楊慶團隊：城鎮污水處理生物濾池工藝中一氧化二氮釋放問(wèn)題的研究新進(jìn)展
近日，《凈水技術(shù)》小編關(guān)注到，北京工業(yè)大學(xué)楊慶教授團隊在城鎮污水處理生物濾池工藝中N2O釋放問(wèn)題的研究上取得了新的進(jìn)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)特邀請楊慶教授結合以往團隊研究進(jìn)行整理，分享城鎮污水處理生物濾池工藝中N2O釋放問(wèn)題研究成果，以期為今后N2O的解決技術(shù)提供理論基礎。
研究背景簡(jiǎn)介
一氧化二氮（N2O）作為一種典型的溫室氣體，會(huì )引起全球變暖和臭氧層破壞。對全球N2O釋放進(jìn)行核算發(fā)現，全球3.4%的N2O來(lái)源于污水生物處理過(guò)程，因此有必要深入探究污水生物處理過(guò)程中N2O的釋放途徑，優(yōu)化工藝運行減緩溫室效應。
如圖1所示，在污水生物脫氮過(guò)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，以及異養反硝化菌的不完全反硝化。在生物膜內部，氮素和溶解氧等反應基質(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中N2O的釋放量，但是模型預測得到的結果可能會(huì )與實(shí)際系統測定的結果存在差異，因此通過(guò)試驗探究生物膜系統中的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。氣水比是調控好氧生物濾池的基本運行參數之一。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?jì)热?/strong>
在實(shí)驗室內構建了兩個(gè)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，BAF2主要發(fā)生硝化厭氧氨氧化（Anammox）反應。兩個(gè)系統串聯(lián)處理實(shí)際生活污水，調控不同的氣水比長(cháng)期運行。每天監測兩個(gè)系統的進(jìn)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。設置不同底物和不同溶解氧濃度條件下的間歇試驗，采用穩定比同位素、NO和N2O微電極在線(xiàn)監測與實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)，開(kāi)展了以下三方面內容的探究：
?。?） 揭示氣水比對不同BAF中N2O釋放量的影響；
?。?） 解析兩個(gè)不同BAF中N2O的生成途徑；
?。?） 比較不同BAF中N2O釋放量的差異。
重點(diǎn)亮點(diǎn)簡(jiǎn)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(shí)，氨氮去除率（ARE）均達到53.0%，而在氣水比為2.5:1時(shí)僅有19.4%。在氣水比為5:1時(shí)，總無(wú)機氮去除率（TINRE）最高，達到35.7%。對于BAF2，兩個(gè)氣水比下ARE均達到90%以上，而在氣水比為1.5:1時(shí)，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(guò)長(cháng)期監測發(fā)現，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(shí)，氣態(tài)N2O濃度達到32.1~45.7 ppm，在氣水比為10:1和5:1時(shí)ARE相近，氣水比為5:1時(shí)TINRE較高，但是在氣水比為10:1時(shí)，N2O/ΔNH4+-N和N2O/ΔTIN 卻最高，說(shuō)明氣水比會(huì )影響系統的反應活性和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%，且幾乎無(wú)反硝化作用發(fā)生，說(shuō)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
間歇試驗結果如圖5所示，在BAF1中羥胺氧化過(guò)程和好氧氨氧化過(guò)程會(huì )釋放大量的N2O，穩定比同位素結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(shuō)明異養反硝化作用也會(huì )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(shí)會(huì )被還原，說(shuō)明在BAF1中異養反硝化作用也能夠還原N2O。雖然在不同間歇試驗中，反應的初始氮素濃度存在差異，但是通過(guò)計算間歇試驗反應至120 min時(shí)的ΔN2O/ΔN發(fā)現（表2），間歇試驗（b）的ΔN2O/ΔN值高于間歇試驗（d）、（e）和（g），說(shuō)明硝化細菌的反硝化作用會(huì )比異養反硝化作用釋放更多的N2O。另外，通過(guò)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，即使在好氧條件下異養反硝化作用也會(huì )產(chǎn)生N2O。所以，BAF1中N2O來(lái)源于硝化細菌的反硝化作用，羥胺氧化作用以及異養反硝化作用。
在BAF2中，間歇試驗結果顯示N2O來(lái)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)生異養反硝化作用。對BAF2中生成的氣態(tài)產(chǎn)物直接進(jìn)行N2O穩定比同位素分析表明（表1），在氣水比為5:1時(shí)，53.7%的N2O來(lái)源于硝化細菌的反硝化作用，46.3%的N2O來(lái)源于羥胺氧化作用，而當氣水比下降至1.5:1時(shí)，羥胺氧化作用釋放的N2O的比例下降至12.2%，說(shuō)明氣水比會(huì )影響B(tài)AF2中N2O的生成途徑。但是，氣水比為1.5:1時(shí)N2O的生成濃度僅為氣水比為5:1時(shí)N2O生成濃度的50%，說(shuō)明在氣水比下降時(shí)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，較高的好氧氨氧化速率會(huì )誘導較高的N2O產(chǎn)生速率，此外，在BAF2中，提高曝氣量會(huì )促進(jìn)NH4+-N向生物膜內部擴散，而生物膜內部的低DO環(huán)境亦會(huì )促進(jìn)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。對氮素轉化功能基因進(jìn)行定量發(fā)現（圖6），在BAF2中氣水比為1.5:1時(shí)，參與Anammox反應的功能基因hzsB的豐度明顯上升，單位質(zhì)量生物膜中基因拷貝數超過(guò)107，說(shuō)明低氣水比有利于提高Anammox反應活性，提高系統的自養脫氮能力，而厭氧氨氧化菌與好氧氨氧化菌對NH4+-N的競爭也會(huì )削弱硝化細菌的反硝化作用，降低N2O排放。所以，通過(guò)強化BAF中的Anammox作用既可以提高脫氮效果，又可以實(shí)現N2O減排。
3.4 不同BAF中N2O釋放的比較
在氣水比均為5:1時(shí)，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(shuō)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，異養反硝化作用會(huì )還原N2O，導致系統N2O釋放量下降。對于溶解態(tài)N2O，在BAF1的整個(gè)濾層中都存在硝化反應，并伴隨著(zhù)N2O的產(chǎn)生。BAF1的出水是BAF2的進(jìn)水，在BAF2中反應主要發(fā)生在濾層下部40 cm范圍內，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(huì )轉變?yōu)闅鈶B(tài)N2O，最終導致BAF2出水中溶解態(tài)N2O濃度低于BAF1。
結論
1、在硝化反硝化生物濾池和好氧自養脫氮生物濾池處理生活污水時(shí)，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反硝化作用，氣水比為5:1有利于系統脫氮和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(shí)，87.8%的N2O來(lái)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
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