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
【专利摘要】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15N标记NaNO2溶液，NaNO2溶液最终浓度为1?2 uM，搅拌混匀运行测试容器；3）分两次取测试容器中水样，取样后检测样品中亚硝氮浓度和亚硝氮中15N同位素丰度；4）将检测结果带入计算公式即可计算出亚硝酸盐产生速率和亚硝酸盐降解速率。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。
【专利说明】
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
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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(Α0Β)体内的氨单加氧酶(ΑΜ0)催化作用下转 化为羟氨，羟氨经由羟氨氧化还原酶(ΗΑ0)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(Ν0Β)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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] -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：
[0007] 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、D0浓度、温度及pH值等。其中废水氨氮浓度优 选2-50μΜ。
[0008] 2)向步骤1)测试容器中加入15Ν标记NaN02溶液，使得添加后15Ν标记NaN0 2溶液最终 浓度为l_2uM的，15N标记NaN02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NaN02溶液加入量的确定是按照其终浓度来确定的，研究表明 在l-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NaN02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NaN02母液浓度为l-2mM，所以基本就是按1000倍进行稀释，即15N标记NaN0 2溶液按测 试容器中每1L反应体系添加 lmL计。
[0009] 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NaN02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;
[0010] 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：
[0011 ] Fo= [ (Ci-C2)*ln(Ai/A2) ]/[ (t2-ti)*ln(Ci/C2) ] (1)
[0012] Fi = F〇-(C2-Ci)/(t2-ti) (2)
[0013]其中，Fo、F^别表示亚硝酸盐产生速率与降解速率，以山分别代表前后两个取样 时间点，&、&分别代表、t2时刻样品中亚硝酸盐浓度(uM)，A!上分别代表、t2时刻样品中 亚硝酸盐 15N同位素丰度。
[0014] 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°c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lmL水样加20-30uL计。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0016] 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】
[0017] 图1-生物脱氮系统中亚硝酸盐生成与降解的示意图。
[0018]图2-单级自养脱氮工艺测试试验装置图。
[0019] 图3-单级自养脱氮系统中亚硝酸盐浓度与15峒位素丰度。
[0020] 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】
[0021] 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。
[0022] 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， Fo、Fi代表亚硝酸盐的合成与降解速率，ti、t2表不代表两个相邻米样时刻，Ci、C2分别代表 时刻亚硝酸盐浓度，分别代表"山时刻亚硝酸盐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：
[0023] 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7.14μΜ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(11^/1)，温度为28-32°(：，？!1值为 7.8-8.2，接种生物膜后运行2h;
[0024] 2)向三角瓶中加入1!1^15_示记恥如2溶液（2以1， 14&如111%=35%)，搅拌混匀运行 测试装置并开始计时；
[0025] 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l〇〇uL 50% (质量百分比）的ZnCl2后置-80°C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 7493-1987检测各样品中亚硝氮浓度，同时使用色谱-质谱联用仪(MAT253)检测 亚硝氮中15N同位素丰度(检测结果见图3);
[0026] 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：
[0027] Fo= [ (Ci-C2)*ln(Ai/A2) ]/[ (t2-ti)*ln(Ci/C2)]
[0028] Fi = F〇-(C2-Ci)/(t2-ti)
[0029] 其中，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;tl、t2分别代表前后两个取样时间点，Cl、C2分别代表tl、t2时刻样品中亚硝酸盐 浓度(uM)，Αι、A2、分别代表ti、t2时刻样品中亚硝酸盐 15N同位素丰度。
[0030] 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 酸盐浓度在〇_3h内降幅最大，3-6h内有小幅度升高，并在接下来的6h中由1.84μΜ逐渐降低 至Ι.ΙΙμΜ。将每个时刻的亚硝酸盐浓度与 15Ν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(F〇)与亚硝酸盐平均降解速率(FJ，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(μΜΛ)之间的相对稳定水平；亚硝酸盐产生 速率在〇-3h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。
