zhì)濃度條件下厭氧氨氧化系統中顆粒污泥內部氮素遷移轉化的空間分布特征。結果表明：當基質(zhì)濃度充足時(shí)，從顆粒污泥表面到內部的氨氮和亞硝酸鹽氮濃度以一定比例同時(shí)降低，發(fā)生了以厭氧氨氧化反應為主的特征反應；當氨氮濃度受限時(shí)，污泥顆粒外層區域（0——1200μm）發(fā)生厭氧氨氧化脫氮途徑，內層區域（1200——2500μm）發(fā)生以亞硝酸鹽氮降低為特征的反硝化途徑；當只存在NOx——時(shí)，顆粒污泥內部發(fā)生反硝化的特征反應。因此，厭氧生物轉盤(pán)氨氧化系統中至少存在厭氧氨氧化和自養反硝化兩種生物脫氮途徑。厭氧氨氧化是指利用自養型厭氧氨氧化菌，以NO2——為電子受體，將NH4+氧化生成N2的生物過(guò)程。作為一種新型自養型生物脫氮技術(shù)，其運行費用比傳統脫氮工藝節省近40%,因而具有廣泛的應用前景。

其反應計量關(guān)系式如下：NH4++1.31NO2——+0.0425CO2=1.045N2+0.22NO3——+1.87H2O+0.09OH——+0.0425CH2O.（1）然而，在實(shí)際廢水處理系統中，受水質(zhì)和運行條件的影響，往往形成多菌種共生的系統，也可能存在多種脫氮途徑。杜兵等研究了進(jìn)水基質(zhì)比例的變化對推流式厭氧氨氧化反應器性能影響，發(fā)現進(jìn)水基質(zhì)的變化可能會(huì )導致厭氧氨氧化反應復雜化，使得多種反應途徑同時(shí)并存。周少奇等研究了UASB反應器中厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同作用，并從理論上計算了其計量關(guān)系。賴(lài)楊嵐等在成功富集厭氧氨氧化菌的自養脫硫反硝化反應器中，研究了厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同作用，并探討了最適合的協(xié)同作用條件。以上研究多以低碳環(huán)境下厭氧氨氧化系統為研究對象，從計量學(xué)入手，分析厭氧氨氧化系統中可能的脫氮途徑，缺乏微觀(guān)理論依據。

微電極是一種尖端僅為幾十微米甚至幾微米的微型傳感器，能在不破壞污泥結構的前提下測定污泥基團內部物質(zhì)濃度的空間分布特征。近年來(lái)，已被越來(lái)越多地應用到水處理領(lǐng)域，成為廢水生物處理微觀(guān)機理研究的有效工具。

本研究結合微電極技術(shù)，從宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)層面對無(wú)機配水生物轉盤(pán)厭氧氨氧化系統中氮素物質(zhì)轉化去除特征、污泥基團內部氮素空間分布規律進(jìn)行研究，旨在探討無(wú)機配水厭氧氨氧化系統中脫氮的機理和途徑。

1材料與方法

1.1裝置及運行條件

試驗在穩定運行的厭氧生物轉盤(pán)氨氧化系統中進(jìn)行，反應器材質(zhì)為有機玻璃，盤(pán)面總面積為0.319m2,浸沒(méi)面積占87.5%.反應器有效容積6.2L,轉盤(pán)轉速控制在1.3——1.5r·min——1,HRT維持在1d,溫度控制在40——41℃。

1.2試驗用水本試驗用水為人工配制的無(wú)機廢水，主要成分為NH4Cl,NaNO2和NaHCO3,氨氮和亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度都控制在200——250mg·L——1.

1.3分析項目與方法

1.3.1常規分析方法

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度采用分光光度法進(jìn)行測定；pH值采用pHS——3C精密酸度計進(jìn)行測定。

1.3.2污泥基團內部氮素轉化的微生態(tài)特性測試

前期研究發(fā)現：生物轉盤(pán)系統中，同時(shí)存在生物膜和顆粒污泥兩種污泥形態(tài)結構，二者均具有較高的活性。為了方便取樣，本試驗取系統中顆粒污泥進(jìn)行微生態(tài)試驗。

1）測試方案。從厭氧生物轉盤(pán)系統中取少量的顆粒污泥，分別置于裝有不同基質(zhì)的錐形瓶中預培養3h,各基質(zhì)均由NH4Cl,NaNO2及少量微量元素配制而成，并加入NaHCO3將pH值調至8.0左右。不同基質(zhì)濃度方案如表1所示。

2）測試系統。試驗采用自制NH4+,NO3——，NO2——和pH等4種離子選擇性微電極，對污泥基團內部中氮素遷移轉化特征進(jìn)行研究，制作方法參照國外相關(guān)制作方法。制作的微電極尖端直徑在25μm以?xún)?，響應時(shí)間≤2s,穩定性較好，符合實(shí)際檢測應用所需標準。微電極測試線(xiàn)路如圖1所示。表1微電極測試各基質(zhì)濃度圖1微電極測試系統圖從反應器進(jìn)水端取出顆粒污泥置于測量室中，先用昆蟲(chóng)針沿豎直方向插入顆粒污泥兩端，使其固定在致密的網(wǎng)狀支撐物上，預培養3h后進(jìn)行測定。利用微調控器調節，使得電極尖端處于顆粒表層以上300μm處開(kāi)始測定，步長(cháng)設為100μm.由于顆粒內部物質(zhì)濃度呈對稱(chēng)性分布特征，微電極測定時(shí)只檢測了顆粒污泥一半區域氮素的空間分布特征，以得到具有代表性的濃度分布變化。