5影響城鎮(zhèn)污水廠N2 O排放量產(chǎn)生因素

大多數(shù)對(duì)于污水廠N2 O排放的監(jiān)測(cè)需要理清處理過(guò)程中N2 O觸發(fā)與排放機(jī)制。但由于現(xiàn)實(shí)中實(shí)際污水廠具有較高的處理能力，對(duì)于水質(zhì)水量波動(dòng)的耐沖擊性強(qiáng)，同時(shí)其水質(zhì)成分與水質(zhì)參數(shù)變化極其復(fù)雜，而全或反硝化過(guò)程不徹底的產(chǎn)物8-8。因此可從碳源，溶解氧濃度，溫度以及磁場(chǎng)強(qiáng)度4個(gè)影響因素進(jìn)行分析。

5.1碳源

碳源種類對(duì)于異養(yǎng)反硝化過(guò)程非常重要，碳源主要為甲醇、乙酸以及乙酸鈉。Park等研究表明，采用甲醇作為外部碳源，可以顯著降低污水處理中N2 O的排放比例，從原本總氮的4.5%下降到0.2%的低水平。然而，當(dāng)進(jìn)水中的化學(xué)需氧量與氮比率超過(guò)10，會(huì)刺激好氧反硝化細(xì)菌的增殖以甲醇作為外加碳源，從而提高N2 O的產(chǎn)率。Song等以乙酸鈉作為碳源的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其N2 O的生成速率低于使用甲醇的系統(tǒng)，但這種差異主要?dú)w因于不同碳源對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，使得在乙酸鈉系統(tǒng)內(nèi)的菌群具有更高的N2 O轉(zhuǎn)化速率，即更傾向于將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的N2。碳源會(huì)通過(guò)影響酶的基因序列，使N2 O產(chǎn)量出現(xiàn)差異。

Zhang等分別以乙酸鈉和甘露醇作為碳源，對(duì)比亞硝化過(guò)程N(yùn)2 O釋放量，發(fā)現(xiàn)以乙酸鈉為碳源時(shí)N2 O的轉(zhuǎn)化因子(N2 O總釋放量/TN去除量)高于甘露醇，發(fā)現(xiàn)甘露醇反應(yīng)器，Nos酶數(shù)量明顯高。由此推測(cè)，甘露醇可以降低高濃度亞硝酸積累對(duì)Nos酶的抑制作用，進(jìn)而減少N2 O產(chǎn)生。在反硝化過(guò)程中碳源缺乏會(huì)引起NO-2-N濃度的升高，進(jìn)而引起N2 O產(chǎn)生量的增加。

5.2溶解氧濃度

N2 O的排放量在硝化和反硝化過(guò)程中都受到溶解氧濃度的顯著影響。在傳統(tǒng)的生物脫氮工藝中，環(huán)境從好氧狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致N2 O產(chǎn)量驟增。在高溶解氧水平下，N2 O主要通過(guò)羥胺氧化途徑形成，在溶解氧含量較低的情況下，N2 O的生成常常通過(guò)促進(jìn)反硝化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溶解氧濃度上升時(shí)，將進(jìn)行硝化反應(yīng)，N2 O產(chǎn)生量減少。Wang等確認(rèn)了異養(yǎng)反硝化是主要的N2 O排放途徑，但也指出當(dāng)溶解氧超過(guò)1.0 mg/L時(shí)，會(huì)通過(guò)遏制亞硝酸鹽的還原速率，從而有效地控制N2 O的排放。在低溶解氧水平條件下，亞硝酸鹽氧化菌的代謝活性受限，為了防止體內(nèi)亞硝酸鹽氮的過(guò)度積累，細(xì)胞會(huì)激活異構(gòu)亞硝酸鹽還原酶，將其作為電子受體，從而促使N2 O的形成。Gong等研究發(fā)現(xiàn)，溶解氧對(duì)反硝化過(guò)程中N2 O的釋放影響顯著，當(dāng)溶解氧濃度低于0.7 mg/L時(shí)，N2 O的生成量呈現(xiàn)出明顯的氧氣濃度依賴性，但隨著溶解氧濃度的增加，N2 O的產(chǎn)量也隨之上升。

