5影响城镇污水厂N2 O排放量产生因素


大多数对于污水厂N2 O排放的监测需要理清处理过程中N2 O触发与排放机制。但由于现实中实际污水厂具有较高的处理能力，对于水质水量波动的耐冲击性强，同时其水质成分与水质参数变化极其复杂，而全或反硝化过程不彻底的产物8-8。因此可从碳源，溶解氧浓度，温度以及磁场强度4个影响因素进行分析。


5.1碳源


碳源种类对于异养反硝化过程非常重要，碳源主要为甲醇、乙酸以及乙酸钠。Park等研究表明，采用甲醇作为外部碳源，可以显著降低污水处理中N2 O的排放比例，从原本总氮的4.5%下降到0.2%的低水平。然而，当进水中的化学需氧量与氮比率超过10，会刺激好氧反硝化细菌的增殖以甲醇作为外加碳源，从而提高N2 O的产率。Song等以乙酸钠作为碳源的系统，发现其N2 O的生成速率低于使用甲醇的系统，但这种差异主要归因于不同碳源对微生物群落结构的影响，使得在乙酸钠系统内的菌群具有更高的N2 O转化速率，即更倾向于将其转化为无害的N2。碳源会通过影响酶的基因序列，使N2 O产量出现差异。


Zhang等分别以乙酸钠和甘露醇作为碳源，对比亚硝化过程N2 O释放量，发现以乙酸钠为碳源时N2 O的转化因子(N2 O总释放量/TN去除量)高于甘露醇，发现甘露醇反应器，Nos酶数量明显高。由此推测，甘露醇可以降低高浓度亚硝酸积累对Nos酶的抑制作用，进而减少N2 O产生。在反硝化过程中碳源缺乏会引起NO-2-N浓度的升高，进而引起N2 O产生量的增加。

5.2溶解氧浓度


N2 O的排放量在硝化和反硝化过程中都受到溶解氧浓度的显著影响。在传统的生物脱氮工艺中，环境从好氧状态快速转变为厌氧状态时，会导致N2 O产量骤增。在高溶解氧水平下，N2 O主要通过羟胺氧化途径形成，在溶解氧含量较低的情况下，N2 O的生成常常通过促进反硝化反应来实现。当溶解氧浓度上升时，将进行硝化反应，N2 O产生量减少。Wang等确认了异养反硝化是主要的N2 O排放途径，但也指出当溶解氧超过1.0 mg/L时，会通过遏制亚硝酸盐的还原速率，从而有效地控制N2 O的排放。在低溶解氧水平条件下，亚硝酸盐氧化菌的代谢活性受限，为了防止体内亚硝酸盐氮的过度积累，细胞会激活异构亚硝酸盐还原酶，将其作为电子受体，从而促使N2 O的形成。Gong等研究发现，溶解氧对反硝化过程中N2 O的释放影响显著，当溶解氧浓度低于0.7 mg/L时，N2 O的生成量呈现出明显的氧气浓度依赖性，但随着溶解氧浓度的增加，N2 O的产量也随之上升。


5.3温度


温度变化对污水处理中的N2 O排放具有显著影响，多数研究表明，这种排放量往往随温度升高而增加，且敞开式污水厂较封闭式污水厂水温升高4.5℃，因此可通过璃钢盖板、反吊膜等轻质材料加盖加罩实现处理系统保温提效。王金鹤通过对山东三座应用MBR技术的污水处理设施进行全年的监测分析，发现在水温上没有明显的N2 O排放关联，不过冬季的排放量明显超过其他季节，这说明低温环境可能阻碍了硝化反硝化的进程，从而促进了N2 O气体的生成和逸出。


同时，温度的提高会扰乱硝化与反硝化的动态平衡，造成亚硝酸盐水平上升。例如，当污水厂水温从25℃升高约10℃时，N2 O还原反应得到促进，但由于随着温度升高，N2 O的溶解度急剧降低，从而使气态和液态N2 O一起排出。另外，升温也会打破硝化反硝化的平衡，造成NO-2的积累，会在硝化和反硝化反应中积累N2 O。Castro-Barros等研究发现，亚硝酸盐在硝化体系内的积聚会加剧N2 O的排放。


