DO对短程反硝化过程中N2O产量的影响巩有奎

第43卷第1期中南大学学报(自然科学版)Vol.43No.12012年1月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Jan.2012DO对短程反硝化过程中N2O产量的影响巩有奎，王淑莹，王莎莎，王赛，彭永臻(北京工业大学环境与能源工程学院，北京，100022)摘要：利用SBR反应器，考察不同溶解氧(DO)条件下NO2−反硝化过程中N2O产生及释放过程。研究结果表明：控制曝气量为0.3L/min，进水NO2−-N质量浓度为40mg/L，体系DO质量浓度分别为0，0.1，0.3，0.5和0.7mg/L时，反硝化过程N2O释放量分别为0.41，0.60，2.62，4.98，6.83mg/L；随DO质量浓度的增加，反硝化速率明显降低；当DO质量浓度由0mg/L增至0.7mg/L时，每克混合液悬浮固体(MLSS)的NO2−反硝化速率由14.9mg/(L·h)降至10.2mg/(L·h)，每克MLSS的N2O产生速率由0.2mg/(L·h)增至1.9mg/(L·h)。其原因为：高DO质量浓度对氧化亚氮还原酶具有较强的毒性，抑制了N2O的进一步还原过程；高NO2−的存在导致抑制了氧化亚氮还原酶的活性。降低A/O和A2/O等生物脱氮过程中缺氧反应器内部DO质量浓度，保证严格缺氧条件，是减少短程生物反硝化过程中N2O产量的关键因素。关键词：溶解氧；氧化亚氮；亚硝态氮；抑制作用中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1672−7207(2012)01−0395−06EffectofDOonN2OemissionduringnitritedenitrificationprocessGONGYou-kui,WANGShu-ying,WANGSha-sha,WANGSai,PENGYong-zhen(CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)Abstract:TheeffectofDO(Dissolvedoxygen)onthekineticsofnitritedenitrification,aswellasthecorrespondingN2Oaccumulationandemissionwereinvestigatedusing2.4Lsequencingbatchreactor.TheresultsshowthatNaNO2isaddedattheinitialofthetesttothefinalNO2−-Nmassconcentrationof40mg/L.Theaerationrateiscontrolledat0.3L/minandtheratioofN2toO2isadjustedsothattheDOcanbecontrolledat0,0.1,0.3,0.5and0.7mg/LandtheN2Oemissionis0.41,0.60,2.62,4.98,6.83mg/L,respectively.ThedenitrificationratedecreaseswiththeincreaseofDOmassconcentration.Thenitritereductionratepergramofmixedliquorsuspendedsolid(MLSS)decreasesfrom14.9to10.2mg/(L·h),whiletheN2OemissionratepergramofMLSSincreasesfrom0.2to1.9mg/(L·h).ThereasonmaybethathigherDOmassconcentrationinhibitstheactivityofN2OreductasethusresultsinhigherN2OproductionastohigherN2Oemission.Besides,highernitritepresenceinhibitstheactivityofnitrousoxidereductionenzymeswhichisresponsibleforN2Oreduction.ToreduceDOmassconcentrationinanoxictanksduringnitrogenremovalprocessmaybetheefficientwaytoreduceN2Oemissionduringnitritedenitrificationprocess.Keywords:dissolvedoxygen;nitrousoxide;nitrite;inhibitionN2O是3种昀重要的大气温室气体(CO2，CH4和N2O)之一，其增温潜势是CO2的320倍，在大气中存留时间为114a，对全球温室效应的贡献占5%~6%。联合国环境规划署和世界气象组织共同设立的“政府间气候变化委员会”(IPCC)已将其列为影响自然生态系统、威胁人类生存基础的重大问题[1−2]。初步估计污水处理厂运行过程中每年排放的N2O量为(0.13~3.00)×1012kg，占全球N2O总排放量的21.5%~收稿日期：2011−01−17；修回日期：2011−03−24基金项目：城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金资助项目(QAK201006)；北京市属高等学校人才强教计划高层次人才资助项目(PHR20090502)；北京工业大学第9届研究生科技基金重点资助项目(ykj-2011-5374)通信作者：王淑莹(1953−)，女，黑龙江肇源人，教授，博士生导师，从事污水深度脱氮处理理论及应用；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]中南大学学报(自然科学版)第43卷39625.0%[3]。鉴于此，2006年IPCC将污水处理厂出水中N2O的含量标准由1.0%减至0.5%[4]。