污水生物處理過程氧化亞氮的形成及減量工藝
隨著全球變暖問題越來越受到人們的關注，減臭氧發(fā)生化學反應，從而破壞臭氧層。N2O的產(chǎn)生來源于自然過程和人為排放。自然排放源占57%，主要包括海洋和土壤微生物的活動；人為排放源占43%，主要包括農(nóng)田氮肥施用、化石燃料燃燒、廢棄物和廢水生物轉化、生物質燃燒等。
生物脫氮是污水處理廠常見的脫氮工藝，N2O會在生物脫氮過程中產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)在硝化階段和反硝化階段都會產(chǎn)生N2O，硝化過程中N2O來自羥胺（NH2OH）少溫室氣體的排放和增加溫室氣體的吸收正成為研究熱點。氧化亞氮（N2O）是《聯(lián)合國氣候變化框架公約》京都議定書中規(guī)定控制的6種溫室氣體之一，其溫室效應作用力是二氧化碳（CO2）的298倍，N2O擴散進入平流層會與的不完全氧化，而反硝化過程中N2O作為反硝化的中間產(chǎn)物被釋放出來。雖然反硝化過程會造成N2O的釋放，但是完全反硝化過程可以將N2O還原為氮氣（N2），所以其也被認為是目前為止污水處理過程N2O唯一的匯。
生物脫氮過程離不開微生物的參與，能夠進行硝化反應的微生物包括氨氧化細菌（ammonia-oxidizingbacterium，AOB）、氨氧化古菌（ammonia-oxidizingarchaea，AOA）、亞硝酸鹽氧化菌（nitrite-oxidizingbacterium，NOB）以及厭氧氨氧化菌（Anammox）等，反硝化微生物主要包括好氧反硝化菌（aerobicdenitrifier）、自養(yǎng)反硝化菌（autotrophicdenitrifier）和反硝化聚磷菌（denitrifyingphosphate-removalbacterium，DPB）等。雖然反硝化被認為是污水處理N2O唯一的匯，但并不是所有反硝化菌都能夠將硝酸鹽完全反硝化為N2.很多反硝化菌由于缺乏氧化亞氮還原酶（nitrousoxidereductase，NOS），其反硝化只能進行到N2O這一步，這樣就造成了N2O的積累和釋放。典型缺乏NOS的反硝化細菌有紅球菌屬（Rhodococcus）、諾卡菌屬（Nocardioides）和放線菌屬（Actinomadura）等。如何提高具有NOS的反硝化菌活性和抑制缺乏反硝化還原酶系統(tǒng)的反硝化菌生長是緩解污水N2O釋放的重要措施。
目前關于污水處理過程中削減N2O的釋放策略主要圍繞兩個方面：一是通過調整運行參數(shù)降低N2O的產(chǎn)生；二是通過提高完全反硝化進程增加N2O的消耗。反硝化過程作為污水處理過程N2O的匯，具備更高的N2O減量化潛力，如何高效利用反硝化促進N2O的減量是研究熱點。本文對污水生物處理過程中硝化和反硝化兩個過程N2O產(chǎn)生機理及影響因素進行綜述分析，探討污水生物處理N2O減量策略，以期為緩解污水生物處理過程中N2O的釋放理論研究與技術開發(fā)提供借鑒。
1、污水處理過程中產(chǎn)生N2O微生物的特性
污水生物處理系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生N2O的微生物種類有很多，不同類型的微生物產(chǎn)生N2O的方式會有所不同（表1）。
1.1 氨氧化細菌（AOB）
AOB是革蘭氏陰性菌，化能自養(yǎng)型菌，屬于變形菌門，可進一步分成α、β、γ、Δ和ε變形細菌。AOB能夠產(chǎn)生氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧化還原酶（HAO），可以利用AMO將銨根離子（NH4+）氧化為羥胺（NH2OH）后進一步利用HAO將NH2OH氧化為亞硝酸根（NO2-），具體反應如方程（1）（2）。AOB在硝化過程會因為NH2OH不完全氧化而產(chǎn)生N2O，AOB也能夠進行反硝化作用，但是AOB不具備NOS編碼基因，也就意味著AOB只能將硝酸鹽還原為N2O而不能還原為N2，這會導致大量N2O的產(chǎn)生。
