硫代硫酸盐自养脱氮动力学的调查:反硝化建模机制和驯化SO-NR培养对亚硝酸盐的影响
原文作者：Mabel Mora , Antonio David Dorado , Xavier Gamisans , David Gabriel
关键词:建模 自养反硝化作用 亚硝酸盐抑制动力学 反硝化 SO-NR生物驯化 费舍尔信息矩阵
摘要：
在这工作的动力学下部由大量的硫化硝酸盐还原构成(SO-NR)培养驯化而不是适应亚硝酸盐的特点。缺氧的呼吸运动计量法的呼吸运动的耦合动力学建模概要文件的方法用于研究相关的两步脱氮硫代硫酸盐氧化。自养反硝化最初研究在未驯化 SO-NR培养确认亚硝酸盐还原动力学可以通过霍尔丹型方程描述。然后，一个动力学模型来描述两步脱氮(NO3→NO2→ N2)校准和验证通过评估的几个动力学参数的拟合实验呼吸运动的概要文件获得使用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体对驯化和未驯化生物质。提出的模型是一个涉及多基板模型,考虑所有的物种过程以及化学计量学尤其是生物质相关的研究工作。一个比较之间的动力学参数与生物适应了和未驯化亚硝酸盐显示增加了7倍的霍尔丹地适应生物质与亚硝酸盐抑制常数未驯化而亚硝酸盐半饱和常数和最大的特定增长速度几乎保持不变。费舍尔矩阵法获得的信息置信区间并评估校准的敏感性和可识别性的模型各动力学参数估计。
1引言
不同的技术开发研究生物降解微生物培养物的特征[1,2]。特别是,呼吸运动计量法已经证明是一个强大的技术了解生物过程的动力学和化学计量从生物量增长[3-5],底物直接删除与电子受体相关消费。此外,这种技术允许获得biokinetic特征建模呼吸运动的配置文件[6]以及评估抑制和/或毒性作用,特定的微生物种群可能受到影响[7,8]。
自养反硝化生物动力学特性通过呼吸测量已经暂停从废水处理过程中获得的培养[ 9 ]和对于SO-NR培养缺氧脱硫塔过滤器（BTF）[ 10 ]。然而，在这两种情况下的化学计量系数
使用和获得的动力学参数显着不同的。这意味着一些动能或计量数据在SO-NR生物量文献报道不准确的使用需要自实验条件下的特定生物量的表征以及微生物多样性的生物量是很难的相同。在固定化生物量的情况下，一个额外的瓶颈是对生物量增长率、生物量的估算这种微生物培养的活性部位。
一些作者使用单一的基板动力学模型考虑微生物的生长率仅为一个单一的污染物生物降解（莫诺、霍尔丹等动力学方程）[ 11 ]描述生物过程。一个缺点单底物动力学模型是描述的残疾其他物种，如营养物质或电子的潜在限制受体。此外，基于单一基板的模型可以很难描述复杂生物中多个终末产物的形成生物脱氮脱硫工艺过程[ 13 ]。为了这个原因，一个多基板模型建议描述两个步骤的反硝化作用，因为两者电子受体（硝酸盐、亚硝酸盐）有牵连的过程。此外，动力学参数的置信区间通常不被评估，即使他们是重要的参数的估计。渔船信息矩阵（FIM）方法是一种行之有效的工具，准确地提供了信心动力学参数的时间间隔。这种方法是基于协方差矩阵求逆的计算，这是直接的相关的模型参数估计的不确定性实验数据的数量和质量。许多作者成功地运用了这种数学方法来评价废水中的参数估计的可靠性在废气处理[14,15]。FIM方法允许评估的参数和质量的敏感性估计。
