甲醇型和乙酸鈉型反硝化過程一氧化二氮釋放的影響

王東豪

(陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

1 概述

現(xiàn)有研究表明:一氧化二氮(N2O)具有很強的溫室效應(yīng)，其溫室效應(yīng)強度約是二氧化碳(CO2)的320倍［1，2］，占全球溫室效應(yīng)氣體貢獻率的5% ～6%［3］。生物反硝化脫氮過程是N2O的重要來源［6］，現(xiàn)有的資料表明，全球生物反硝化脫氮的年排放的N2O量約為0.3×1012kg～3×1012kg，占全球 N2O總排放量的2.5% ～25%。

國內(nèi)大部分脫氮方法采用生物反硝化脫氮工藝。有鑒于此，該過程產(chǎn)生的 N2O等溫室氣體［7］，受到社會各界的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)如今的反硝化工藝運行時往往存在有機電子供體不足，引發(fā)反硝化不完全，中間產(chǎn)物積累等問題，所以很多污水處理廠反硝化都需要投加外源碳源。甲醇(CH3OH)、乙酸鈉(CH3COONa)是現(xiàn)階段異養(yǎng)反硝化常用的電子供體，具有易降解，效率高，成本低，產(chǎn)泥少等一系列優(yōu)勢。本實驗擬利用該兩種碳源，研究不同碳氮比濃度下的反硝化氣態(tài)產(chǎn)物(重點關(guān)注N2O)變化規(guī)律。其具體目的如下:1)研究不同電子供體(甲醇、乙酸鈉)對一氧化二氮釋放的影響;2)研究不同C/N比對N2O釋放的影響。

2 材料和方法

2.1 實驗裝置

實驗采用180 mL玻璃血清瓶，瓶口采用橡膠塞封口。內(nèi)置顆粒污泥，反應(yīng)基質(zhì)，頂空曝氣。血清瓶置于恒溫槽中，溫度維持在30℃ ±1℃，恒溫30 min后將血清瓶移至35℃ 160 rpm搖床培養(yǎng)，培養(yǎng)時間控制在40 h。

2.2 批次實驗

試驗?zāi)康臑?探尋不同工況下N2O的釋放情況:

2)碳氮比變化對試驗影響(電子飽和、電子不足、電子饑餓:COD/分別為 4.5，2.5，1.5)。

每一批試驗所用顆粒污泥均取自于已分別用甲醇、乙酸鈉馴化5個月的反應(yīng)器。取2 000 mL量杯配置反應(yīng)液1 L加入MgSO4·7H2O 0.1 g，CaCl20.3 g，KH2PO40.1 g，微量元素 1 mL，維生素1 mL，容積為180 mL封頂血清瓶中加不含基質(zhì)培養(yǎng)基60 m l，取活性污泥儲備液若干沉淀(20 mL)，用清水不含基質(zhì)培養(yǎng)基洗3遍，轉(zhuǎn)入血清瓶，用Ar置換其中空氣10 min，蓋上鋁蓋;采用橡膠瓶塞并用注射50μL注射器用于氣體采樣。試驗過程中，血清瓶置于35℃160 rpm搖床培養(yǎng)。

2.3 分析方法

N2O氣體的監(jiān)測利用氣相色譜儀(Agilent Technologies USA)。具體儀器參數(shù)如表1所示。

表1 氣相色譜儀具體參數(shù)表

3 結(jié)果與討論

3.1 甲醇做電子供體時不同碳氮比下一氧化二氮隨反應(yīng)時間變化

圖1為甲醇作為電子供體時不同碳氮比下反硝化過程中反應(yīng)系統(tǒng)中的N2O積累量與時間的關(guān)系。當(dāng)C/N=1.5時，微生物(缺氧反硝化菌)體內(nèi)有機物是反應(yīng)的碳源來源，為反硝化過程提供能量，隨之帶來的情況就是系統(tǒng)反硝化速率低。N2O是反硝化的中間產(chǎn)物，隨著反應(yīng)的進行，N2O積累量迅速上升，在1 h時達到35 000 ppm。在0.8 h～1 h時，N2O產(chǎn)生量減少，N2O還原量增加，N2O積累速率隨之下降。隨著反硝化過程的進行，N2O作為電子受體，在1 h～40 h內(nèi)被還原至氮氣。

圖1 甲醇為電子供體時不同碳氮比下N2O產(chǎn)生量與時間曲線

究其原因當(dāng)C/N=1.5時(即無外加碳源)，反硝化過程主要碳源為微生物內(nèi)源物質(zhì)，該種體內(nèi)碳源進行反硝化，該過程的前1.5 h N2O積累量隨反應(yīng)時間增加而增大，N2O還原酶作為電子受體在與其他酶競爭碳源時能力較弱，N2O無法搶奪更多電子進行還原反應(yīng)，以致于N2O積累量大量上升。

