文/张艳 柏坚联创工程顾问有限公司 北京 100000

1、引言

由于世界范围内水体富营养化现象的不断发生，各国学者对污水脱氮除磷做了大量研究，并开发出了许多污水脱氮新工艺，如SHARON、OLAND、CANON、ANAMMOX等，这些新技术的关键是如何将硝化过程控制在亚硝化阶段.研究发现，游离氨(free ammonia， FA)对亚硝酸盐氧化菌nitrite oxidizing bacteria，NOB)和氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria，AOB)产生抑制作用的浓度为0.1-1.0 mg L和10-150 mg L，最新研究结果表明，当FA浓度达到6 mg L时就可完全抑制NOB的生长；游离亚硝酸(free nitrous acid， FNA)完全抑制NOB和AOB生长的浓度分别为0.02 mg L和0.4mg L。但目前还鲜见NOB对FNA的抑制具有适应性，因此研究FA和FNA联合抑制下的氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程的动力模型，就可以准确的在反应器启动初期利用废水中较高的FA浓度使NOB受到抑制，启动短程硝化。

2、建模方法

FA 抑制氨氧化过程的动力模型（1），FNA 抑制氨氧化过程的动力模型（2），FA 抑制亚硝酸盐氧化过程的动力模型（3），FNA抑制亚硝酸盐氧化过程的动力模型（4），这四种动力模型均来自酶抑制模型。抑制类型包括竞争性抑制、反竞争性抑制（或者说自我抑制）和非竞争性抑制。当抑制剂的浓度不取决于底物浓度时（例如例2和例3），采用直接线性图表法从实验数据中来确定抑制类型。当抑制剂浓度取决于底物浓度（例1和例4）以至于直接线性图表法是不适用的，那么就用实验数据来验证最可能的抑制类型。

2.1 FA抑制氨氧化过程

Andrews 总结了一个经典的氨氧化过程中的反竞争性抑制模型：

在这个式子中q和 分别是特定底物利用率和其最大值（mgS/mgVSS-day）。S是底物浓度，K s是半饱和速率浓度，K1是抑制常数。Andrews和其他的研究学者认为公式1中的S是总氮的浓度（TAN，NH 4+ -N+NH3 -N）,当pH恒定时，这理论是成立的。由于FA抑制了氨氧化过程并且FA的浓度取决于pH，那么公式1中的抑制公式 S/K1可以用SFA /K1代替，其中SFA是游离氨浓度：

有两种关于公式2中底物浓度S的想法。传统上，S是总氮浓度。然而，一些学者提出了最新的说法是S是游离氨的浓度:

2.2 FNA抑制氨氧化过程

从实验数据中确定未知的抑制模型及其动力参数，直接线性图表法是十分有效的。这个方法基于莫诺式底物利用动力模型:

在这个公式中， 和 分别是有效的 和有效的Ks，这反映出抑制的有效性。重新整合公式5和公式6：

公式5描述了斜率是q/S，截距是q的S-q的直线束关系图。不同的S-q值将产生不同的直线,但所有线将经过定点（）。尽管由于错误直线不相交于一点,但是这个方法就是众多方法中估计最可靠的，因为它阻止了由于中值的插入的异常值的影响。

2.3 FA抑制亚硝酸盐氧化过程

FA对亚硝酸盐氧化过程的抑制似乎是亚硝酸盐积累最重要的因素。有两种关于FA抑制作用的说法：反竞争性抑制和非竞争性抑制。

2.4 FNA对亚硝酸盐氧化过程的抑制

早期阐述亚硝酸盐氧化过程的抑制模型是非竞争性抑制模型，正如公式6所示，其中S 1是抑制剂浓度（mg N/L）:

Boon和Laudelout认为S是NO2-的浓度，S1是HNO2的浓度。近来，Gee等人认为S和S1都是NO2--N的浓度，然而其他学者认为S和S1都是HNO 2的浓度。因为实验证实了抑制剂是FNA（HNO2）而不是（NO2-），所以在研究中，NO2-不是S1。如果直接的底物是FNA，那么公式6中Ks取决于pH，Ks/f(pH)，其中f（pH）=47/14(1/[exp(-2300/(273+℃ ))＊10pH+1])。

结论：

FA和FNA联合抑制模型可以预测的是，通过联合底物和产物的复合抑制，NOB的将会显著减小。这也表明，在SBR系统中，能够实现高亚氮条件下氨氮的完全去除，这在连续流反应中是无法实现的。