基于氮能源化的短程反硝化反應(yīng)過程N2O高度富集機制研究

潘永寶，姬 濤

(1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院，西安 710048； 2.西安中地環(huán)境科技有限公司，西安 710054)

短程硝化和反硝化反應(yīng)是將傳統(tǒng)的反應(yīng)過程縮短，將硝化過程控制在中間產(chǎn)物過程，從而達到節(jié)能目的[1]，研究短程反硝化過程中N2O的高度富集機制具有重要意義。

1 短程反硝化反應(yīng)

反硝化反應(yīng)也叫做脫氮反應(yīng)，是針對硝酸鹽和氨氮化合物轉(zhuǎn)化而開發(fā)的技術(shù)，該技術(shù)使用各種細(xì)菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣，達到脫氮目的，主要反應(yīng)方程式如下：

硝酸鹽還原為亞硝酸鹽：

2NO3-+4H++4e-→2NO2-+2H2O

亞硝酸鹽還原為一氧化氮：

2NO2-+4H++2e-→2NO+2H2O

一氧化氮還原為一氧化二氮：

2NO+2H++2e-→N2O+H2O

一氧化二氮還原為氮氣：

N2O+2H++2e-→N2+H2O

短程反硝化反應(yīng)是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，再進行反硝化，縮短反應(yīng)路徑，以達到節(jié)能目的，同時會有大量中間產(chǎn)物N2O生成。整個硝化和反硝化過程中，主要參與的細(xì)菌包括硝化菌、反硝化菌及亞硝化菌等，因此研究各類細(xì)菌的特性、篩選高效的硝化菌反硝化菌及亞硝化菌對控制短程反應(yīng)過程具有重要意義。反應(yīng)條件影響了短程反硝化效果。例如不同的細(xì)菌在進行反硝化時具有不同的臨近溫度，溫度過高會導(dǎo)致亞硝酸鹽生成，溫度較低時，硝酸鹽是主要產(chǎn)物。除此之外，pH值、溶解氧DO、泥齡、抑制劑及有機物濃度都會對短程反硝化反應(yīng)效果產(chǎn)生影響。

2 短程反硝化反應(yīng)器

2.1 氣提式反應(yīng)器

該反應(yīng)器特點是廢水在升流區(qū)底部隨氣流上升參與液體的內(nèi)循環(huán)，與細(xì)菌接觸，進行生物作用，再利用重力作用將污泥與液體分離。氣提式反應(yīng)器無需污泥回流和沉淀池，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點[2]。

2.2 間歇式活性污泥反應(yīng)器

間歇式活性污泥反應(yīng)器的材質(zhì)為有機玻璃，上部和下部分別為圓柱和圓錐體，該反應(yīng)器以黏沙塊作為微孔曝氣器，工作時，污水從上部進入反應(yīng)器，從反應(yīng)器的側(cè)面排水口排出[3]。SBR反應(yīng)器在污泥馴化過程中可以實現(xiàn)對曝氣時間的控制，處理、沉淀后可立即排水，此時硝化菌被除去，因此反應(yīng)時沒有硝酸根生成，可達到短程硝化的目的。反應(yīng)環(huán)境中有大量好氧顆粒污泥，在其內(nèi)部，反硝化菌的作用可以將亞硝酸根轉(zhuǎn)換為氮氣，從而實現(xiàn)短程同步硝化和反硝化。

2.3 升流式污泥床反應(yīng)器

升流式污泥床反應(yīng)器(USB)是在氣提式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上演變而來的，其在上部加入了三相分離器，對污泥懸浮的截留有很好的效果。同時，由于水流的上升具有一定的攪拌作用，使污泥在不同床層與細(xì)菌充分接觸，達到了更好的反應(yīng)效果[4]。

3 N2O的釋放及富集機制

3.1 N2O的產(chǎn)生機理

在一般的反硝化過程中，N2O是其中間產(chǎn)物，反硝化過程是在不同功能的微生物作用下完成的[5]。其中，硝酸根還原為亞硝酸根需要硝酸鹽還原酶的作用，亞硝酸根還原為一氧化氮需要亞硝酸鹽還原酶的作用，而一氧化氮在其還原酶的作用下會還原為氧化亞氮，最終在氧化亞氮還原酶的作用下，還原為氮氣。

