COD/N對(duì)短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中NO和N2O積累的影響

王莎　李斌　孫江華

摘? ? 要：利用序批式活性污泥反應(yīng)器研究不同碳氮比（COD/N）（1，3，4，6）對(duì)短程內(nèi)源反硝化污染物去除性能以及NO和N2O積累的影響。結(jié)果表明，化學(xué)需氧量和亞硝態(tài)氮在COD/N大于3時(shí)去除效果較好。NO的積累峰值隨著COD/N的增加而先增加后降低，在COD/N為4時(shí)達(dá)到最大值0.45 mg/L。而N2O則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)COD/N為3時(shí)積累峰值最?。?.7 mg/L）。NO的積累與COD/N、厭氧時(shí)間、NO和游離亞硝酸的抑制有關(guān)。N2O的積累是COD/N、NO、游離亞硝酸等共同作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：碳氮比；短程內(nèi)源反硝化；一氧化氮；氧化亞氮；反硝化還原酶

中圖分類(lèi)號(hào)：X703? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1009-5128（2024）02-0086-09

收稿日期：2023-06-29

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳項(xiàng)目：SNADPR工藝優(yōu)化調(diào)控及微生物耦合機(jī)理研究（2023-JC-QN-0528）；陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目：亞硝酸鹽反硝化過(guò)程一氧化氮歧化產(chǎn)氧機(jī)制研究（21JK0638）；渭南師范學(xué)院人才項(xiàng)目：短程反硝化除磷過(guò)程N(yùn)O歧化產(chǎn)氧機(jī)理研究（2021RC27）

作者簡(jiǎn)介：王莎，女，陜西咸陽(yáng)人，渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院講師，工學(xué)博士，主要從事污水生物脫氮除磷研究。

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，大量含氮物質(zhì)被排放到地表水中，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，破壞了自然界的生態(tài)平衡［1］。為了緩解水體中氮對(duì)環(huán)境的影響，各種新型污水處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［2–6］。其中，短程內(nèi)源反硝化工藝由于具有工藝簡(jiǎn)單、操作條件溫和、反應(yīng)速率快、節(jié)省碳源、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注［7–10］。但是，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中，其最終產(chǎn)物除N2外，還會(huì)產(chǎn)生一些其他中間物質(zhì)，如一氧化氮（Nitric oxide，NO）和氧化亞氮（Nitrous oxide，N2O）等［11］。NO是一種有毒有害氣體，釋放到大氣中后極易誘發(fā)各種環(huán)境問(wèn)題，如酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層破壞和光化學(xué)污染等。N2O是一種強(qiáng)效的溫室氣體，其增溫潛勢(shì)是CO2的300倍左右，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約占5%～6%［12］。由此可見(jiàn)，對(duì)短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中NO和N2O產(chǎn)生機(jī)理的研究尤為重要。

碳氮比（COD/N）是影響反硝化反應(yīng)的重要因素之一，也是控制短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中NO和N2O產(chǎn)生的一個(gè)重要參數(shù)。研究表明，在反硝化過(guò)程中，當(dāng)COD/N較低時(shí)，雖然可節(jié)省碳源，但污染物的去除效果不理想；而且由于電子供體的缺乏，導(dǎo)致N2O不能順利還原為N2［13］。而當(dāng)COD/N過(guò)高時(shí)，N2O產(chǎn)生量有所降低，但是會(huì)造成碳源大量浪費(fèi)，影響出水水質(zhì)［14］。因此，研究COD/N對(duì)短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中污染物的去除性能、NO和N2O積累機(jī)理的影響，對(duì)于實(shí)現(xiàn)污染物的高效去除、中間產(chǎn)物的減量化排放以及推動(dòng)生物脫氮工藝的廣泛應(yīng)用具有重要的理論意義?；诖?，本研究采用式活性污泥反應(yīng)器（Sequencing Batch Reactor，SBR）探究不同COD/N對(duì)短程內(nèi)源反硝化污染物去除性能、NO和N2O積累特征的影響，分析NO和N2O的產(chǎn)生機(jī)理，以期為減少短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中NO和N2O的產(chǎn)生提供理論依據(jù)。

