游离氨对硝化反应的抑制作用

一、对硝化过程的影响

1.影响游离氨浓度的因素

我们知道，氨氮的传统硝化过程是由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌联合完成的。整个过程可以分解为氨氧化步骤和亚硝酸盐氧化步骤。

 

游离氨（指分子态的NH₃)的存在对这两个过程都有影响，但影响程度又有所区别。今天我们来探讨一下，游离氨对不同硝化阶段微生物的影响。

FA浓度是由初始氨氮浓度、温度T、pH共同控制的。

 

在碱性条件下，一定浓度铵（NH₄⁺）必然导致游离氨（FA）的存在。它们之间的关系取决于下面这个电离平衡式：

 

在进水氨氮浓度相同时，pH和温度越高，FA所占的比例越大。

 

当温度为25℃，pH从7.0增加到9.0时，FA占比从0.7%增加到44.0%。

 

当pH为8.0，温度从25℃上升到40℃，FA占比则从6.6%增加到16.6%。城市污水处理厂的进水pH接近中性，氨氮浓度在50mg/L左右，产生的游离氨（FA）浓度约为50mg/L*0.7%=0.35mg/L，这个浓度对硝化细菌基本没有抑制。

在垃圾渗滤液和消化污泥脱水液中的氨氮浓度可以达到几百至上千，在较高的pH下，游离氨对硝化细菌的抑制就会很明显。这也是为什么很多高氨氮现场例如超过200mg/L，硝化作用会受到抑制的原因。

二、对脱氮过程的影响

我们针对游离氨（FA)设计了4个浓度梯度:0.5、5、10、15mg/L，以观察它们对硝化过程的影响。试验过程中，我们发现在稳定运行后，四个系统的出水氨氮都很低，平均值为0.9mg/L。这反映出氨氧化过程基本没有受到影响。

 

为了进一步确认，又分别对系统出水中的亚硝酸盐和硝酸盐浓度进行了检测。结果发现，在游离氨（FA)浓度0.5和5mg/L的反应器中，出水中只检测到硝酸盐，而没有发现亚硝酸盐，这说明氨氧化过程和亚硝酸氧化过程都没有受到抑制。

在游离氨（FA）为10和15mg/L时，随着试验时间的推移，出水硝酸盐浓度逐渐降低，而其中的亚硝酸盐浓度则慢慢升高。这说明在系统中，亚硝酸盐氧化为硝酸盐的速率一直在下降，亚硝酸氧化过程受到抑制。长时间连续运行后，游离氨（FA）浓度为10mg/L和15mg/L的反应器中，最终亚硝酸盐积累率（NAR）均达到97.4%以上。

三、对微生物群落的影响

紧接着我们通过观察微生物群落组成来进一步探究影响脱氮效率的原因。

 

（1）氨氧化菌丰度变化：

氨氧化菌的初始丰度为0.13%。在FA为10mg/L时，曾短暂达到了3.17%，但是在FA浓度继续增加到15mg/L时，丰度又下降到0.60%以下。与之相对应，氨氧化速率也是随着氨氧化菌的丰度相应波动。之所以会这样，是因为游离氨（FA）既是氨氧化菌（AOB）的食物，又是抑制AOB活性的有毒物质。当FA小于10mg/L时，游离氨（FA）浓度增加对AOB的生长存在一定的促进作用。但是当FA>10mg/L时，抑制作用就开始显现。

（2）亚硝酸盐氧化菌丰度变化：

而亚硝酸盐氧化菌初始相对丰度为6.15%。当FA由0.5mg/L增加到15mg/L时，硝化螺旋菌属丰度逐渐下降到0.96%。

而在整个过程里，随着游离氨（FA）浓度增加，亚硝酸盐氧化速率也是一直下降的，与硝化螺旋菌属的丰度变化趋势一致。

并且从微生物种类和相对丰度来说，测定数据也显示游离氨（FA）浓度为0.5mg/L时，微生物种群的多样性最高。

 

不同的微生物丰度和多样性，这个也可能是游离氨（FA）对硝化抑制具有不同阈值的原因。对于微生物多样性高的群落，它们的酶能构成一个复杂的代谢网络。而更丰富的代谢途径，能提高对底物的利用率和“食物”范围。我们前面讲过的共代谢其实就是这种微生物之间社会协作的一个案例。随着游离氨（FA）浓度的升高，微生物多样性逐渐下降，系统中的氮氧化网络也随之被削弱。

 

四、对硝化细菌的抑制机理

最后，我们总结一下，游离氨对氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的抑制机理。微生物所能合成酶的种类，决定了它们所能利用的营养物。在硝化反应中，氨单加氧酶（AMO)、亚硝酸盐氧化还原酶（NxrAB）是主要的功能酶。

 

氨氧化依赖于氨氧化菌（AOB）和氨单加氧酶的丰度，而亚硝酸盐氧化依赖于亚硝酸盐氧化菌（NOB）和亚硝酸盐氧化还原酶的丰度。

游离氨（FA）能通过影响这些酶的活性对硝化过程产生影响。试验显示，游离氨（FA）对NOB的亚硝酸盐氧化还原酶具有专性抑制作用，这也可以解释NOB相比于AOB容易受FA抑制的原因。

 

其次，FA还通过影响细菌胞内pH水平的途径抑制脱氮功能菌的活性。

 

如图所示,氨分子（NH3）通过扩散进入细胞质后，会吸附H+形成氨离子，这会导致细胞内的pH呈碱性。

当胞内pH高于其最佳生理水平时，会自动激活钾离子泵与胞外溶液进行质子(H+)交换，维持细胞内pH的平衡。这个和我们用加酸的方法调整pH的原理是一样的。但这个过程会消耗很多能量，同时消耗了大量钾离子，使细胞内钾离子浓度下降，这也会间接影响很多生物酶的活性。如果游离氨(FA)浓度继续升高，还会对细菌产生不可逆的灭活作用，当FA浓度达到200mg/L，不仅仅NOB会被灭活，AOB的活性被压低到50%左右，反硝化细菌等其它细菌也会受到不同程度的影响。