结果与讨论

N₂O生成特性

经过4个月以上运行期，A₂-SBR和AO-SBR实现稳定的脱氮除磷。批次实验1考察反硝化除磷与传统反硝化过程N₂O生成的差异。

图2和图3展示典型周期内反硝化除磷（SBR-1）与传统反硝化（SBR-2）过程中COD、氮、磷和PHA的变化。SBR-1厌氧阶段，COD在30分钟内迅速降至最低，伴随PHA合成和PO₄³⁻-P释放。后续缺氧阶段发生同步反硝化与PO₄³⁻-P摄取，PHA被消耗（图2），呈现典型DPAOs表型。SBR-2仅含缺氧阶段，期间COD消耗、NO₃⁻-N还原和PO₄³⁻-P释放同时发生，仅生成少量PHA（图3），呈现传统反硝化菌表型。

SBR-1中，N₂O主要在缺氧阶段生成，厌氧阶段几乎未检测到；KNO₃溶液投加后，溶解态N₂O-N浓度在前15分钟迅速升至0.87 mg/L，随后急剧降至接近零（图2）。类似地，SBR-2缺氧初期也观察到N₂O瞬时积累（图3），但其最高溶解态N₂O浓度仅0.08 mg/L，远低于SBR-1。此外，尾气N₂O也被测定，气相和液相总N₂O生成量见表1。可见SBR-1的N₂O生成量（占TN去除量的0.41±0.034%）虽显著高于SBR-2（0.013±0.0056%），但远低于先前反硝化除磷系统的报道值（2.34–21.6%）（Wang et al.2011a,b）。这可能归因于使用了丙酸盐与乙酸盐的混合碳源，而非单一乙酸盐。相较于乙酸盐，丙酸盐作为碳源显著降低了废水处理过程的N₂O生成（Zhu and Chen 2011）。

表1批次实验中N₂O生成量与反硝化效率

识别反硝化除磷中一氧化二氮生成的成因

SBR-1使用PHA作为反硝化碳源，SBR-2使用乙酸盐和丙酸盐。因此推测，使用PHA进行反硝化及高NO₂⁻-N积累是导致两反应器N₂O生成差异的原因。

使用PHA反硝化导致N₂O生成

该成因首先通过向反硝化除磷污泥的缺氧批次实验2中添加乙酸盐验证（图4）。结果显示：未添加乙酸盐时，DPAOs利用厌氧阶段合成的PHA作为反硝化碳源，最大N₂O-N积累量达0.85 mg/L；添加乙酸盐后，DPAOs可利用乙酸盐作为反硝化碳源，最大N₂O-N积累量仅0.21 mg/L。这表明使用PHA反硝化会增加N₂O生成。相较于乙酸盐，PHA降解速率较慢，无法为反硝化提供充足电子，导致反硝化酶之间竞争电子（Kampschreur et al.2009）。N₂O还原酶（Nos）因还原N₂O是反硝化最后一步而缺乏竞争优势，抑制了N₂O还原（Kampschreur et al.2009;Wang et al.2011b）。

为验证该假设，进行批次实验3，结果如图5所示。乙酸盐添加显著提高了N₂O还原速率，因乙酸盐降解速率是PHA的6–20倍，Nos可获得充足电子还原N₂O（Third et al.2003）。当添加硝酸盐时，硝酸盐还原酶（Nar）在电子竞争中优于Nos，PHA氧化提供的电子优先用于硝酸盐还原，抑制了N₂O还原（Kampschreur et al.2009）。而同时供应乙酸盐和硝酸盐时，乙酸盐提供的电子足以支持硝酸盐和N₂O的还原，故N₂O还原不受抑制。这些结果表明，使用PHA反硝化时，有限的电子无法满足反硝化酶需求，且Nos与Nar竞争电子的能力较弱。

高NO₂⁻-N浓度导致N₂O生成

图2和图3显示，SBR-1的NO₂⁻-N积累高达8.51 mg/L，远高于SBR-2（4.91 mg/L）。可能原因是SBR-1使用内碳源（PHA）反硝化，而SBR-2使用乙酸和丙酸。较低的PHA降解速率导致反硝化酶竞争电子，硝酸盐还原速率远高于亚硝酸盐还原速率（Kampschreur et al.2009;Wang et al.2011b）。批次实验2进一步证实NO₂⁻-N积累导致N₂O生成。

图4显示，向DPAOs污泥添加亚硝酸盐显著刺激N₂O生成，最大N₂O-N积累量达6.19 mg/L，远高于硝酸盐添加反应器。该结果与Lemaire et al.(2006)一致，表明亚硝酸盐添加的N₂O生成速率是硝酸盐的五倍。类似地，Zhou et al.(2008a)证实高浓度NO₂⁻-N导致N₂O积累，其后续研究揭示Nos活性受高NO₂⁻-N积累抑制（Zhou et al.2011）。