1? ?材料和方法

1.1? ?實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)采用SBR反應(yīng)器，該反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，體積為5 L。反應(yīng)器的周期采用可編程邏輯控制器進(jìn)行自動(dòng)控制。每天運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期8 h，包括進(jìn)水5 min，厭氧1 h，缺氧6.5 h，沉淀20 min，閑置5 min。每個(gè)周期結(jié)束后，排水量為2 L。反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)的溫度采用可調(diào)節(jié)的加熱棒進(jìn)行控制，其范圍為30±1℃。在反應(yīng)器的運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度和混合液懸浮固體分別控制在3 500±100 mg/L和5 000±200 mg/L。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化培養(yǎng)后，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和亞硝態(tài)氮（NO[-2]-N）的去除率穩(wěn)定地維持在90%以上時(shí)，說(shuō)明該反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

1.2? ?接種污泥及進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用接種污泥取自陜西省某污水處理廠好氧反應(yīng)池。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為人工配置，其具體組成包括：360 mg/L的COD（碳源為C6H12O6·H2O），90 mg/L的NO[-2]-N（氮源為NaNO2），0.08 g/L的CaCl[2]，0.02 g/L的KH2PO4和1 mg/L微量元素［15］。

1.3? ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析不同COD/N條件下短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中污染物的轉(zhuǎn)化特征以及NO和N2O的產(chǎn)生機(jī)理，本研究分別在COD/N為1，3，4，6的條件下進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn)，其分別代表碳源充足、適量和不足。在實(shí)驗(yàn)中，固定進(jìn)水中NO[-2]-N濃度為90 mg/L，通過(guò)改變進(jìn)水中COD濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的COD/N，詳細(xì)的配水水質(zhì)見(jiàn)表1。

批式實(shí)驗(yàn)需在周期結(jié)束后進(jìn)行。在周期結(jié)束后，手動(dòng)控制停止進(jìn)水，將反應(yīng)器內(nèi)的污泥清洗（向反應(yīng)器中添加30℃左右的溫水，經(jīng)過(guò)攪拌、靜沉后將水排出）3次，以去除反應(yīng)器內(nèi)殘留的污染物質(zhì)。然后向反應(yīng)器中重新添加5 L 30℃左右的溫水。將NO探頭和N2O探頭放置于反應(yīng)器中，待其讀數(shù)穩(wěn)定后即可進(jìn)行批式實(shí)驗(yàn)。在反應(yīng)初始階段，按照表1中污染物濃度配比向反應(yīng)器中添加C6H12O6·H2O、KH2PO4、CaCl[2]以及微量元素等。在厭氧攪拌1 h后，加入NaNO2。實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)操作均通過(guò)手動(dòng)調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，確保每組批式實(shí)驗(yàn)的初始條件一致，以減少各組實(shí)驗(yàn)之間的相對(duì)誤差。在批式實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)反應(yīng)器中NO[-2]-N的濃度低于檢測(cè)限時(shí)，即可停止實(shí)驗(yàn)。若在周期時(shí)間（8 h）內(nèi)NO[-2]-N沒(méi)有消耗殆盡，則在反應(yīng)8 h時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。每個(gè)批式實(shí)驗(yàn)需重復(fù)3次。

1.4? ?指標(biāo)分析及檢測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)中COD、NO[-2]-N、NO[-3]-N分別采用重鉻酸鉀法、N-（1－萘基）－乙二胺分光光度法、酚二磺酸分光光度法測(cè)定。NO和N2O采用微電極（NO-500和N2O-500，Unisence，丹麥）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。pH采用酸度計(jì)測(cè)定。系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)采用16Sr RNA高通量測(cè)序法進(jìn)行檢測(cè)。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?反應(yīng)器啟動(dòng)

反應(yīng)器在啟動(dòng)過(guò)程中，采用陜西省某污水處理廠好氧池中的污泥作為接種污泥，因此，要實(shí)現(xiàn)短程內(nèi)源反硝化，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化培養(yǎng)。其馴化培養(yǎng)過(guò)程中污染物濃度及去除效率的變化規(guī)律如圖1所示。

