楊慶團隊：城鎮(zhèn)污水處理生物濾池工藝中一氧化二氮釋放問題的研究新進展

　　近日，《凈水技術(shù)》小編關(guān)注到，北京工業(yè)大學楊慶教授團隊在城鎮(zhèn)污水處理生物濾池工藝中N2O釋放問題的研究上取得了新的進展，成果以“Impact of gas-water ratios on N2O emissions in biological aerated filters and analysis of N2O emissions pathways”發(fā)表于Science of the Total Environment期刊（IF：6.551）。凈水技術(shù)特邀請楊慶教授結(jié)合以往團隊研究進行整理，分享城鎮(zhèn)污水處理生物濾池工藝中N2O釋放問題研究成果，以期為今后N2O的解決技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

　　研究背景簡介

　　一氧化二氮（N2O）作為一種典型的溫室氣體，會引起全球變暖和臭氧層破壞。對全球N2O釋放進行核算發(fā)現(xiàn)，全球3.4%的N2O來源于污水生物處理過程，因此有必要深入探究污水生物處理過程中N2O的釋放途徑，優(yōu)化工藝運行減緩溫室效應(yīng)。

　　如圖1所示，在污水生物脫氮過程中，N2O產(chǎn)生途徑主要包括硝化細菌的反硝化作用和羥胺氧化作用，以及異養(yǎng)反硝化菌的不完全反硝化。在生物膜內(nèi)部，氮素和溶解氧等反應(yīng)基質(zhì)分布不均勻，導致好氧菌和厭氧菌通常分布在生物膜的不同厚度上。因此，與活性污泥相比，生物膜中N2O的釋放機制更加復雜。目前，普遍采用模型預測生物膜系統(tǒng)中N2O的釋放量，但是模型預測得到的結(jié)果可能會與實際系統(tǒng)測定的結(jié)果存在差異，因此通過試驗探究生物膜系統(tǒng)中的N2O釋放情況、解析N2O生成途徑是十分必要的。

　　好氧生物濾池（BAF）是一種典型的生物膜工藝，其具有占地面積小、處理水量大以及抗沖擊負荷能力強等優(yōu)勢。氣水比是調(diào)控好氧生物濾池的基本運行參數(shù)之一。因此，本文探究了不同氣水比下BAF中N2O的釋放量變化，并解析了N2O生成途徑，為BAF工藝在城市污水處理中的優(yōu)化運行提供理論參考。

　　主要研究內(nèi)容

　　在實驗室內(nèi)構(gòu)建了兩個有效容積為18.4 L的BAF（圖2），其中BAF1主要發(fā)生硝化反硝化反應(yīng)，BAF2主要發(fā)生硝化厭氧氨氧化（Anammox）反應(yīng)。兩個系統(tǒng)串聯(lián)處理實際生活污水，調(diào)控不同的氣水比長期運行。每天監(jiān)測兩個系統(tǒng)的進出水水質(zhì)，定期測定氣態(tài)N2O和濾池沿程不同高度出水的溶解態(tài)N2O濃度變化。設(shè)置不同底物和不同溶解氧濃度條件下的間歇試驗，采用穩(wěn)定比同位素、NO和N2O微電極在線監(jiān)測與實時熒光定量PCR技術(shù)，開展了以下三方面內(nèi)容的探究：

　?。?） 揭示氣水比對不同BAF中N2O釋放量的影響；

　　（2） 解析兩個不同BAF中N2O的生成途徑；

　　（3） 比較不同BAF中N2O釋放量的差異。

重點亮點簡介

　　3.1 不同氣水比條件下BAF的脫氮效果

　　控制BAF1的氣水比分別為10:1、5:1和2.5:1，BAF2的氣水比分別為5:1和1.5:1。圖3表明對于BAF1，在氣水比為10:1和5:1時，氨氮去除率（ARE）均達到53.0%，而在氣水比為2.5:1時僅有19.4%。在氣水比為5:1時，總無機氮去除率（TINRE）最高，達到35.7%。對于BAF2，兩個氣水比下ARE均達到90%以上，而在氣水比為1.5:1時，TINRE較高，達到23.2%。

　　3.2 氣水比對BAF中氣態(tài)N2O釋放量的影響

　　通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，BAF1和BAF2中氣態(tài)N2O釋放量均隨氣水比的降低而下降。在BAF1中，氣水比為10:1時，氣態(tài)N2O濃度達到32.1~45.7 ppm，在氣水比為10:1和5:1時ARE相近，氣水比為5:1時TINRE較高，但是在氣水比為10:1時，N2O/ΔNH4+-N和N2O/ΔTIN 卻最高，說明氣水比會影響系統(tǒng)的反應(yīng)活性和N2O釋放途徑。在BAF2中，氣水比從5:1下降至1.5:1，N2O/ΔNH4+-N從1.22%下降至0.35%，N2O/ΔTIN從4.78%下降至1.16%，且?guī)缀鯚o反硝化作用發(fā)生，說明氣水比影響硝化細菌的反硝化作用和羥胺氧化作用從而影響N2O釋放。

