基于氮能源化的短程反硝化反應(yīng)過程N(yùn)2O高度富集機(jī)制研究

潘永寶，姬 濤

(1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，西安 710048； 2.西安中地環(huán)境科技有限公司，西安 710054)

短程硝化和反硝化反應(yīng)是將傳統(tǒng)的反應(yīng)過程縮短，將硝化過程控制在中間產(chǎn)物過程，從而達(dá)到節(jié)能目的[1]，研究短程反硝化過程中N2O的高度富集機(jī)制具有重要意義。

1 短程反硝化反應(yīng)

反硝化反應(yīng)也叫做脫氮反應(yīng)，是針對(duì)硝酸鹽和氨氮化合物轉(zhuǎn)化而開發(fā)的技術(shù)，該技術(shù)使用各種細(xì)菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，達(dá)到脫氮目的，主要反應(yīng)方程式如下：

硝酸鹽還原為亞硝酸鹽：

2NO3-+4H++4e-→2NO2-+2H2O

亞硝酸鹽還原為一氧化氮：

2NO2-+4H++2e-→2NO+2H2O

一氧化氮還原為一氧化二氮：

2NO+2H++2e-→N2O+H2O

一氧化二氮還原為氮?dú)猓?/p>

N2O+2H++2e-→N2+H2O

短程反硝化反應(yīng)是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，再進(jìn)行反硝化，縮短反應(yīng)路徑，以達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)會(huì)有大量中間產(chǎn)物N2O生成。整個(gè)硝化和反硝化過程中，主要參與的細(xì)菌包括硝化菌、反硝化菌及亞硝化菌等，因此研究各類細(xì)菌的特性、篩選高效的硝化菌反硝化菌及亞硝化菌對(duì)控制短程反應(yīng)過程具有重要意義。反應(yīng)條件影響了短程反硝化效果。例如不同的細(xì)菌在進(jìn)行反硝化時(shí)具有不同的臨近溫度，溫度過高會(huì)導(dǎo)致亞硝酸鹽生成，溫度較低時(shí)，硝酸鹽是主要產(chǎn)物。除此之外，pH值、溶解氧DO、泥齡、抑制劑及有機(jī)物濃度都會(huì)對(duì)短程反硝化反應(yīng)效果產(chǎn)生影響。

2 短程反硝化反應(yīng)器

2.1 氣提式反應(yīng)器

該反應(yīng)器特點(diǎn)是廢水在升流區(qū)底部隨氣流上升參與液體的內(nèi)循環(huán)，與細(xì)菌接觸，進(jìn)行生物作用，再利用重力作用將污泥與液體分離。氣提式反應(yīng)器無需污泥回流和沉淀池，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.2 間歇式活性污泥反應(yīng)器

間歇式活性污泥反應(yīng)器的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，上部和下部分別為圓柱和圓錐體，該反應(yīng)器以黏沙塊作為微孔曝氣器，工作時(shí)，污水從上部進(jìn)入反應(yīng)器，從反應(yīng)器的側(cè)面排水口排出[3]。SBR反應(yīng)器在污泥馴化過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣時(shí)間的控制，處理、沉淀后可立即排水，此時(shí)硝化菌被除去，因此反應(yīng)時(shí)沒有硝酸根生成，可達(dá)到短程硝化的目的。反應(yīng)環(huán)境中有大量好氧顆粒污泥，在其內(nèi)部，反硝化菌的作用可以將亞硝酸根轉(zhuǎn)換為氮?dú)?，從而?shí)現(xiàn)短程同步硝化和反硝化。

2.3 升流式污泥床反應(yīng)器

升流式污泥床反應(yīng)器(USB)是在氣提式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上演變而來的，其在上部加入了三相分離器，對(duì)污泥懸浮的截留有很好的效果。同時(shí)，由于水流的上升具有一定的攪拌作用，使污泥在不同床層與細(xì)菌充分接觸，達(dá)到了更好的反應(yīng)效果[4]。

3 N2O的釋放及富集機(jī)制

3.1 N2O的產(chǎn)生機(jī)理

在一般的反硝化過程中，N2O是其中間產(chǎn)物，反硝化過程是在不同功能的微生物作用下完成的[5]。其中，硝酸根還原為亞硝酸根需要硝酸鹽還原酶的作用，亞硝酸根還原為一氧化氮需要亞硝酸鹽還原酶的作用，而一氧化氮在其還原酶的作用下會(huì)還原為氧化亞氮，最終在氧化亞氮還原酶的作用下，還原為氮?dú)狻?/p>

