反硝化除磷工藝中N2O的逸出規律研究

李亞靜+孫力平

摘 要：目前反硝化除磷系統的缺氧段以內碳源（PHA）作為碳源的反硝化中氧化亞氮（N2O）的產生機理尚不清楚。因此采用實驗室規模的厭氧/缺氧序批式反應器（A/A SBR）研究了電子受體NO3--N濃度（25 mg/L、50 mg/L和80mg/L）對系統脫氮除磷效果以及N2O產生量的影響。結果表明通過增加電子受體即NO3--N起始濃度，使得N2O產生量增加，而N2O轉化率減小。當NO3--N起始濃度≤25 mg/L時，有利于硝酸鹽氨化作用的發生，N2O的釋放源為硝酸鹽異化成氨作用。當NO3--N起始濃度≥50 mg/L時，N2O的釋放主要來自于反硝化作用。

關鍵詞：反硝化除磷 電子受體濃度 PHA N2O 釋放源

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0107-04

反硝化除磷是一種新型可持續發展的生物脫氮除磷工藝[1]。反硝化除磷就是在厭氧/缺氧環境交替運行的條件下，易富集一類兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厭氧微生物，該聚磷菌能利用NO3-作為電子受體，通過它們的代謝作用同時完成過量吸磷和反硝化過程，最大限度地減少碳源需求量，實現了能源和資源的雙重節約。反硝化除磷能節省COD約50%，節省氧約30%，剩余污泥量減少50%左右[2]。

在反硝化除磷工藝中，氧化亞氮作為重要的反硝化中間產物可以產生和積累[3，4]。由于其潛在的溫室氣體效應和破壞臭氧層的能力越來越受到人們的關注和擔憂[5，6]。在反硝化除磷系統中，氧化亞氮的產生量能占到進水總氮負荷的2.3%～21.6%范圍內[7，8]。因此，掌握反硝化除磷系統中氧化亞氮的產生規律對理解污水處理系統中整個碳足跡來說是非常重要的。

該文從缺氧段反硝化作用中的電子受體入手，從內碳源PHA的厭氧合成量、缺氧降解速率的角度去分析N2O的釋放機理，通過調整電子受體硝酸鹽的濃度，對不同工況條件下氮的遷移轉化過程進行系統研究，剖析了反硝化除磷新技術在脫氮過程N2O的產生特征和產生量，旨在通過認識這種工藝N2O的釋放特征和原因，優化反硝化除磷過程實現良好的除磷脫氮效果和較小的N2O釋放。為這種新技術更好地應用于污水除磷脫氮處理、真正實現節能減排提供技術保障。

1 材料與方法

1.1 試驗污泥與用水

試驗所用污泥取自天津某污水廠A2/O工藝中回流污泥。接種污泥菌膠團密實，污泥沉降性好。試驗用水為人工模擬配水，以乙酸鈉提供碳源，KH2PO4和NH4Cl為磷源和氮源，缺氧段投加KNO3以提供NO3--N作為電子受體。并且投加微量元素。實驗水質指標及分析方法見表1。

1.2 試驗裝置與運行

該試驗采用SBR裝置。在厭氧/缺氧（無氧但有硝酸根）條件下運行。反應器由有機玻璃制成，上部為圓柱體，下部為圓臺體，有效容積為4.50 L，反應器的充水比為0.7。在反應器上每隔10 cm設置一個取樣口，每個反應器有3個取樣口。進水由蠕動泵進行控制，排水通過電磁閥控制。通過微電腦定時器實現進水、厭氧、缺氧、加藥、沉淀、排水的自動運行。

1.3 分析項目及測定方法

1.3.1 水樣分析

水質監測項目分析方法均采用國標法[9]，按照Oehmen的操作方法改良后進行PHA測定[10-12]。VFA和N2O采用氣相色譜法測定[13]。

1.3.2 N2O分析

N2O的濃度如方程式（1）～（3）所示[14]：

反應器中污泥混合液排放的氣態N2O-N濃度CemiN2O-N （mgN/L）由式（1）計算得出：

反應器中污泥混合液里溶解的N2O-N濃度CdisN2O由式（2）計算得出：

總N2O-N生成量Cproduced，由兩部分組成，如（3）所示：

2 結果與討論

2.1 反硝化除磷過程典型周期變化

圖1為典型周期內碳源和氮、磷的變化情況。系統以乙酸鈉為碳源，其含量隨著厭氧反應時間的延長迅速下降，水中的PO43--P隨著時間的延長迅速升高，至反應90 min時，達到最大值59.41 mg/L。厭氧反應結束后瞬時向反應器內投加KNO3，使缺氧開始時反應器內NO3--N的濃度為55.00 mg/L。隨著反應的進行，水中PO43--P濃度逐漸降低為0.75 mg/L，硝酸鹽濃度降低為0 mg/L。在缺氧反應過程中，亞硝酸鹽出現較低的累積濃度，但并未影響到良好的出水效果。

2.2 電子受體濃度對氮、磷去除及N2O產生量的影響研究

該試驗采用3個平行的SBR反應器，使缺氧初期的NO3--N濃度分別為25、50、80 mg/L；缺氧攪拌210 min，研究不同NO3--N濃度對N2O產生量的影響。

N2O產生量的原因主要是一方面由于反硝化聚磷菌以胞內聚合物PHAs作為碳源進行反硝化，內碳源較慢的降解速率，導致反硝化過程中硝酸鹽、亞硝酸鹽以及N2O還原酶對不充足的電子形成競爭，從表2中還原速率可以看出N2O還原酶對電子的競爭明顯弱于硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶， N2O還原酶因競爭不到電子而使N2O還原到N2的過程受阻， N2O出現積累。隨著電子受體濃度的增加，N2O產生量增加，N2O轉化率減小。另一方面在反硝化過程中COD/N比例對N2O的產生量有非常顯著的影響。該研究通過把PHA單位轉化為COD單位，在缺氧初期的COD/NOx-N比值分別為6.76、3.38和2.11。從這些數值可以看出PHA由充足漸變為限制因素，導致N2O的產生量增加。

2.3 電子受體濃度對N2O釋放來源的影響

N2O的釋放源研究采用化學抑制法[15-17]。實驗發現通入C2H2后，NH4+-N的生成速率有所升高，這是由于C2H2對厭氧氨氧化具有強烈的抑制作用且反應中存在硝酸鹽異化成氨作用所造成的[18]。由圖2可知，缺氧段在硝酸鹽異化成氨和反硝化共同作用下造成了N2O的釋放，當NO3--N初始濃度≤25mg/L時，有利于硝酸鹽氨化作用的發生，在此條件下N2O的釋放源為硝酸鹽異化成氨作用。而當NO3--N初始濃度≥50 mg/L時，N2O的釋放主要來自于反硝化作用。endprint