1.2 氨氧化古菌（AOA）
AOB并不是唯一能夠進行氨氧化的微生物，AOA被證實具有氨氧化基因，也能夠進行氨氧化。雖然AOA占比只有AOB的1/10到1/100，但是AOA適應環(huán)境的能力更強且分布更廣泛，在低溫或低溶解氧的極端環(huán)境條件下依舊能夠發(fā)現(xiàn)AOA的存在。然而與AOB硝化作用不同，AOA并不含有HAO和細胞色素P460（cytP460），AOA氧化NH2OH的過程目前還不清楚。雖然現(xiàn)在還不明確AOA通過什么方式產(chǎn)生N2O，但是已經(jīng)檢測到其在硝化過程中產(chǎn)生了N2O。
1.3 厭氧氨氧化菌（Anammox）
厭氧氨氧化菌氨氧化作用不同于硝化作用的氨氧化，厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽作為電子受體氧化NH4+，以碳酸氫鹽（HCO3-）或CO2作為碳源，最終產(chǎn)物為N2.由于厭氧氨氧化工藝是化能自養(yǎng)過程，不需要消耗外來有機碳源，所以被認為是一種更經(jīng)濟有效的污水脫氮技術，并被廣泛用于處理高氨氮污水處理。雖然目前并無研究明確闡明厭氧氨氧化是如何產(chǎn)生N2O的，但是在厭氧氨氧化處理過程中檢測到大量N2O的產(chǎn)生。
1.4 完全氨氧化菌（Comammox）
在完全氨氧化菌未被發(fā)現(xiàn)之前，人們一直認為微生物硝化過程是兩種菌的兩個過程，即NH4+首先被氨氧化菌氧化到NO2-，然后由NOB氧化NO2-到硝酸鹽（NO3-）。但是2015年發(fā)表在《Nature》的一篇論文報道了完全氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)，該菌能夠獨立將NH4+氧化為NO3-。完全氨氧化菌也會在硝化過程中通過NH2OH不完全氧化產(chǎn)生N2O，但其產(chǎn)生N2O的量低于氨氧化菌產(chǎn)生的量，與AOA產(chǎn)生的量相當。有文獻指出完全氨氧化菌之所以產(chǎn)生較少的N2O是因為其能夠獨自將NH4+氧化為NO3-，中間避免了NO2-的積累，從而減少了N2O的產(chǎn)生和釋放。
1.5 好氧反硝化菌
好氧反硝化菌在自然環(huán)境中分布廣泛，且種類繁多，包括副球菌屬（Paracoccus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes）、不動桿菌屬（Acinetobacter）、克雷伯氏菌屬（Klebsiella）、紅球菌屬以及鹵單胞菌屬（Halomonas）等。好氧反硝化菌屬于異養(yǎng)反硝化菌，需要有機碳源提供電子，能夠在好氧條件下在細胞周質中進行反硝化。好氧反硝化菌具有與缺氧反硝化菌同樣的反硝化系統(tǒng)，但因好氧反硝化菌不需要嚴格缺氧環(huán)境，而且大多數(shù)好氧反硝化菌都可以進行硝化作用，這也就意味著好氧反硝化菌既能通過硝化過程的NH2OH不完全氧化產(chǎn)生N2O，也能通過反硝化產(chǎn)生N2O。
1.6 自養(yǎng)反硝化菌
自養(yǎng)反硝化細菌是化能自養(yǎng)型細菌，可以利用氫、硫化物或亞鐵離子（Fe2+）作為電子供體進行反硝化，將硝酸鹽還原為N2.由于其可以利用無機碳源作為電子供體進行反硝化，所以自養(yǎng)反硝化工藝被認為可以用于低碳氮比（C/N）污水的脫氮處理。雖然自養(yǎng)反硝化過程可以實現(xiàn)低有機物、高氨氮負荷運行，但是其過程同異養(yǎng)反硝化一樣依然會產(chǎn)生中間產(chǎn)物N2O。而且有研究發(fā)現(xiàn)，硫化物或Fe2+驅動的自養(yǎng)反硝化過程會增加N2O的釋放，主要原因是以硫化物為電子供體的自養(yǎng)反硝化的N2O還原速率相對較低。