由于氧化亞氮是反應(yīng)的中間產(chǎn)物，因此其產(chǎn)生的途徑有3種：一是氧化亞氮還原酶在游離亞硝酸或溶解氧的抑制作用下失去活性，使氧化亞氮富集。二是反應(yīng)環(huán)境中電子數(shù)不足，使氧化亞氮還原酶的還原能力小于其他還原酶，導(dǎo)致氧化亞氮的富集。三是一些反硝化菌中缺少氧化亞氮還原酶的編碼基因，從而使氧化亞氮富集。

3.2 N2O生成的影響因素

溶解氧(DO)。由于不同的反硝化細(xì)菌對(duì)溶解氧的敏感程度不同，因此其濃度對(duì)N2O的生成有很大的影響。當(dāng)體系中溶解氧濃度較低時(shí)，亞硝酸鹽會(huì)被反硝化生成終產(chǎn)物氧化亞氮[6]。同時(shí)，氧化亞氮對(duì)溶解氧濃度比較敏感，溶解氧的存在會(huì)使反硝化反應(yīng)在缺氧階段產(chǎn)生氧化亞氮的幾率上升。

溫度。污水生物法脫氮過程中，溫度是重要的影響因素。溫度主要是對(duì)化學(xué)反應(yīng)的平衡有一定的影響。高溫下硝化和亞硝化反應(yīng)間的平衡被破壞，使反應(yīng)向亞硝酸根被還原方向進(jìn)行，從而使氧化亞氮得到富集。

碳源種類。研究表明，碳源的不同會(huì)對(duì)反硝化反應(yīng)的最終產(chǎn)物造成影響，當(dāng)采用乙酸或丙酸作為碳源時(shí)，氧化亞氮較易生成，而使用丁酸等作為碳源時(shí)，氧化亞氮產(chǎn)生較少[7]。在使用內(nèi)碳源作為反應(yīng)中的電子供體時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電子供應(yīng)不足的現(xiàn)象，而各種還原酶在競(jìng)爭(zhēng)電子過程中具有不同的能力，因此會(huì)導(dǎo)致更多的氧化亞氮產(chǎn)生。

有毒有害物質(zhì)。污水是成分極其復(fù)雜的混合物，其中可能會(huì)存在一定的有毒有害物質(zhì)，如重金屬、乙烯、各類鹽及酸類等。這些有毒有害的物質(zhì)會(huì)對(duì)氧化亞氮還原酶的還原性產(chǎn)生抑制作用，阻礙氧化亞氮還原為氮?dú)猓瑥亩蛊涓患?/p>

微生物種群。在短程反硝化過程中，微生物是不可或缺的，不同的微生物種群負(fù)責(zé)過程中不同的代謝途徑，從而生產(chǎn)不同的代謝產(chǎn)物。目前，在污水處理領(lǐng)域開發(fā)了不同類型的生物脫氮菌種，通過對(duì)菌種中不同基因編碼的篩選，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化亞氮產(chǎn)量的控制。

3.3 N2O的富集

氧化亞氮的生成是由于亞硝酸根還原酶作用的加強(qiáng)或氧化亞氮還原酶作用的減弱造成的。應(yīng)選用合適的碳源，采用碳鏈較短的有機(jī)酸作為碳源，使氧化亞氮達(dá)到富集的目的。反硝化反應(yīng)過程中的工藝參數(shù)，如溫度、pH、溶解氧濃度等都會(huì)對(duì)氧化亞氮的生成有不同程度的影響。針對(duì)不同性質(zhì)的污水，應(yīng)選用不同的微生物種群，控制反硝化過程中的代謝途徑和產(chǎn)物[8]。由于不同反應(yīng)工藝對(duì)不同反硝化過程有不同的促進(jìn)作用，應(yīng)盡量選擇可以及時(shí)將產(chǎn)物氧化亞氮排出的反應(yīng)器，避免其在反應(yīng)環(huán)境中繼續(xù)被還原為氮?dú)狻?/p>

4 結(jié)語

總結(jié)了短程反硝化反應(yīng)生產(chǎn)氧化亞氮的影響因素，分析了氧化亞氮的富集機(jī)制，該工藝的開發(fā)還需進(jìn)一步探索。