反硝化除磷工艺中N2O的逸出规律研究

李亚静+孙力平

摘 要：目前反硝化除磷系统的缺氧段以内碳源（PHA）作为碳源的反硝化中氧化亚氮（N2O）的产生机理尚不清楚。因此采用实验室规模的厌氧/缺氧序批式反应器（A/A SBR）研究了电子受体NO3--N浓度（25 mg/L、50 mg/L和80mg/L）对系统脱氮除磷效果以及N2O产生量的影响。结果表明通过增加电子受体即NO3--N起始浓度，使得N2O产生量增加，而N2O转化率减小。当NO3--N起始浓度≤25 mg/L时，有利于硝酸盐氨化作用的发生，N2O的释放源为硝酸盐异化成氨作用。当NO3--N起始浓度≥50 mg/L时，N2O的释放主要来自于反硝化作用。

关键词：反硝化除磷 电子受体浓度 PHA N2O 释放源

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0107-04

反硝化除磷是一种新型可持续发展的生物脱氮除磷工艺[1]。反硝化除磷就是在厌氧/缺氧环境交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该聚磷菌能利用NO3-作为电子受体，通过它们的代谢作用同时完成过量吸磷和反硝化过程，最大限度地减少碳源需求量，实现了能源和资源的双重节约。反硝化除磷能节省COD约50%，节省氧约30%，剩余污泥量减少50%左右[2]。

在反硝化除磷工艺中，氧化亚氮作为重要的反硝化中间产物可以产生和积累[3，4]。由于其潜在的温室气体效应和破坏臭氧层的能力越来越受到人们的关注和担忧[5，6]。在反硝化除磷系统中，氧化亚氮的产生量能占到进水总氮负荷的2.3%～21.6%范围内[7，8]。因此，掌握反硝化除磷系统中氧化亚氮的产生规律对理解污水处理系统中整个碳足迹来说是非常重要的。

该文从缺氧段反硝化作用中的电子受体入手，从内碳源PHA的厌氧合成量、缺氧降解速率的角度去分析N2O的释放机理，通过调整电子受体硝酸盐的浓度，对不同工况条件下氮的迁移转化过程进行系统研究，剖析了反硝化除磷新技术在脱氮过程N2O的产生特征和产生量，旨在通过认识这种工艺N2O的释放特征和原因，优化反硝化除磷过程实现良好的除磷脱氮效果和较小的N2O释放。为这种新技术更好地应用于污水除磷脱氮处理、真正实现节能减排提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 试验污泥与用水

试验所用污泥取自天津某污水厂A2/O工艺中回流污泥。接种污泥菌胶团密实，污泥沉降性好。試验用水为人工模拟配水，以乙酸钠提供碳源，KH2PO4和NH4Cl为磷源和氮源，缺氧段投加KNO3以提供NO3--N作为电子受体。并且投加微量元素。实验水质指标及分析方法见表1。

1.2 试验装置与运行

该试验采用SBR装置。在厌氧/缺氧（无氧但有硝酸根）条件下运行。反应器由有机玻璃制成，上部为圆柱体，下部为圆台体，有效容积为4.50 L，反应器的充水比为0.7。在反应器上每隔10 cm设置一个取样口，每个反应器有3个取样口。进水由蠕动泵进行控制，排水通过电磁阀控制。通过微电脑定时器实现进水、厌氧、缺氧、加药、沉淀、排水的自动运行。

1.3 分析项目及测定方法

1.3.1 水样分析

水质监测项目分析方法均采用国标法[9]，按照Oehmen的操作方法改良后进行PHA测定[10-12]。VFA和N2O采用气相色谱法测定[13]。

1.3.2 N2O分析

N2O的浓度如方程式（1）～（3）所示[14]：

反应器中污泥混合液排放的气态N2O-N浓度CemiN2O-N （mgN/L）由式（1）计算得出：

反应器中污泥混合液里溶解的N2O-N浓度CdisN2O由式（2）计算得出：

总N2O-N生成量Cproduced，由两部分组成，如（3）所示：

2 结果与讨论

2.1 反硝化除磷过程典型周期变化

图1为典型周期内碳源和氮、磷的变化情况。系统以乙酸钠为碳源，其含量随着厌氧反应时间的延长迅速下降，水中的PO43--P随着时间的延长迅速升高，至反应90 min时，达到最大值59.41 mg/L。厌氧反应结束后瞬时向反应器内投加KNO3，使缺氧开始时反应器内NO3--N的浓度为55.00 mg/L。随着反应的进行，水中PO43--P浓度逐渐降低为0.75 mg/L，硝酸盐浓度降低为0 mg/L。在缺氧反应过程中，亚硝酸盐出现较低的累积浓度，但并未影响到良好的出水效果。

2.2 电子受体浓度对氮、磷去除及N2O产生量的影响研究

该试验采用3个平行的SBR反应器，使缺氧初期的NO3--N浓度分别为25、50、80 mg/L；缺氧搅拌210 min，研究不同NO3--N浓度对N2O产生量的影响。

N2O产生量的原因主要是一方面由于反硝化聚磷菌以胞内聚合物PHAs作为碳源进行反硝化，内碳源较慢的降解速率，导致反硝化过程中硝酸盐、亚硝酸盐以及N2O还原酶对不充足的电子形成竞争，从表2中还原速率可以看出N2O还原酶对电子的竞争明显弱于硝酸盐和亚硝酸盐还原酶， N2O还原酶因竞争不到电子而使N2O还原到N2的过程受阻， N2O出现积累。随着电子受体浓度的增加，N2O产生量增加，N2O转化率减小。另一方面在反硝化过程中COD/N比例对N2O的产生量有非常显著的影响。该研究通过把PHA单位转化为COD单位，在缺氧初期的COD/NOx-N比值分别为6.76、3.38和2.11。从这些数值可以看出PHA由充足渐变为限制因素，导致N2O的产生量增加。

2.3 电子受体浓度对N2O释放来源的影响

N2O的释放源研究采用化学抑制法[15-17]。实验发现通入C2H2后，NH4+-N的生成速率有所升高，这是由于C2H2对厌氧氨氧化具有强烈的抑制作用且反应中存在硝酸盐异化成氨作用所造成的[18]。由图2可知，缺氧段在硝酸盐异化成氨和反硝化共同作用下造成了N2O的释放，当NO3--N初始浓度≤25mg/L时，有利于硝酸盐氨化作用的发生，在此条件下N2O的释放源为硝酸盐异化成氨作用。而当NO3--N初始浓度≥50 mg/L时，N2O的释放主要来自于反硝化作用。endprint