5.3溫度

溫度變化對(duì)污水處理中的N2 O排放具有顯著影響，多數(shù)研究表明，這種排放量往往隨溫度升高而增加，且敞開(kāi)式污水廠較封閉式污水廠水溫升高4.5℃，因此可通過(guò)璃鋼蓋板、反吊膜等輕質(zhì)材料加蓋加罩實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)保溫提效。王金鶴通過(guò)對(duì)山東三座應(yīng)用MBR技術(shù)的污水處理設(shè)施進(jìn)行全年的監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)在水溫上沒(méi)有明顯的N2 O排放關(guān)聯(lián)，不過(guò)冬季的排放量明顯超過(guò)其他季節(jié)，這說(shuō)明低溫環(huán)境可能阻礙了硝化反硝化的進(jìn)程，從而促進(jìn)了N2 O氣體的生成和逸出。

同時(shí)，溫度的提高會(huì)擾亂硝化與反硝化的動(dòng)態(tài)平衡，造成亞硝酸鹽水平上升。例如，當(dāng)污水廠水溫從25℃升高約10℃時(shí)，N2 O還原反應(yīng)得到促進(jìn)，但由于隨著溫度升高，N2 O的溶解度急劇降低，從而使氣態(tài)和液態(tài)N2 O一起排出。另外，升溫也會(huì)打破硝化反硝化的平衡，造成NO-2的積累，會(huì)在硝化和反硝化反應(yīng)中積累N2 O。Castro-Barros等研究發(fā)現(xiàn)，亞硝酸鹽在硝化體系內(nèi)的積聚會(huì)加劇N2 O的排放。

委燕等研究表明，高濃度的亞硝酸鹽是反硝化過(guò)程中N2 O生成和蓄積的關(guān)鍵因素。由此可知，亞硝酸鹽的積累會(huì)刺激N2 O的釋放行為。

5.4磁場(chǎng)強(qiáng)度

研究表明，在低溫度條件下，磁場(chǎng)對(duì)生物活性污泥的生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用。對(duì)廢水生化性能的作用體現(xiàn)在顯著提高了廢水的生化性能，這是因?yàn)樘岣吡嘶瘜W(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)和總氮(total nitrogen，TN)的去除率，從而降低N2 O的釋放。其作用原理涉及磁場(chǎng)如何改變微生物細(xì)胞膜的特性、影響細(xì)胞內(nèi)的磁力和電流傳導(dǎo)，進(jìn)而調(diào)控微生物的生命過(guò)程。Wang等運(yùn)用48.0 mT的靜態(tài)磁場(chǎng)，加速了污泥凝聚，增強(qiáng)了亞硝酸鹽氧化菌的活性及增殖。

Niu等的實(shí)驗(yàn)指出，磁場(chǎng)能夠提升微生物的耐寒能力，在低溫條件下，20~40 mT的磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌不飽和脂肪酸有促進(jìn)作用從而增強(qiáng)微生物活性。因此，利用外部磁場(chǎng)提高低溫條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，以及增強(qiáng)氨氮化微生物(ammonia oxidi-zing bacteria，AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(nitrite oxi-dizing bacteria，NOB)的功能，對(duì)減少低溫下的N2 O排放具有潛力。此外，磁場(chǎng)還被證實(shí)能有效增強(qiáng)低溫下硝化和反硝化酶的活性，有利于總氮和氨氮的去除。