1.7 反硝化聚磷菌（DPB）
DPB是一種可以兼顧反硝化脫氮和除磷的微生物，且其活性不受溶解氧的影響。DPB可以實現(xiàn)在一個細胞內利用碳源同時進行脫氮除磷，解決了傳統(tǒng)脫氮除磷之間的碳源競爭和污泥齡（SRT）之間的矛盾問題，進而達到更經(jīng)濟更高效的脫氮除磷效率。雖然DPB在反硝化過程也會產(chǎn)生N2O，但是在足夠碳源存在以及低亞硝酸鹽濃度情況下，DPB能夠有效降低N2O的釋放。
2、N2O的形成機理
2.1 好氧硝化過程N2O形成機理
硝化細菌在好氧環(huán)境中可以利用HCO3-或CO2為碳源氧化NH4+生成NO2-和NO3-，在硝化過程中AOB和AOA將NH4+在AMO作用下氧化生成NH2OH，NH2OH在HAO作用下被氧化為NO2-，NOB利用亞硝酸氧化還原酶（NOR）將NO2-氧化為NO3-。在硝化過程中會造成NH2OH不完全氧化生成N2O，當受到環(huán)境及生物本身因素的影響時NH2OH會氧化為硝?；?/span>NOH），進而水解為N2O（圖1）。AOB和AOA都能通過產(chǎn)生膜內酶AMO和膜外周質酶HAO進行氨氧化作用，其中編碼AMO功能基因是amoA、amoB和amoC，編碼HAO的功能基因是hao、cycA和cycB；NOB產(chǎn)生的NOR分為細胞周質NOR和細胞質膜NOR，編碼NOR的功能基因為norA和norB。
在硝化階段能夠產(chǎn)生N2O的原因是NH2OH的不完全氧化，而參與這個過程的酶是HAO，HAO屬于多血紅素蛋白酶，每個單體含有7個電子轉移血紅素和1個催化血紅素，存在于細胞膜外周質中。HAO單體之間通過Tyr殘基和相鄰亞基的催化血紅素部分之間獨特的雙交聯(lián)共價連接，而根據(jù)交聯(lián)缺失情況可以分為氧化型HAOs和還原性HAOr，HAOr將NO2-還原為NO，也將NO和NH2OH還原為非生理底物。一直以來人們認為HAO直接將NH2OH氧化為NO2-，然而有研究認為HAO只能把NH2OH氧化為NO。鐵離子（Fe2+、Fe3+）會促進HAO活性，且隨Na+和K+的增加而增加，但是Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ca2+、Ba2+均會抑制HAO活性。
2.2 缺氧反硝化過程N2O形成機理
在缺氧環(huán)境中，反硝化細菌利用有機碳源提供的電子還原硝酸鹽最終生成N2，首先NO3-在硝酸鹽還原酶（NAR）作用下被還原為NO2-，NO2-在亞硝酸鹽還原酶（NIR）作用下還原為NO，NO在一氧化氮還原酶（Nor）作用下被還原為N2O，N2O在NOS作用下被還原為N2.反硝化過程既會產(chǎn)生N2O，也會消耗N2O，N2O產(chǎn)生與消耗的不平衡造成了N2O的積累（圖1）。完全反硝化過程是由4種反硝化酶來完成的，其中編碼NAR的基因是narGHJI；編碼NIR的功能基因有兩個，分別為nirK和nirS；編碼Nor的功能基因為norBC；編碼NOS的功能基因為nosZ。雖然大多數(shù)反硝化細菌具備完整的反硝化酶系統(tǒng)，但是電子分配的不均衡會致使N2O還原過程受阻，從而導致N2O的積累并釋放。有一些反硝化細菌如紅球菌屬、諾卡菌屬和放線菌屬的菌株缺乏編碼NOS基因，所以這些菌只能將NO3-還原到N2O這一步，這也就導致了N2O的釋放。雖然反硝化過程會產(chǎn)生N2O，但是反硝化過程是現(xiàn)在唯一已知能夠消耗N2O的過程。