[0031] 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。
[0032]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D0浓度的测定 仪，对应的探头通过瓶塞进入瓶内。
[0033]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luM/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lh以下；当系统脱氮活性较低时(氨氮降解速率低于luM/ h)，取样间隔应控制在1 _3h以内。
[0034]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。
[0035] 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，FlFHf表亚硝酸盐的合成与降解速 率，tl、t2表不代表两个相邻时刻，Cl、C2分别代表tl、t2时刻亚硝酸盐浓度，Al、A2分别代表tl、 t2时刻亚硝酸盐15N同位素丰度。在此基础上，同时设定 [0036] q:亚硝酸盐15N原子数量；
[0037] Q:亚硝酸盐总N原子数量(包括15N与14N)。
[0038]由此，亚硝酸盐中15N同位素丰度(A)可以表述为以下方程式：
[0039] A = q/Q
[0040] 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：
[0041] q(t) =Q(t)*A(t) (1)
[0042] 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^Ν-ΝΟ^Γ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(qt)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：
[0043] dq/dt = _Fi*A(t) (2)
[0044] 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):
[0045] dQ/dt=F〇-Fi (3)
[0046] 方程式变换：
[0047]方程(1)两边求导，可转换为方程(4):
[0048] dq/dt = (dQ/dt)*A(t)+Q(t)*(dA/dt) (4)
[0049] 联合方程式(2)、（3)、（4)，可以整合为方程式(5):
[0050] -Fi*A(t) = (Fo_Fi)*A(t)+Q(t)*(dA/dt) (5)
[0051] 再次整合方程式(5)，得到方程式(6):
[0052] (l/A(t))dt = -Fo*(l/Q(t))dt (6)
[0053] 对方程式(6)积分，可生成以下方程式：
[0055]由方程(3)变形，可以得到dt关于dQ的表达式：
[0057]将方程式(8)代入方程式(7)中，原方程式整理得到方程式(9):
[0059]再次根据方程式(3)积分，可得到方程式(10):
[00611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：
[0062] Fo=[(Qi-Q2)*ln(Ai/A2)]/[(t2_ti)*ln(Qi/Q2)] (11)
[0063 ]同时对公式(3)积分，得到方程式(12)
[0064] Q2-Qi=(F〇-Fi)*(t2-ti) (12)
[0065] 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：
[0066] Fi = F〇-(Q2-Qi)/(t2-ti) (13)
[0067] 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):
[0068] Fo= [ (Ci-C2)*ln(Ai/A2) ]/[ (t2-ti)*ln(Ci/C2) ] (14)
[0069] Fi = F〇-(C2-Ci)/(t2-ti) (15)
[0070] 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，Fo 与^均为t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七到 ?2的时间长短。
[0071] 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。
【主权项】
1. 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，其特征在于：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； 2) 向步骤1)测试容器中加入15N标记NaN02溶液，使得添加后15N标记NaN0 2溶液最终浓度 为l-2uM的，15N标记NaN02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； 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NaN02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； 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： Fo= [ (Ci-C2)*ln(Ai/A2) ]/[t2-ti)*ln(Ci/C2) ] (1) Fi = F〇-(C2-Ci)/(t2-ti) (2) 其中，分别表示亚硝酸盐产生速率与降解速率，分别代表前后两个取样时间 点，&、&分别代表、t2时刻样品中亚硝酸盐浓度(uM)，A!上分别代表、城寸刻样品中亚硝 酸盐15N同位素丰度。2. 根据权利要求1所述的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，其特征在于:步骤3)取样间隔不超过3h。3. 根据权利要求1所述的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，其特征在于:步骤1)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。4. 根据权利要求1所述的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，其特征在于:步骤1)添加的废水氨氮浓度为2-50μΜ。5. 根据权利要求1所述的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，其特征在于:如果第3)步取样后不能马上检测，则将样品加入ZnCl 2溶液中并置于-80°C 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;ZnCl 2溶液质量浓度为50 %，ZnCl2溶液按每lmL水样加20-30uL计。
【文档编号】C02F101/16GK105936551SQ201610559023
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】方芳, 李凯, 王晗, 王超, 郭劲松, 陈猷鹏, 蒋甫阳, 方培翔
【申请人】重庆大学