6工程研究案例應(yīng)用

生化法處理城市污水N2 O排放在中國(guó)部分地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。西安的第四污水處理廠采用了先進(jìn)的ANNMOX技術(shù)，通過(guò)高精度的群落分析和定量PCR技術(shù)，從遺傳層面確認(rèn)了缺氧區(qū)NO2-N的主要去向源于短程反硝化過(guò)程。令人關(guān)注的是，亞硝酸鹽氧化菌的基因多樣性相較于氨氧化菌稍顯豐富，顯示該工藝在氮去除上的顯著效果。北京一家污水廠采用CANON工藝，針對(duì)城市生活污水進(jìn)行了中試。初始階段，80%的污水被送入序列間歇式活性污泥法(sequencing batch reactor，SBR1)進(jìn)行硝化步驟，隨后，經(jīng)過(guò)硝化處理的水與原水混合后再輸入SBR2，實(shí)施DEAMOX工藝。初期階段，隨著底物濃度的提升，NO2-N的積累率呈上升趨勢(shì);然而在后期階段，短程反硝化的動(dòng)態(tài)受底物供應(yīng)影響顯著。通過(guò)調(diào)整底物供應(yīng)策略，能夠快速恢復(fù)這一過(guò)程的效能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，NO2-N的累積峰值達(dá)到85%，同時(shí)，對(duì)NH+4-N的去除率超過(guò)95%，最終出水的總氮含量達(dá)到了準(zhǔn)四類水體排放標(biāo)準(zhǔn)，展現(xiàn)了該工藝的有效性和環(huán)保性。

7結(jié)論

中國(guó)對(duì)于處理污水廠N2 O起步較晚，且對(duì)于污水廠產(chǎn)生污泥利用率低于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家;氨氮化古菌和氨氧化細(xì)菌通過(guò)硝化反應(yīng)氧化生成N2 O，而反硝化過(guò)程中兼性厭氧菌將NO-2-N和NO-3-N還原成N2 O和N2。不同工藝在硝化和反硝化處理過(guò)程中排放N2 O存在較大差異，CANON工藝是目前生化法脫氮效率最高的工藝;碳源、溶解氧濃度、溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度均會(huì)影響污水廠N2 O產(chǎn)生，通過(guò)研究N2 O產(chǎn)生機(jī)理，典型工藝及影響因素3個(gè)方面為未來(lái)優(yōu)化污水處理廠處理排放產(chǎn)生的N2 O提供參考。中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)對(duì)于排放出的N2 O研究?jī)?nèi)容可以從以下方面加強(qiáng)。

(1)溫度影響N2 O的產(chǎn)生機(jī)理沒(méi)有準(zhǔn)確定論，無(wú)法確定溫度改變是改變了酶活性還是硝化反硝化反應(yīng)平衡;此外可通過(guò)物理方法:如混凝土澆筑封閉，水源加熱等方式降低N2 O排放強(qiáng)度，但需注意安全性。

(2)實(shí)驗(yàn)室中碳源對(duì)N2 O排放產(chǎn)生的影響可能不適用于全面實(shí)踐工程，有待于在工程實(shí)踐中進(jìn)一步研究;此外研究新型復(fù)合型碳源也是未來(lái)實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要突破的方向。

(3)CANON工藝對(duì)于去除N2 O有較好的效果，但需要防止反應(yīng)中pH過(guò)低使NH2 OH和HNO2反應(yīng)生成N2 O，也可通過(guò)門(mén)控神經(jīng)單元(gated recurrentunit，GRU)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)等模型預(yù)測(cè)優(yōu)化工藝，為污水處理廠實(shí)際生產(chǎn)中的N2 O排放減量提供理論支撐。

(4)目前，針對(duì)污水處理廠N2 O排放的研究多基于N2 O自身性質(zhì)和生物脫氮過(guò)程，鮮少與其他因素協(xié)同考慮，城鎮(zhèn)污水廠N2 O減排可從優(yōu)化工藝流程，精細(xì)化運(yùn)營(yíng)管理等多方面實(shí)行，此外副產(chǎn)物處理以及N2 O再利用亦可作為未來(lái)研究方向。