由于氧化亞氮是反應(yīng)的中間產(chǎn)物，因此其產(chǎn)生的途徑有3種：一是氧化亞氮還原酶在游離亞硝酸或溶解氧的抑制作用下失去活性，使氧化亞氮富集。二是反應(yīng)環(huán)境中電子數(shù)不足，使氧化亞氮還原酶的還原能力小于其他還原酶，導(dǎo)致氧化亞氮的富集。三是一些反硝化菌中缺少氧化亞氮還原酶的編碼基因，從而使氧化亞氮富集。

3.2 N2O生成的影響因素

溶解氧(DO)。由于不同的反硝化細(xì)菌對溶解氧的敏感程度不同，因此其濃度對N2O的生成有很大的影響。當(dāng)體系中溶解氧濃度較低時，亞硝酸鹽會被反硝化生成終產(chǎn)物氧化亞氮[6]。同時，氧化亞氮對溶解氧濃度比較敏感，溶解氧的存在會使反硝化反應(yīng)在缺氧階段產(chǎn)生氧化亞氮的幾率上升。

溫度。污水生物法脫氮過程中，溫度是重要的影響因素。溫度主要是對化學(xué)反應(yīng)的平衡有一定的影響。高溫下硝化和亞硝化反應(yīng)間的平衡被破壞，使反應(yīng)向亞硝酸根被還原方向進行，從而使氧化亞氮得到富集。

碳源種類。研究表明，碳源的不同會對反硝化反應(yīng)的最終產(chǎn)物造成影響，當(dāng)采用乙酸或丙酸作為碳源時，氧化亞氮較易生成，而使用丁酸等作為碳源時，氧化亞氮產(chǎn)生較少[7]。在使用內(nèi)碳源作為反應(yīng)中的電子供體時，可能會發(fā)生電子供應(yīng)不足的現(xiàn)象，而各種還原酶在競爭電子過程中具有不同的能力，因此會導(dǎo)致更多的氧化亞氮產(chǎn)生。

有毒有害物質(zhì)。污水是成分極其復(fù)雜的混合物，其中可能會存在一定的有毒有害物質(zhì)，如重金屬、乙烯、各類鹽及酸類等。這些有毒有害的物質(zhì)會對氧化亞氮還原酶的還原性產(chǎn)生抑制作用，阻礙氧化亞氮還原為氮氣，從而使其富集。

微生物種群。在短程反硝化過程中，微生物是不可或缺的，不同的微生物種群負(fù)責(zé)過程中不同的代謝途徑，從而生產(chǎn)不同的代謝產(chǎn)物。目前，在污水處理領(lǐng)域開發(fā)了不同類型的生物脫氮菌種，通過對菌種中不同基因編碼的篩選，可以實現(xiàn)對氧化亞氮產(chǎn)量的控制。

3.3 N2O的富集

氧化亞氮的生成是由于亞硝酸根還原酶作用的加強或氧化亞氮還原酶作用的減弱造成的。應(yīng)選用合適的碳源，采用碳鏈較短的有機酸作為碳源，使氧化亞氮達到富集的目的。反硝化反應(yīng)過程中的工藝參數(shù)，如溫度、pH、溶解氧濃度等都會對氧化亞氮的生成有不同程度的影響。針對不同性質(zhì)的污水，應(yīng)選用不同的微生物種群，控制反硝化過程中的代謝途徑和產(chǎn)物[8]。由于不同反應(yīng)工藝對不同反硝化過程有不同的促進作用，應(yīng)盡量選擇可以及時將產(chǎn)物氧化亞氮排出的反應(yīng)器，避免其在反應(yīng)環(huán)境中繼續(xù)被還原為氮氣。

4 結(jié)語

總結(jié)了短程反硝化反應(yīng)生產(chǎn)氧化亞氮的影響因素，分析了氧化亞氮的富集機制，該工藝的開發(fā)還需進一步探索。