但批次实验2发现有趣现象（图4）：当同时添加亚硝酸盐和乙酸盐时，N₂O生成远低于仅添加亚硝酸盐的反应器。这解释了为何传统反硝化过程尽管NO₂⁻-N积累达4.91 mg/L，却几乎不产生N₂O——外碳源可减轻亚硝酸盐对Nos活性的抑制。

综上，Nos竞争电子的弱势和高NO₂⁻-N积累是反硝化除磷系统N₂O生成的两大主因。

控制反硝化除磷过程中的一氧化二氮生成

反硝化除磷利用同一碳源同步脱氮除磷，具有节约碳源和氧气的巨大潜力。但大量N₂O生成严重阻碍其应用。基于上述分析，可通过两种途径降低N₂O生成：(a)连续投加硝酸盐以减少反硝化酶间电子竞争；(b)使用丙酸盐作为碳源以减少亚硝酸盐积累。

硝酸盐投加策略对一氧化二氮生成的影响

硝酸盐脉冲投加时，缺氧阶段初始NO₃⁻-N浓度始终较高（25 mg/L）。PHA氧化提供的电子不足以将NO₃⁻完全还原为N₂，有限的电子优先用于将NO₃⁻-N还原为NO₂⁻-N和N₂O。若采用连续投加策略，NO₃⁻-N浓度可维持在较低水平。此时，NO₃⁻-N完全还原为N₂的电子需求可被满足，从而减少N₂O积累。通过批次实验4比较脉冲与连续投加条件下的N₂O和NO₂⁻-N积累。图6显示两种策略下N₂O生成差异：连续投加显著降低N₂O生成和NO₂⁻-N积累。Zhou et al.(2008b)同样发现，通过连续向缺氧阶段输送含亚硝酸盐的液流，新型两污泥三级系统的N₂O生成减少。

碳源对一氧化二氮生成的影响

NO₂⁻-N积累是反硝化除磷中N₂O生成的主因。若减少NO₂⁻-N积累，则可降低N₂O生成。丙酸盐是DPAOs的良好碳源，可减少反硝化除磷过程中的NO₂⁻-N积累（Carvalho et al.2007）。因此，以丙酸盐为DPAOs碳源可减少N₂O生成。批次实验5结果清晰证实丙酸盐的减排优势（图7，表1）：相较于乙酸盐及乙丙混合酸盐，单独使用丙酸盐显著降低NO₂⁻-N积累和N₂O生成。NO₂⁻-N是反硝化中间产物，其积累受硝酸盐还原酶（Nar）和亚硝酸盐还原酶（Nir）活性影响（Wang et al.2011a）。碳源对Nar和Nir活性有不同影响，导致硝酸盐还原速率（N1）与亚硝酸盐还原速率（N2）比值不同。高N1/N2比会导致高NO₂⁻-N积累（Wang et al.2011a;Zhu and Chen 2011）。如表2所示，丙酸盐降低了N1/N2比，与较低的NO₂⁻-N积累一致。

表2不同碳源下NO₃⁻-N与NO₂⁻-N还原速率比较

*数据为三次测试的平均值±标准偏差

但该结果与Wang et al.(2011a)结论相悖，其短期实验发现使用乙丙混合酸盐或丙酸盐时N₂O生成显著增加。差异在于本研究DPAOs由乙丙混合酸盐驯化，而该研究仅用乙酸盐驯化。两研究的DPAOs种类可能不同，需进一步探究不同碳源驯化的反硝化除磷系统中N₂O生成与微生物群落的关系。

因此，连续投加硝酸盐或使用丙酸盐为碳源均可减少反硝化除磷过程的N₂O生成。此外，减少厌氧时间、使用污泥碱性发酵液及添加铜离子（Cu²⁺）等措施也有报道可降低生物脱氮除磷过程的N₂O生成（Wang et al.2011b;Zhu and Chen 2011;Zhu et al.2012），其在反硝化除磷工艺中的适用性值得深入研究。

结论

相较于传统反硝化过程，反硝化除磷过程显著增加N₂O生成。两大主因导致此现象：一是利用PHA反硝化引发反硝化酶间电子竞争，N₂O还原酶在电子捕获中缺乏竞争优势；二是过量亚硝酸盐积累抑制N₂O还原酶活性。因此，可通过两种途径降低N₂O生成：(a)连续投加硝酸盐减少反硝化酶间电子竞争；(b)使用丙酸盐为碳源减少亚硝酸盐积累。