　　3.3 N2O釋放途徑分析

　　間歇試驗結(jié)果如圖5所示，在BAF1中羥胺氧化過程和好氧氨氧化過程會釋放大量的N2O，穩(wěn)定比同位素結(jié)果也驗證了這兩條產(chǎn)生途徑（表1）。間歇試驗（d）和（e）均有N2O的釋放，且間歇試驗（e）測定的N2O sp值為-0.604，說明異養(yǎng)反硝化作用也會生成N2O。此外，間歇試驗（d）和（e）中的N2O變化趨勢顯示，當N2O累積至一定濃度時會被還原，說明在BAF1中異養(yǎng)反硝化作用也能夠還原N2O。雖然在不同間歇試驗中，反應(yīng)的初始氮素濃度存在差異，但是通過計算間歇試驗反應(yīng)至120 min時的ΔN2O/ΔN發(fā)現(xiàn)（表2），間歇試驗（b）的ΔN2O/ΔN值高于間歇試驗（d）、（e）和（g），說明硝化細菌的反硝化作用會比異養(yǎng)反硝化作用釋放更多的N2O。另外，通過比較間歇試驗（b）和（f）中溶解態(tài)N2O濃度的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，即使在好氧條件下異養(yǎng)反硝化作用也會產(chǎn)生N2O。所以，BAF1中N2O來源于硝化細菌的反硝化作用，羥胺氧化作用以及異養(yǎng)反硝化作用。

　　在BAF2中，間歇試驗結(jié)果顯示N2O來源于硝化細菌的反硝化作用和羥胺氧化作用，在好氧條件下幾乎不發(fā)生異養(yǎng)反硝化作用。對BAF2中生成的氣態(tài)產(chǎn)物直接進行N2O穩(wěn)定比同位素分析表明（表1），在氣水比為5:1時，53.7%的N2O來源于硝化細菌的反硝化作用，46.3%的N2O來源于羥胺氧化作用，而當氣水比下降至1.5:1時，羥胺氧化作用釋放的N2O的比例下降至12.2%，說明氣水比會影響B(tài)AF2中N2O的生成途徑。但是，氣水比為1.5:1時N2O的生成濃度僅為氣水比為5:1時N2O生成濃度的50%，說明在氣水比下降時源于硝化細菌反硝化作用的N2O生成量也有所下降。

　　前期有報道發(fā)現(xiàn)，較高的好氧氨氧化速率會誘導較高的N2O產(chǎn)生速率，此外，在BAF2中，提高曝氣量會促進NH4+-N向生物膜內(nèi)部擴散，而生物膜內(nèi)部的低DO環(huán)境亦會促進硝化細菌的反硝化作用產(chǎn)生N2O。所以，在BAF2中高氣水比下N2O釋放量較高。對氮素轉(zhuǎn)化功能基因進行定量發(fā)現(xiàn)（圖6），在BAF2中氣水比為1.5:1時，參與Anammox反應(yīng)的功能基因hzsB的豐度明顯上升，單位質(zhì)量生物膜中基因拷貝數(shù)超過107，說明低氣水比有利于提高Anammox反應(yīng)活性，提高系統(tǒng)的自養(yǎng)脫氮能力，而厭氧氨氧化菌與好氧氨氧化菌對NH4+-N的競爭也會削弱硝化細菌的反硝化作用，降低N2O排放。所以，通過強化BAF中的Anammox作用既可以提高脫氮效果，又可以實現(xiàn)N2O減排。

　　3.4 不同BAF中N2O釋放的比較

　　在氣水比均為5:1時，BAF1和BAF2中的氨氮去除量相近，但是BAF2中氣態(tài)N2O釋放量更高，說明在BAF2中，高DO濃度導致好氧氨氧化速率更高，N2O釋放量更高，而在BAF1中，異養(yǎng)反硝化作用會還原N2O，導致系統(tǒng)N2O釋放量下降。對于溶解態(tài)N2O，在BAF1的整個濾層中都存在硝化反應(yīng)，并伴隨著N2O的產(chǎn)生。BAF1的出水是BAF2的進水，在BAF2中反應(yīng)主要發(fā)生在濾層下部40 cm范圍內(nèi)，生成大量的N2O，所以BAF2下部的溶解態(tài)N2O濃度高于BAF1。而在曝氣吹脫作用下，在濾池上部的部分溶解態(tài)N2O會轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)N2O，最終導致BAF2出水中溶解態(tài)N2O濃度低于BAF1。

　　結(jié)論

　　1、在硝化反硝化生物濾池和好氧自養(yǎng)脫氮生物濾池處理生活污水時，N2O釋放量均隨氣水比的升高而上升。

　　2、在BAF1中，N2O產(chǎn)生于硝化細菌的反硝化作用、羥胺氧化作用和異養(yǎng)反硝化作用，氣水比為5:1有利于系統(tǒng)脫氮和N2O減排。

　　3、在BAF2中，N2O產(chǎn)生于硝化細菌的反硝化作用和羥胺氧化作用，在氣水比為1.5:1時，87.8%的N2O來源于硝化細菌的反硝化作用。

　　4、硝化細菌的反硝化作用比異養(yǎng)反硝化作用更容易誘導N2O的釋放，導致在相同氣水比下BAF2中N2O釋放量高于BAF1.

編輯：王媛媛