与传统脱氮过程相比，短程硝化反硝化过程具有如下优点[5]：(1)硝化阶段能够减少25%的曝气量；(2)反硝化阶段能够减少40%的碳源投加量；(3)具有较高的反硝化速率。但是通过研究发现，短程生物脱氮过程中产生的N2O产量是全程生物脱氮过程的1.4倍[6]。Zeng[7]研究亚硝酸型同步脱氮除磷工艺过程中发现：N2O是该脱氮过程中的主要气态终产物。在前置反硝化生物脱氮工艺(A/O，A2/O)中，好氧硝化液的内循环和沉淀池污泥回流都有可能将DO(Dissolvedoxygen)携带进入缺氧区，从而导致缺氧区内存在少量DO。以往的研究多集中在考察DO对反硝化过程动力学的研究，但是，对低氧条件下短程反硝化过程中氧化亚氮的产生及释放尚未见报道。在此，本文作者利用SBR反应器，考察低氧条件下以NO2−作为电子受体的反硝化过程及其N2O产量，以便为探索短程生物脱氮过程中N2O释放规律提供依据。1材料及方法1.1实验用水水质及种泥试验用水取自北京某大学SBR中试反应器反硝化结束后出水，出水COD＜50mg/L，NOx−-N质量浓度小于1mg/L。试验用接种污泥取自中试反应器，试验期间中试反应器脱氮效率达96%以上。在试验过程中，通过投加NaNO2控制初始NO2−-N质量浓度为40mg/L。试验过程中投加乙醇作为碳源，初始碳氮比(即COD与总氮的质量浓度比)＞5，同时，在曝气反硝化过程中以蠕动泵连续加入乙醇稀释液，以保证系统脱氮过程中充足的碳源。1.2试验装置及运行试验装置如图1所示。试验所用SBR反应器有效容积2.4L。反应器底部利用机械搅拌器搅拌，采用黏砂块作为微孔曝气头。在反应过程中，采用N2+O2的曝气方式，总曝气量利用转子流量计控制在0.3L/min，通过调节曝气中N2与O2的体积比控制系统内部DO质量浓度。反应过程水温控制在(25.0±1.0)℃。1.3测试方法反应器均采用密闭方式运行，反应阶段产生的气体经干燥器干燥去除水分后，间隔10min收集至气体采样袋，利用湿式流量计测定气体体积，以气相色谱仪测定所收集气体中N2O质量浓度。同时，在密闭条件下，取污泥混合液并测定溶解态N2O浓度。1.4分析方法1.4.1DO，pH和ORP测定分别使用Multi340i型(WTW公司)便携式多功能图1试验装置图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsystem第1期巩有奎，等：DO对短程反硝化过程中N2O产量的影响397DO和pH测定仪测定。COD的含量采用COD快速测定仪测定；NH4+-N的含量采用纳氏试剂分光光度法测定；NO3−-N的含量采用麝香草酚分光光度法测定；NO2−-N的含量采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定；MLSS的含量采用滤纸称重法测定；水样经过0.45μm滤纸过滤后测定以上各参数。1.4.2N2O测定方法(1)气态N2O测定。采用6890N型(Agilent公司)气相色谱仪，HP-Plot/分子筛(长度×内径×膜厚为30m×0.53mm×25µm)毛细管色谱柱测定。N2O色谱条件为：进样口温度110℃；炉温180℃；ECD检测器300℃。(2)溶解性N2O测定。溶解于活性污泥混合液中的N2O采用上部空间法测定。在密闭条件下，将活性污泥混合液经泥水分离后，加入0.5mL质量浓度为1000mg/L的HgCl2溶液抑制残余微生物的活性。于水样上部加入N2，30℃下利用恒温摇床振荡0.5h后，测定上部气体中的N2O浓度，根据亨利定律计算溶解性N2O质量浓度[8]。2试验结果2.1不同DO质量浓度下NO2−-N质量浓度变化图2所示为不同DO条件下反硝化过程中NO2−-N质量浓度的变化过程。在初始NO2−-N质量浓度为40mg/L、DO质量浓度为0mg/L时，亚硝态氮在40min内降至0；DO增加，反硝化速率显著降低，当DO质量浓度增至0.7mg/L时，反硝化时间延长至80min。反硝化初始通过投加乙醇作为反硝化碳源，初始碳氮ρ(DO)/(mg·L−1):1—0;2—0.1;3—0.3;4—0.5;5—0.7图2不同DO下反硝化过程中NO2−变化Fig.2VariationofNO2−-NatdifferentDOconcentrationsduringdenitrificationprocess比大于5，同时，为保证整个反硝化过程中有足够的碳源，在整个反应过程中，利用蠕动泵不断泵入稀释后乙醇，碳氮比始终大于3，保证充足碳源。因此，碳源不是导致NO2−-N还原速率下降的原因。反硝化细菌能够分别以O2和NO3−-N/NO2−-N作为电子受体进行有氧和无氧呼吸。当反应体系内共存上述电子受体时，反硝化菌优先利用O2进行好氧呼吸，从而阻碍NO3−-N/NO2−-N的还原。反硝化过程是包含硝酸盐还原酶(NaR)、亚硝酸盐还原酶(NiR)、一氧化氮还原酶(NOR)和氧化亚氮还原酶(N2OR)在内的生化还原过程。与NO3−/NO2−(+0.42mV)相比，O2具有更高的氧化还原电动势(+0.82mV)，其捕获电子的能力更强[9]；因此，DO的存在导致了系统NO2−反硝化速率的下降。2.2不同DO含量下短程反硝化过程中N2O的产量整个反硝化过程中利用鼓风曝气，控制曝气量为0.3L/min，通过调节N2和O2的体积比调节整个反硝化过程中的DO质量浓度。反硝化过程中产生的N2O包括两部分。(1)一部分逸出处理系统，释放于大气，此部分为N2O-N释放量；(2)剩余部分溶解于活性污泥混合液中，即溶解性N2O-N。图3所示为不同DO条件下反硝化过程中氧化亚氮的释放情况。从图3可见：当DO质量浓度为0mg/L，反硝化过程N2O产量为0.41mg/L；随DO质量浓度增加，系统N2O产量迅速增加；当DO质量浓度增加至0.7mg/L时，系统N2O产量达6.83mg/L。无论采取何种溶解氧质量浓度，N2O释放过程均表现为同样的特点。N2O释放量在初始10min内迅速增加，随后N2O释放速率逐渐降低，