N2O是强温室气体，同时也是可再生能源，当其替代O2与甲烷燃烧时可以提高热值，还可以用于医学、工业以及半导体行业等。由于污水处理过程是N2O释放的重要人为来源，因此生物脱氮过程中N2O的富集成为研究热点之一。食品加工、制造及酿酒等行业会产生大量酸性有机含氮废水，在反硝化脱氮之前，常需加碱进行预处理，这会增加系统的复杂性与运行费用。研究酸性条件下反硝化的性能，可为此类废水的直接处理提供依据。


已有研究表明，酸性条件和游离亚硝酸（FNA）浓度是影响反硝化过程中N2O产率的重要因素。Thörn等研究发现，在酸性条件下，40%以上的NOx-会以N2O的形式积累。Pan等研究恒定pH对反硝化的影响时发现，当pH为6.0时，N2O的释放率高达40%。有学者推测酸性条件下产生的FNA通过抑制N2O还原酶的活性增加N2O的释放。由于FNA是酸性条件下NO2-质子化的结果，真正的抑制剂仍需进一步明确。NO2-型反硝化是顺序反应的过程，依次由亚硝酸盐还原酶（NIR）、NO还原酶（NOR）和N2O还原酶（NOS）将NO2-还原为NO、N2O和N2。


作为中间产物，N2O的净产率同时受其产生和还原的影响，研究酸性条件下N2O的还原特性可为其富集机理提供依据。由于N2O是溶解性气体，传统测定方法存在困难，而一氧化二氮微电极可连续测定其浓度的变化，这就为其检测提供了有效手段。笔者以NO2-型反硝化活性污泥为研究对象，分析了SBR系统在酸性进水条件下的反硝化运行特征和N2O释放行为，并探讨了影响N2O还原速率的因素，旨在揭示酸性条件下N2O积累的机理，并为生物反硝化过程中N2O的富集回收提供依据。


1材料与方法


1.1试验装置


连续试验采用SBR装置，其有效容积为0.6 L，排水比为0.33。每天运行4个周期，单周期为6 h，即进水5 min、搅拌240 min、沉淀60 min、排水5 min、闲置50 min。采用磁力搅拌方式，在室温条件下运行，水温为20~25℃。批式试验反应器的有效容积为0.6 L，使用N2进行吹脱（氮气流速为0.2 L/min）以实现泥水完全混合，并将产生的N2O吹脱出来。


1.2污泥来源和试验


用水试验所用污泥为课题组前期驯化完成的NO2-型反硝化污泥，其整体为黄褐色絮体，MLVSS/MLSS约为0.8，采用酸性废水进行驯化，进入反应器污泥的初始pH为5.5，反应器中污泥浓度约为4 000 mg/L，每天排混合液，控制泥龄约为15 d。采用人工配制试验用水，其由乙酸钠、亚硝酸钠和微量元素组成，微量元素按文献配制，投加量为1 mL/L。运行阶段NO2--N浓度控制在100~120 mg/L，保持C/N为3。


1.3试验方案


连续运行及典型周期试验：SBR正常运行过程中，连续监测进出水COD、NO2-的浓度及N2O释放量。定期分析典型周期碳、氮转化及N2O释放特性。酸性pH及FNA对N2O释放的影响：取0.2 L SBR中的污泥，洗泥3次后置于批式反应系统中，采用人工配水进行试验，反应时间为4 h，反应温度控制在22℃。每10 min采集一次气体测定N2O浓度，每30 min采集一次液体测定NO2-和COD浓度，试验结束后测定MLSS和MLVSS浓度。pH影响试验中，初始NO2--N浓度为80 mg/L，以0.2 mol/L的HCl或NaOH保持系统内pH恒定，分别在pH为5.0、5.5、用人工配水进行试验，反应时间为4 h，反应温度控制在22℃。每10 min采集一次气体测定N2O浓度，每30 min采集一次液体测定NO2-和COD浓度，试验结束后测定MLSS和MLVSS浓度。


pH影响试验中，初始NO2--N浓度为80 mg/L，以0.2 mol/L的HCl或NaOH保持系统内pH恒定，分别在pH为5.0、5.5、5.8、6.0、6.5、7.0的条件下进行试验，pH的变化幅度不超过±0.1。FNA影响试验中，控制反应中pH恒定为5.8，通过添加不同浓度的NO2（-10、30、40、50、70、90 mg/L）使FNA的初始浓度分别为0.16、0.44、0.68、0.84、1.16、1.54 mg/L。酸性pH及FNA对N2O还原速率的影响：通入N2O标准气体配制饱和溶液，稀释65倍，配制初始浓度为10μmol/L的水溶液（a溶液）备用。a溶液在不同pH（5.5~7.0）条件下以N2O为基质进行批式试验。a溶液中加入少量亚硝酸盐制成b溶液，在不同pH（5.5~7.0）条件下形成不同FNA浓度进行批式试验。反应时间为15 min，通过水浴加热控制温度为（20±1）℃。用N2O微电极测定N2O浓度，试验结束后测定MLSS和MLVSS，并计算还原速率。


1.4分析项目及方法

COD采用重铬酸钾法测定；亚硝酸盐采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定；硝酸盐采用紫外分光光度法测定；MLSS、MLVSS采用重量法测定；溶解性N2O利用微电极测定，测定前进行校准。N2O气体的采集：批式试验产生的N2O气体用氮气进行吹脱，使用50 mL注射器在反应器上部集气区采集气体样品，用气相色谱仪进行测定。气体分析与计算：利用PE600气相色谱仪对样品中的N2O浓度进行分析。N2O的释放速率和释放量参考Kong等、Kimochi等的方法进行计算。