以前的作品已经报道了一种方法和实验在这项研究中使用的缺氧呼吸装置。此外，反硝化和SO-NR硫代硫酸钠氧化率从一个缺氧生物滴滤池生物量得到以及两步反硝化过程的化学计量已解决[16,17]。然而，动力学方程和参数生物过程的特征尚未被描述报道。因此，本研究的目的是确定的自养反硝化动力学参数根据硫代硫酸钠的氧化机理。培养的影响在这一过程中对亚硝酸盐驯化进行了研究和评价通过在动力学参数的变化，这是直接与反应器的操作条件有关生物量的增长和培养的历史。对于一个可靠的动力学模型和参数表征，对应于所用培养的化学计量系数在这项研究中，那些先前计算通过呼吸在莫拉等人滴定技术。驯化对亚硝酸盐的生物量进行了评估，通过动力学参数估计和建议，以面对亚硝酸盐的抑制问题在反硝化反应器。
2.材料与方法
2.1生物量
从一个在这项工作中使用的SO-NR生物质厌氧沼气脱硫生物滴滤池（BTF）在不同操作时间（175天和325天的操作）[ 18 ]。第一次抽样从BTF生物量（175 d）进行接种2.8我连续搅拌釜式反应器（CSTR）。一次评估稳定的状态，对反硝化动力学研究使用SO-NR生物质在CSTR反应器中培养（操作A）。这生物质，然后被丢弃的进一步研究。从BTF获得生物质的第二样本（325 d）培养CSTR（乙）在22周内，无亚硝酸盐积累两步反硝化过程的评估。然后，生物量为适应亚硝酸盐2周的CSTR操作结束之前逐步减少水力停留时间。一系列反应堆的启动和连续运行的详细说明报道在其他地方[ 16 ]。
2.2呼吸曲线
两组的呼吸速率的测试与量进行培养在CSTR反应器中进行反硝化以硫代硫酸钠氧化动力学相关（表1）。在第一组的测试（组A）亚硝酸盐被用作电子受体为了定义描述反硝化动力学模型。这个二组（组B）进行研究的动力学的整体反硝化过程及生物量驯化的影响亚硝酸。用于设置和乙的生物量有相同的起源（缺氧脱硫BTF）而收集和栽培不同时间段（见第2.1条，操作A和B的CSTR）。因此，生物质驯化的影响进行评估生物质在生物量对亚硝酸盐驯化前后的生物量。此外，允许研究脱硝使用的硫代硫酸钠和亚硝酸盐驯化显然，因为许多额外的影响减少硫化合物反应，避免。这不会是硫化物的情况下，因为元素硫可以形成作为一个中介影响其反硝化率的产品[10]。
获得标准剖面一定量的生物量在CSTR反应器中培养以前洗净，倒入呼吸。随后，已知脉冲的硫代硫酸钠，硝酸盐和亚硝酸盐被克服后添加到呼吸内源性和唤醒阶段。连续系统采样允许监测浓度涉及的过程中，这使估计的物种相应的动力学参数建模的标准型材。用于生物量制备的协议于缺氧的呼吸速率测试以及建立呼吸和程序中获得的呼吸曲线以前的优化和莫拉等人的正确描述[16]。
2.3化学分析
亚硝酸盐（NO2-），硫酸盐（SO42-）、硝酸盐（NO3-）和硫代硫酸钠（S2O32-）离子色谱法测定浓度电导检测采用Dionex ICS-2000。生物量按标准方法测定浓度[ 19 ]。测定无机碳浓度OI分析TIC／TOC分析仪（模型1020A）。溶解氧在原位连续监测浓度和pH值
传感器（分别CellOx325 and SenTix 82 from WTW）连接到台式万用表。
3.动力学模型的发展
据文献[20]，硝酸盐还原可以表示通过一个莫诺型方程，亚硝酸盐可以减少霍尔丹型动力学描述。亚硝酸盐积累也有报道称为动能影响因素取决于pH值[21]，S/N比[22,23]，竞争对于每一个电子受体（亚硝酸盐或硝酸盐）[24]等，在这项工作中这些注意事项没有包括在动力学模型由于在先前的研究[ 16 ]，它被观察到的影响因素，这一过程的进展为一个恒定的pH值是脱硝作用和反硝化动力学，这一事实与培养中现有的生物量有关。
表1
呼吸试验研究在缺氧条件下的氧化动力学的SO-NR硫代硫酸生物驯化和非驯化无亚硝酸盐
