摘要:


酸性pH条件此前被发现会促进废水生物处理中异养反硝化过程中的氧化亚氮（N2O）积累。然而，这一现象的机制仍需阐明。本研究以富集的甲醇利用型反硝化菌群为例，系统研究了pH（6.0–9.0）对以N2O为唯一电子受体时的N2O还原动力学的影响，以及pH对以N2O作为硝酸盐还原中间产物时的N2O积累的影响。同时考察了pH对硝酸盐和亚硝酸盐还原的依赖性。在整个研究pH范围内，最大生物量特异性N2O还原速率均高于相应的最大硝酸盐和亚硝酸盐还原速率。然而，最大生物量特异性N2O还原速率在最优pH范围（7.5–8.0）之外对pH变化的敏感性远高于硝酸盐和亚硝酸盐还原速率。N2O还原酶的半饱和系数随pH从6.0升至9.0，从0.10 mg N2O-N/L增加至0.92 mg N2O-N/L。在pH 6.0时，分别在有甲醇（作为外源碳源）和无甲醇条件下，反硝化产生的硝酸盐中有约20%和40%以N2O形式积累；而在pH 6.5时，这些比例分别降至0%和30%。在pH 7.0至9.0范围内，无论甲醇是否可用，均未观察到N2O积累。这些结果表明，在低pH条件下，不同氮氧化物还原酶之间对电子的竞争可能在N2O积累中起作用。


1.引言


反硝化是全球氮循环的内在组成部分。完整的异养反硝化包括从硝酸盐（NO3⁻）到亚硝酸盐（NO2⁻）、一氧化氮（NO）、氧化亚氮（N2O）最终到氮气（N2）的序列还原反应。参与这些过程的四种酶分别为：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（Nos）。作为中间产物，N2O在特定条件下可积累并随后释放到大气中。这尤其引发环境关注，因为N2O是一种强效温室气体，其100年内的全球变暖潜能是CO2的约300倍（IPCC,2007）。此外，N2O还被认为是21世纪主要的臭氧消耗物质（Ravishankara et al.,2009）。


在污水处理厂（WWTP）中，由于缺乏主动stripping，缺氧区/阶段中的N2O排放相对较小（Ahn et al.,2010;Foley et al.,2010）。然而，如果反硝化过程中产生N2O积累，其在好氧区/阶段初期可能被显著剥离。当发生同步硝化反硝化（SND）时，反硝化产生的N2O也可能被剥离（Zeng et al.,2003）。已报道导致反硝化过程中N2O积累的因素包括：低pH（Hanaki et al.,1992;Thorn and Sorensson,1996）、低化学需氧量与氮比值（COD/N）（Chung and Chung,2000;Kishida et al.,2004）、内部储存物质的消耗（Schalk-Otte et al.,2000）、高浓度游离亚硝酸（Zhou et al.,2008）或H2S（Schonharting et al.,1998）以及低溶解氧（DO）浓度（Otte et al.,1996;Tallec et al.,2008）。碳源类型也影响N2O积累（Lu and Chandran,2010）。


在这些因素中，低pH被认为是导致反硝化中N2O积累的重要胁迫因子（Hanaki et al.,1992;Thorn and Sorensson,1996）。Hanaki等（1992）使用污水厂回流活性污泥观察到，pH 6.5时的N2O积累显著高于pH 7.5；而pH 7.5和8.5之间差异较小。Thorn and Sorensson（1996）使用中试厂活性污泥发现，pH 6.0时超过40%的反硝化硝酸盐以N2O形式积累，pH低于5.0时几乎100%积累。土壤中N2O产生的研究较为广泛，因为土壤贡献了大气中约65%的N2O排放（Van Den Heuvel et al.,2011）。普遍认为，反硝化产生的含氮气体中N2O比例随pH降低而增加（Koskinen and Keeney,1982;Simek and Cooper,2002;Van Den Heuvel et al.,2011）。然而，其机制仍不明确，需进一步阐明。


本研究旨在更好地理解pH影响N2O积累的内在原因。为此，在不同pH条件下研究了以N2O为唯一电子受体时的N2O还原过程，以及硝酸盐还原过程中N2O积累的过程。污水处理厂的操作pH通常为6.5–8.5（Metcalf&Eddy,Inc.,2003），但在某些情况下可能略微超出此范围。因此，本研究选择了较宽的pH范围（6.0–9.0）以覆盖可能的情况。特别系统研究了最大生物量特异性N2O还原速率（km,N2O）和Nos对N2O的半饱和系数（KS,N2O）。同时，还研究了pH对硝酸盐和亚硝酸盐还原的依赖性。本研究使用富集的甲醇利用型反硝化菌群。甲醇是污水处理厂中常用的外源碳源，用于增强反硝化，either作为主反应器的补充碳源（Ginige et al.,2009）或作为单独后反硝化系统的唯一碳源（Baytshtok et al.,2009;Mokhayeri et al.,2009）。因此，深入理解pH对甲醇利用型反硝化菌产生N2O的影响，不仅有助于揭示pH对N2O产生的一般效应，还对接收甲醇的污水处理厂操作具有重要实践意义。


2.材料与方法


2.1.反应器设置与操作


利用从澳大利亚布里斯班一家生活污水处理厂取得的污泥接种，在一个8L序批式反应器（SBR）中富集甲醇利用型反硝化菌群。反应器在室温（22.0–23.0°C）下运行，周期为6小时，包括：40分钟缺氧进料与反应、240分钟缺氧反应、9分钟曝气（以剥离反硝化产生的氮气并改善沉降）、6分钟排泥、60分钟沉降和5分钟排水。每周期缓慢泵入2L合成废水，沉降后排出1.8L上清液，使水力停留时间（HRT）为24小时。沉降前排出200mL混合液，以保持污泥停留时间（SRT）约10天。SBR运行由可编程逻辑控制器（PLC）自动控制。使用miniCHEM-DO2和pH探头在线连续监测DO浓度和pH。通过添加0.5M盐酸储备液将pH自动控制在7.2±0.1。还使用微传感器定期监测反应器中的液相N2O（见2.4节）。此外，每周通过在整个6小时周期内每30分钟取样测量铵、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐和甲醇浓度进行周期研究。每周测量混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度。系统运行超过一年以达到稳态，硝酸盐和甲醇去除率均》99%。


所用合成废水进料包含1.82L溶液A和0.18L溶液B。溶液A包含（每升）：1.348g NaNO3；0.222g MgSO₄·7H₂O；0.022g CaCl₂·2H₂O；0.192g K₂HPO₄；0.314g NH₄Cl和2.2mL营养液。溶液B包含（每升）：7.4mL甲醇。营养液包含（每升）：1.5g FeCl₃·6H₂O；0.15g H₃BO₃；0.03g CuSO₄·5H₂O；0.18g KI；0.12g MnCl₂·4H₂O；0.06g Na₂MoO₄·2H₂O；0.12g ZnSO₄·7H₂O；0.15g CoCl₂·6H₂O；10g乙二胺四乙酸（EDTA）。完整进料包含200mg N/L的硝酸盐和800mg/L的甲醇化学需氧量（COD）。