短程硝化反硝化過程中N2O釋放特性及微觀機理

短程硝化反硝化過程中N2O釋放特性及微觀機理

短程硝化反硝化；氨氧化；反硝化；N2O

N2O 作為大氣溫室氣體之一,它的增溫潛勢是CO2的150～300 倍,在大氣中存留時間為114 年，對全球環(huán)境及氣候變化有重要的影響[2-4].污水處理過程是N2O的一個重要產(chǎn)生源[5-7],初步估計污水處理過程每年排放的N2O量約為0.13×1012～3×1012kg ,占全球N2O總排放量的21.5%～25%[8].因此，對短程脫氮工藝的N2O的釋放量研究，對防治污水處理過程的二次污染就顯得尤為重要.

本試驗在實現(xiàn)短程硝化反硝化反應(yīng)器穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，對其產(chǎn)生N2O的機理進行了分析，確定了短程硝化反硝化工藝中N2O的產(chǎn)生過程，進而提出了減少N2O釋放的方法.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示.試驗采用序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor,SBR)，反應(yīng)器為有機玻璃容器，反應(yīng)器的內(nèi)徑20 cm，圓柱高45 cm，總?cè)莘e為14 L,有效容積13.2 L，側(cè)壁設(shè)置取樣口4個，間距為10 cm ，用于取樣和排水.底部設(shè)黏砂微孔曝氣頭，采用電磁式空氣壓縮機對系統(tǒng)提供曝氣氣源，用電動攪拌機作為攪拌設(shè)施提高固液混合程度.

1.2 試驗用水及種泥

試驗采用西安市某污水處理廠的初沉池污水.原水水質(zhì)見表1，實驗所用種泥取自該污水處理廠二沉池中的剩余污泥.

1.3 試驗方法

1—空壓機;2—流量計;3—攪拌葉輪;4—曝氣頭

分析項目數(shù)值范圍均值CODcr/mg·L-1163～303220BOD5/mg·L-185～219134NH+4-N/mg·L-135．5～61．346TP/mg·L-12．63～8．425．58TN/mg·L-136．5～62．150C/N4．5～6．65．2pH值7．2～7．87．5

注：進水中硝酸鹽及亞硝酸鹽的濃度均小于1 mg·L- 1.

2 結(jié)果與討論

2.1 短程硝化反硝化反應(yīng)器的啟動

由于AOB在較高的pH值(pH=8.0～8.4)和較低的DO(1～2 mg·L- 1)條件下活性大于NOB.因此，啟動時，氨氧化階段維持反應(yīng)器內(nèi)DO濃度小于1.5 mg·L- 1，pH值為8～8.3，根據(jù)“DO拐點”和“氨谷點”實時控制曝氣時間；反硝化階段停止曝氣，加入乙醇作為碳源，繼續(xù)進行攪拌，經(jīng)過35d的運行，成功啟動了短程硝化反硝化反應(yīng)器.周期的氮元素變化如圖2所示.

圖2 典型周期內(nèi)短程硝化反硝化過程

2.2 短程硝化反硝化生物脫氮過程N2O的釋放

2.3 短程硝化反硝化生物脫氮過程N2O的釋放機理分析

圖3 典型周期內(nèi)N2O的產(chǎn)生量

反硝化過程中，N2O是一種必然的中間產(chǎn)物，N2O的產(chǎn)量與氧化亞氮還原酶(Nitrous oxide reductase,Nos)有很大關(guān)系[10].大量研究報道，Nos對DO較其他酶敏感，如果反硝化過程中存在分子氧，反硝化菌將優(yōu)先利用分子氧作為電子受體，從而會導(dǎo)致反硝化的不徹底，致使N2O產(chǎn)生.因此，欲減少反硝化過程產(chǎn)生的N2O量，需嚴(yán)格控制反硝化過程中的DO,工程上可以采用消氧池實現(xiàn).

3 結(jié) 論

1) 氨氧化階段維持DO濃度小于1.5 mg·L- 1,pH值8～8.3，并根據(jù)“DO拐點”和“氨谷點”實時控制曝氣時間，反硝化階段停止曝氣的方法，成功啟動了短程硝化反硝化反應(yīng)器.

[1] 張秀君.植物與溫室氣體[J].生物學(xué)通報,2007,42(2):16.

ZHANG Xiujun.Plants and Greenhouse Gases [J].Chinese Bulletin of Botany,2007,42(2):16.

(in Chinese)

[2] 鞏有奎,王賽,彭永臻,等.生活污水不同生物脫氮過程中N2O產(chǎn)量及控制[J].化工學(xué)報2010,(61)5:1286

GONG Youkui,WANG Sai,PENG Yongzhen,et al.Formation of N2O in Various Biological Nitrogen Removal Processes for Treatment of Domestic Sewage [J].CIESC Journal，2010,(61)5:1286.(in Chinese)

[3] Intergovernmental Panel on Change (IPCC).Climate change 2007:the physical science basis[R].Cambridge:Cambridge University Press,2007:114.

[4] 梁小玲，李平，吳錦華，等.短程同步硝化反硝化過程的脫氮與N2O釋放特性[J].環(huán)境科學(xué)2013,34(5):1845.

LING Xiaoling,LI Ping,WU Jinhua,et al.Nitrogen Removal and N2O Emission Characteristics During the Shortcut Simultaneous Nitrification and Denitrification Process[J].Environmental Science，2013,34(5):1845.(in Chinese)

[5] CZEPIEL P,CRILL P,HARRISS R.Nitrous Oxide Emissions from Municipal Wastewater Treatment[J].Environmental Science & Technology,1995,29(9):2352.

[6] COLLIVER B B,STEPHENSON T.Production of Nitrogen Oxide and Dinitrogen Oxide by Autotrophic Nitrifiers[J].Biotechnology Advances,2000,18(3):219.

[7] ITOKAWA H,HANAKI K,MATSUO T.Nitrous Oxide Production in High-Loading Biological Nitrogen Removal Process under Low COD/N Ratio Condition.[J].Water Research,2001,35(3):657.

[8] 耿軍軍,王亞宜,張兆祥,等.污水生物脫氮革新工藝中強溫室氣體N2O的產(chǎn)生及微觀機理[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2010,30(9):1729.

GENG Junjun,WANG Yanyi,ZHANG Zhaoxiang,et al.N2O Production and Mechanism in Recently Developed Biological Nitrogen Removal Processes [J].Axta Scientiae Circumstantiae,2010,30(9):1729.

(in Chinese)

[9] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

State Environmental Protection Administration.Water and Wastewater Monitoring and Analysis Method [M].Beijing:China Environmental Science Press,2002.(in Chinese)

[10] 李莎，宮飛蓬，齊飛，等.污水生化處理過程中N2O的產(chǎn)生特征研究進展[J].安全與環(huán)境學(xué)報2012,12(1):75.

LI Sha,GONG Feipeng,QI Fei,et al.Study on the Production Characteristics of Nitrous Oxide in Wastewater Biochemical Treatment Process[J].Journal of Safety and Enviroment,2012,12(1):75.(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對 潘秋岑)

N2O Production and Micromechanism in Shortcut Nitrification and Denitrification Process

ZHAOQunying,LIKan,YANGXuefu

(School of Civil Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

shortcut nitrification;ammonia oxidation;denitrification;N2O

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.11.003

2016-09-21

趙群英(1978-)女，西安工業(yè)大學(xué)講師，主要研究方向為污廢水處理與回用技術(shù).E-mail:303106744@qq.com.

趙群英，李 侃，楊學(xué)福

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

X7

A

1673-9965(2016)11-0872-04