當(dāng)C/N=2.5時，反硝化過程中率先被消耗的是人為外加碳源，反應(yīng)速率提升，N2O產(chǎn)生速率也增加，在0.5 h積累量增至最大。隨后，一氧化二氮凈產(chǎn)量逐漸降低，在接下來0.5 h迅速削減;隨反硝化過程的進行一氧化二氮在16 h內(nèi)被消耗殆盡。碳氮比繼續(xù)增加至4.5，電子供應(yīng)充足，在0 h～0.5 h內(nèi)一氧化二氮僅存在微量的積累。系統(tǒng)在2 h之內(nèi)完成一氧化二氮的產(chǎn)生及還原過程。

究其原因，C/N=2.5，反硝化過程初期(0 h～0.5 h)的碳源利用情況與C/N=1.5相同，N2O還原酶產(chǎn)生率小于NO2－還原酶產(chǎn)生率，反應(yīng)伊始即有N2O的迅速增加情況發(fā)生，并且在0.5 h達到最大值，遠小于C/N=1.5的0.8 h。此時，反硝化反應(yīng)內(nèi)仍遺留剩余的部分碳源致使N2O還原酶產(chǎn)生率增加。此時，外加碳源同時被N2O還原酶和還原酶兩者分解用作電子供體。系統(tǒng)N2O積累量從C/N=1.5時的38 400 ppm降至3 800 ppm，積累量驟減。

當(dāng)C/N=4.5時，此時的反硝化反應(yīng)體系中為N2O還原酶和還原酶提供了足夠多的碳源，在反應(yīng)開始初期，由于N2O還原酶的合成速率低于還原酶的合成速率，因此，在0 h～0.5 h的反應(yīng)過程中N2O還是有部分積累，積累量僅為700 ppm遠小于C/N=1.5時的38 400 ppm和C/N=2.5時的3 800 ppm。隨著反應(yīng)的進行，充足的外加碳源的存在為反硝化反應(yīng)體系中提供了充足電子使和N2O在同一時間還原。上述二者對電子供體的爭奪消失。由此，在0.5 h～1 h內(nèi)，反應(yīng)體系中所有積累的N2O被還原至N2。

綜上，N2O在反硝化過程中的迅速被還原均伴隨著NO2－的還原，在本研究中不論初始C/N如何改變，即碳源充足與否不影響反硝化過程初始階段的N2O積累，由此可得缺少N2O還原酶導(dǎo)致了初期反硝化過程的N2O的大量累積。

3.2 乙酸鈉做電子供體時不同碳氮比下一氧化二氮隨反應(yīng)時間變化

圖2為乙酸鈉作為電子供體時不同碳氮比下反硝化過程中系統(tǒng)一氧化二氮產(chǎn)生及還原過程。電子饑餓時，一氧化二氮在前5 h有明顯的積累過程，積累速率先上升后下降，4 h后積累量小于還原量被迅速消耗。碳氮比增加至2.5，反硝化速率增加，一氧化二氮僅在0 h～0.5 h有微量的積累，隨后在接下來0.5 h迅速削減并被消耗殆盡。繼續(xù)增加至4.5，系統(tǒng)未檢測出一氧化二氮的產(chǎn)生。

圖2 乙酸鈉為電子供體時不同碳氮比下N2O產(chǎn)生量與時間曲線

為解決碳源不足所致的不徹底的反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的N2O，乙酸鈉、甲醇等物質(zhì)通常被用作優(yōu)質(zhì)的外加碳源促進反硝化反應(yīng)體系從而避免上述問題的產(chǎn)生。但外加碳源的種類往往影響N2O產(chǎn)生和釋放量。

甲醇、乙酸鈉是現(xiàn)階段異養(yǎng)反硝化常用的電子供體，具有易降解，效率高，成本低，產(chǎn)泥少等一系列優(yōu)勢。

表2為連續(xù)流反應(yīng)器進出水硝氮，亞硝氮變化通過電子衡算后得出的甲醇，乙酸鈉在不同的碳氮比下電子在硝酸鹽還原酶，亞硝酸鹽還原酶，一氧化二氮還原酶的分配情況。橫向比較看，各碳氮比相同條件下為甲醇碳源時一氧化二氮還原酶電子分配均小于乙酸鈉做碳源。這就很好的解釋了各碳氮比相同條件下甲醇碳源時一氧化二氮的積累量遠大于乙酸鈉，如圖3，圖4所示。

表2 不同碳源不同碳氮比條件下電子在NaR，NiR，N2 OR中的分配情況

圖3 甲醇做碳源C/N=1.5時主要反硝化酶的電子分配

圖4 乙酸鈉做碳源C/N=1.5時主要反硝化酶的電子分配

4 結(jié)語

1)反硝化反應(yīng)中碳源是影響短程反硝化過程的N2O積累量的決定因素之一。相同碳氮比條件下，選擇乙酸鈉做碳源可以更好避免一氧化二氮產(chǎn)生。

2)碳氮比大于4.5可以為反硝化過程提供充足的碳源，其也是降低生物反硝化脫氮過程中N2O產(chǎn)量的重要途徑。

3)甲醇，乙酸鈉做碳源時，N2O積累的主要原因是微生物在生物脫氮反硝化初期N2O還原酶的缺失。