在反硝化階段能夠影響N2O產(chǎn)生的酶有NAR、NIR、Nor、NOS這4種酶，其中Nor產(chǎn)生N2O，NOS還原N2O為N2，消耗N2O。細菌和真菌中含有的Nor是不同的，具有反硝化功能的真菌中的Nor屬于細胞色素P-450一族，而反硝化細菌中的Nor表現(xiàn)出與血紅素/銅細胞色素氧化酶相似的特征，且細菌中的Nor有兩個分支，分別為喹啉（qNor）和細胞色素C。Nor利用鐵作為其活性中心元素，將兩個NO還原為一個N2O。與Nor不同，并不是所有反硝化細菌都含有NOS，如紅球菌屬、諾卡菌屬和放線菌屬的多數(shù)菌株，這也是造成N2O積累釋放的原因之一。Zumft等人在1982首次提純了NOS，并鑒定其為多銅蛋白。NOS具有兩個Cu活性中心，分別為雙核CuA中心和硫化物橋接的四核銅中心（CuZ）組成的六銅原子雙中心酶。NOS作為反硝化過程的最后一個酶，也是降解N2O唯一已知的酶，其對于減少污水處理過程中N2O的釋放至關重要。
2.3 其他過程N2O的形成
除了硝化過程和反硝化過程會產(chǎn)生N2O外，在厭氧氨氧化系統(tǒng)中也檢測到了大量N2O氣體產(chǎn)生，但是現(xiàn)在并沒有直接的證據(jù)證明厭氧氨氧化過程會產(chǎn)生N2O（圖1），而且到目前為止還無法通過純培養(yǎng)技術獲得單一厭氧氨氧化菌，這也就意味著驗證厭氧氨氧化過程能否產(chǎn)生N2O以及如何產(chǎn)生N2O會更加困難。
3、N2O減量策略
N2O減量化策略主要是針對影響N2O產(chǎn)生和釋放因素進行優(yōu)化調整，最終實現(xiàn)N2O減量（表2）。除了傳統(tǒng)的生化分析外，組學手段也被廣泛應用于N2O減量策略的分析研究。
3.1 優(yōu)化工藝參數(shù)
不同污水處理工藝產(chǎn)生N2O的情況不同，有研究表明相較于A/O工藝和SBR工藝，氧化溝工藝產(chǎn)生的N2O更少。雖然利用SBR反應器處理污水能夠高效去除COD并且能夠同時脫氮除磷，但是其好氧階段會產(chǎn)生大量N2O，有研究表明通過取消厭氧階段和延長閑置時間保障了生物營養(yǎng)物質去除的同時減少了N2O的釋放。缺氧反硝化過程雖然能夠將N2O還原為N2，但是也被觀察到N2O大量釋放的情況，而延長缺氧階段的水力停留時間被認為能降低N2O的積累。
C/N會嚴重影響異養(yǎng)反硝化過程，低C/N會降低反硝化速率，原因在于異養(yǎng)反硝化過程需要碳源來提供電子，NOS無法獲得充足電子而失活，增加N2O的積累，所以提高C/N將有利于緩解N2O的釋放。進水C/N也會影響好氧硝化過程N2O的釋放，進水C/N越低N2O釋放量也會越高。有研究發(fā)現(xiàn)在短程硝化過程中，隨進水氨負荷增加，N2O的釋放也會隨之增加。微生物代謝不同類型碳源的速率不同，產(chǎn)生電子能力不同，從而導致添加不同碳源下異養(yǎng)反硝化過程N2O的釋放量有所不同。研究表明乙酸作為碳源較乙醇會產(chǎn)生更多的N2O，甲醇作為碳源比其他長鏈碳化合物更適合減少N2O釋放。
溶解氧會影響N2O的產(chǎn)生，低溶解氧會導致好氧硝化過程NH2OH不完全氧化，造成N2O的產(chǎn)生，但也有研究表明短期低溶解氧會造成N2O增加，而經(jīng)長期低溶解氧馴化后，AOA/AOBamoA基因豐度增加，降低了N2O的產(chǎn)生。氧的存在會抑制NOS活性，從而造成N2O積累，所以在缺氧到好氧過渡階段會導致大量N2O釋放?？梢酝ㄟ^控制溶解氧來調節(jié)反硝化細菌、AOB和NOB豐度，當溶解氧為1.6mg/L時，增加了反硝化細菌和NOB豐度，緩解了N2O釋放。所以在污水處理工藝中控制溶解氧對于緩解N2O的釋放意義重大。
提高溫度對好氧硝化過程N2O的釋放有積極的作用，溫度升高會直接促進N2O的釋放。溫度還會影響反硝化酶活性，溫度越低反硝化酶活性越低，溫度升高會提高反硝化速率，同時降低N2O的積累。
pH值也會影響硝化過程N2O的釋放，研究表明高pH值（7.5-7.6）下N2O釋放量低于低pH值（6.6-7.1）釋放量。pH值也會影響NOS活性，在pH值為6.5-8范圍內，NOS活性隨pH值升高而增加，也就意味著高pH值有利于降低N2O的釋放。
污泥齡的長短是保持活性污泥活性的重要參數(shù)，污泥齡太短將導致世代時間長的微生物難以成為優(yōu)勢種屬。有研究表明，污泥齡越長將產(chǎn)生更少的N2O，因為污泥齡長的系統(tǒng)具有更高的NOS基因豐度，所以延長污泥齡將有助于增加含NOS基因的反硝化細菌比例。