|
设置测试 |
连续搅拌釜式反应器的操作 |
亚硝酸盐是否驯化 |
亚硝酸盐(mg N-NO2 L1) |
硝酸盐(mg N-NO3 L1) |
硫代硫酸钠(mg S-S2O32 L1) |
|
A-1 |
A |
否 |
103 |
0 |
124 |
|
A-2 |
否 |
29.7 |
0 |
297 |
|
|
A-3 |
否 |
10.7 |
0 |
322 |
|
|
B-1 |
B |
是 |
20.8 |
1 |
318 |
|
B-2 |
是 |
24.2 |
12.1 |
268 |
|
|
B-3 |
否 |
1 |
53.1 |
160 |
3.1化学计量系数
化学计量系数是必要的正确表征生物量增长后微生物种群的动力学研究收益率对所有物种之间的关系有很强的影响在生物过程中有牵连。在这项研究中的两个步骤化学计量学用于反硝化（方程（1）及（2））莫拉等人得到的[17]通过呼吸和滴定对于同一SO-NR生物技术。从这些系数与底物的生物量增长率（Yx/s）或任何电子受体（YX / Nit和YX / N）也比之间的物种参与的过程可以计算：
在以前的研究中，与目前的研究相比，两步不考虑反硝化作用，因为亚硝酸盐没有在呼吸法[10]观察。
3.2反硝化动力学建模
氮气体是从亚硝酸盐的最终产物还原（方程（2））。几个动力学模型已经以前提出了描述反[28，25-28]。通常，积累在反硝化过程中的亚硝酸盐和由此产生的抑制作用在这样的模型[24,29 ]。在这项研究中的抑制研究了亚硝酸盐对亚硝酸盐还原的影响霍尔丹型方程（方程（3））根据呼吸速率测试在后面的讨论中进行：
在r denitritation 和r max是具体的和最大的比反硝化速率（mg N-NO2-g-1VSSh-1），分别地；亚硝酸盐的浓度（mg N-NO2-L-1）；半饱和系数为亚硝酸盐（mg N-NO2-L-1）；和KI，NIT是亚硝酸盐的抑制常数（mg N-NO2-L-1）。
除了霍尔丹型亚硝酸根，套差描述为亚硝酸盐和硫代硫酸的质量平衡方程消费增长生产硫酸和生物质（方程（4）–（7））以及一个莫诺式的术语来描述硫代硫酸钠氧化被认为。无元素硫积累包含在模型以来，先前引用[16,21,30]，硫代硫酸钠氧化在缺氧条件下产生的直接作为最终产品的硫酸盐：
其中S是硫代硫酸钠的浓度（mg S-S2O32-L-1）；SS硫酸盐的浓度（mg S-SO42-L-1）；X是生物量浓度实验量化为VSS浓度（mg VSS L-1）；L，n的最大比生长速率以亚硝酸盐为电子受体的生物量（h-1）；KS是半饱和系数为硫代硫酸钠（mg S-S2O32-L-1）；分别和YX /Nit和Y Nit/s的化学计量量增长率相关亚硝酸盐（mg VSS mg N-1）和亚硝酸盐硫代硫酸盐比
(mg N mg S-1)
3.3二步反硝化建模
反硝化过程中已被先前的特点通过几个动力学方程相结合的非竞争性反硝化中间体与简单的抑制作用莫诺方程[20,27 ]。在这项工作中，两步反硝化机制相关（硫代硫酸钠氧化试验对应set B为蓝本，考虑利率限制通过对反硝化，硝酸盐和亚硝酸盐引起的抑制作用。此外，电子受体之间没有竞争考虑了初始S-S2O32-/ N-NO3从以前的反硝化作用机制结果没有观察到这些现象。模拟的呼吸速率的分布是通过执行账户式。方程（4）-（7）及对应的微分方程硝酸盐消耗（方程（8）（10））：
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