委燕等研究表明，高浓度的亚硝酸盐是反硝化过程中N2 O生成和蓄积的关键因素。由此可知，亚硝酸盐的积累会刺激N2 O的释放行为。


5.4磁场强度


研究表明，在低温度条件下，磁场对生物活性污泥的生长有显著的促进作用。对废水生化性能的作用体现在显著提高了废水的生化性能，这是因为提高了化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)和总氮(total nitrogen，TN)的去除率，从而降低N2 O的释放。其作用原理涉及磁场如何改变微生物细胞膜的特性、影响细胞内的磁力和电流传导，进而调控微生物的生命过程。Wang等运用48.0 mT的静态磁场，加速了污泥凝聚，增强了亚硝酸盐氧化菌的活性及增殖。


Niu等的实验指出，磁场能够提升微生物的耐寒能力，在低温条件下，20~40 mT的磁场对细菌不饱和脂肪酸有促进作用从而增强微生物活性。因此，利用外部磁场提高低温条件下的微生物活性污泥比好氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR)和活性污泥氨氮化速率(ammonia nitriding rate of activated sludge，AOR)活性，以及增强氨氮化微生物(ammonia oxidi-zing bacteria，AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(nitrite oxi-dizing bacteria，NOB)的功能，对减少低温下的N2 O排放具有潜力。此外，磁场还被证实能有效增强低温下硝化和反硝化酶的活性，有利于总氮和氨氮的去除。


6工程研究案例应用


生化法处理城市污水N2 O排放在中国部分地区得到广泛应用。西安的第四污水处理厂采用了先进的ANNMOX技术，通过高精度的群落分析和定量PCR技术，从遗传层面确认了缺氧区NO2-N的主要去向源于短程反硝化过程。令人关注的是，亚硝酸盐氧化菌的基因多样性相较于氨氧化菌稍显丰富，显示该工艺在氮去除上的显著效果。北京一家污水厂采用CANON工艺，针对城市生活污水进行了中试。初始阶段，80%的污水被送入序列间歇式活性污泥法(sequencing batch reactor，SBR1)进行硝化步骤，随后，经过硝化处理的水与原水混合后再输入SBR2，实施DEAMOX工艺。初期阶段，随着底物浓度的提升，NO2-N的积累率呈上升趋势;然而在后期阶段，短程反硝化的动态受底物供应影响显著。通过调整底物供应策略，能够快速恢复这一过程的效能。实验结果显示，NO2-N的累积峰值达到85%，同时，对NH+4-N的去除率超过95%，最终出水的总氮含量达到了准四类水体排放标准，展现了该工艺的有效性和环保性。


7结论


中国对于处理污水厂N2 O起步较晚，且对于污水厂产生污泥利用率低于美国等发达国家;氨氮化古菌和氨氧化细菌通过硝化反应氧化生成N2 O，而反硝化过程中兼性厌氧菌将NO-2-N和NO-3-N还原成N2 O和N2。不同工艺在硝化和反硝化处理过程中排放N2 O存在较大差异，CANON工艺是目前生化法脱氮效率最高的工艺;碳源、溶解氧浓度、温度、磁场强度均会影响污水厂N2 O产生，通过研究N2 O产生机理，典型工艺及影响因素3个方面为未来优化污水处理厂处理排放产生的N2 O提供参考。中国城镇污水处理行业对于排放出的N2 O研究内容可以从以下方面加强。


(1)温度影响N2 O的产生机理没有准确定论，无法确定温度改变是改变了酶活性还是硝化反硝化反应平衡;此外可通过物理方法:如混凝土浇筑封闭，水源加热等方式降低N2 O排放强度，但需注意安全性。


(2)实验室中碳源对N2 O排放产生的影响可能不适用于全面实践工程，有待于在工程实践中进一步研究;此外研究新型复合型碳源也是未来实验技术需要突破的方向。


(3)CANON工艺对于去除N2 O有较好的效果，但需要防止反应中pH过低使NH2 OH和HNO2反应生成N2 O，也可通过门控神经单元(gated recurrentunit，GRU)、人工神经网络(artificial neural network，ANN)等模型预测优化工艺，为污水处理厂实际生产中的N2 O排放减量提供理论支撑。


(4)目前，针对污水处理厂N2 O排放的研究多基于N2 O自身性质和生物脱氮过程，鲜少与其他因素协同考虑，城镇污水厂N2 O减排可从优化工艺流程，精细化运营管理等多方面实行，此外副产物处理以及N2 O再利用亦可作为未来研究方向。