3.2 調整微生物群落結構
無論是硝化過程還是反硝化過程都是由微生物完成的，所以優(yōu)化微生物結構也將有利于緩解N2O的產(chǎn)生和釋放，也就意味著增加具有完整反硝化酶系統(tǒng)的反硝化細菌豐度或減少缺乏NOS基因的反硝化細菌豐度也必定有利于緩解N2O的釋放。16SrRNA基因測序和宏基因組測序技術的應用幫助了研究人員對微生物種類及微生物群落結構變化的認識，促進了對污水處理過程中微生物產(chǎn)生N2O機理的研究。在很多關于N2O減量的研究中發(fā)現(xiàn)，有效的減量化措施都會導致具有完整反硝化酶系統(tǒng)的反硝化細菌豐度增加，而在N2O增加的措施中缺乏NOS基因的反硝化細菌會增加。也有研究發(fā)現(xiàn)添加具有N2O消除能力的細菌或者馴化富集具有能夠消除N2O的菌群能夠有效緩解N2O的積累。雖然現(xiàn)在關于通過優(yōu)化微生物群落結構緩解N2O釋放的策略很少，但是所有緩解策略的結果都導致了微生物群落結構的變化。
3.3 提高完全反硝化酶活性
NOS是反硝化最后一步的酶，也是消耗N2O的酶，如果能夠提高NOS活性，促進N2O的還原必然也會減少N2O的釋放。NOS含有兩個由6個銅原子組成的雙催化中心，通過添加銅離子（Cu2+）可以促進NIR和NOS的活性，減少亞NO2-積累的同時促進了N2O的消耗，實現(xiàn)N2O的減量排放。
生物炭被廣泛用于土壤中N2O的減量，也用于促進污水反硝化細菌活性。在生物炭表面含有大量氧化還原基團，這些活性基團會促進反硝化細菌外源碳代謝，調節(jié)電子分配，促進反硝化還原酶活性，提高了N2O的消耗。石墨烯被認為是一種具有革命性的材料，具有極強的電子傳遞能力，可以促進反硝化過程中電子生成和傳遞，從而促進含鐵酶的活性，減少N2O的釋放。
4、小結與展望
在污水生物處理過程中N2O產(chǎn)生于NH2OH不完全氧化和反硝化中間產(chǎn)物?，F(xiàn)在普遍認為反硝化過程是主要的N2O貢獻途徑之一，但是反硝化也是N2O唯一的匯，所以如何控制好反硝化過程將對緩解N2O至關重要。現(xiàn)在的研究多通過對污水處理工藝參數(shù)的優(yōu)化來緩解N2O的釋放。酶學、宏基因組等手段也被不斷用于探索N2O形成機理及影響因素，以尋找更加合理的方法減少N2O的排放。
本文總結了污水生物處理過程中參與產(chǎn)生N2O的微生物、微生物氮轉化過程中N2O產(chǎn)生的機理、影響N2O生成的酶及現(xiàn)階段N2O減量化策略。現(xiàn)階段對于污水生物處理過程中N2O生成機理和微生物群落結構對N2O積累的影響仍然沒有清晰的認識，還需要進一步研究。
（1）污水中排放的N2O最原始來源始終是污水中的化合態(tài)氮（有機氮、氨氮、硝態(tài)氮），所以對氮元素管理尤為重要。但是大多N2O減量化策略都停留在實驗室階段，在實際工程應用中并沒有得到廣泛應用，究其原因是當前對N2O排放管控不嚴格、實際應用的污水處理工藝改造成本高、多數(shù)N2O減量化策略成本增加、可能會導致出水水質變差等問題。
（2）如何直接調節(jié)微生物群落結構以減少N2O排放現(xiàn)在還是個挑戰(zhàn)，但是很多研究表明微生物群落結構優(yōu)化有助于緩解N2O的釋放。能夠篩選出具有強N2O還原能力的微生物將有助于N2O的減量。
（3）完全反硝化過程是N2O的匯，如何促進完全反硝化過程是N2O匯發(fā)揮作用最根本的問題，然而反硝化是個復雜的過程，如何富集含有完整反硝化系統(tǒng)微生物以及調節(jié)各個酶之間的相互作用是一件困難的事情，但是完全反硝化過程終究是消耗污水生物處理過程中N2O唯一的途徑，值得研究人員深入研究。（來源：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室）