由于接種污泥取自好氧池，其主要微生物為好氧細(xì)菌，因此在反應(yīng)器運(yùn)行初期，系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出水中COD和NO[-2]-N濃度沒(méi)有明顯差異。在接種第3天時(shí)，COD和NO[-2]-N的去除率僅為8.13%和20.89%，說(shuō)明在此過(guò)程中只有少量的反硝化細(xì)菌，使得污染物不能被有效去除。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化培養(yǎng)后，出水中COD和NO[-2]-N濃度逐漸下降，COD和NO[-2]-N的去除效率增加。當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第69天時(shí)，COD和NO[-2]-N的去除效率均達(dá)到85%以上，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)富集大量的反硝化細(xì)菌，可以有效去除進(jìn)水中的污染物。當(dāng)運(yùn)行到第80天時(shí)，出水中幾乎檢測(cè)不到COD和NO[-2]-N的存在，其去除率分別達(dá)到93.81%和99.51%，說(shuō)明短程內(nèi)源反硝化反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

2.2? ?微生物群落結(jié)構(gòu)特征

為了進(jìn)一步確定短程內(nèi)源反硝化系統(tǒng)是否馴化成功，采用16Sr RNA高通量測(cè)序法對(duì)馴化前后的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定。根據(jù)鑒定結(jié)果可知，反應(yīng)器在馴化前，系統(tǒng)內(nèi)主要門(mén)類(lèi)有7個(gè)，分別是Proteobacteria（變形門(mén)），Ignavibacterae，Verrucomicrobia（疣微菌門(mén)），Bacteroidetes（擬桿菌門(mén)），Chloroflexi（綠彎菌門(mén)），Planctomycetes（浮霉菌門(mén)），Actinobacteria（放線菌門(mén)）。研究表明，Proteobacteria包含大量固氮菌和脫氮細(xì)菌，其占脫氮系統(tǒng)微生物的80%左右［16］?？梢?jiàn)，污泥馴化前微生物系統(tǒng)中主要菌門(mén)與其他常見(jiàn)污水處理系統(tǒng)中微生物主要菌門(mén)分布相似。

馴化前的活性污泥中有20多個(gè)屬，其中占比大于1%的包括Nitrosomonas（亞硝化單胞菌），Comamonas（叢毛單胞菌屬），Reharvibaculum，Chiayiivirga，Ignavibacterium，Rhodopseudomonas（紅假單胞菌屬），Thermomonas（熱單胞菌屬），Aquamicrobium（水微菌屬），Diaphorobacter，Spartobacteria_genera_incertae_sedis，Moheibacter，Limnobacter，Rehaibacterium等。由于接種污泥取自好氧反應(yīng)池，因此該污泥中好氧微生物Nitrosomonas，Phycisphaera，Truepera，Comamonas，Aquamicrobium［17–19］占比較大。

在馴化成功的活性污泥反應(yīng)器中，豐度較高的菌門(mén)包括Proteobacteria（變形門(mén)），Bacteroidetes（擬桿菌門(mén)），Ignavibacterae，Vernucomicrobia（疣微菌門(mén)），Actinobacteria（放線菌門(mén)），豐度分別為79.74%，14.60%，2.67%，1.53%，1.04%。在系統(tǒng)中，高豐度的Proteobacteria保證了氮素的良好循環(huán)。

在屬水平上，占比較大的微生物包括Raoultella（拉烏爾菌屬），Thauera（陶厄氏菌），Macellibacteroides，Paracoccus（副球菌屬），F(xiàn)lavobacterium（黃桿菌屬），Petrimonas，Ignavibacterium，Enterobacter（腸桿菌屬）。研究表明，Raoultella可以以NO[-3]-N和NO[-2]-N作為電子受體進(jìn)行反硝化。［20］Thauera是典型的反硝化細(xì)菌，該類(lèi)細(xì)菌的存在有利于氮氧化物的還原［21］。Paracoccus和Flavobacterium屬于反硝化除磷細(xì)菌，Paracoccus細(xì)菌的存在有助于NO的還原［22–23］。目前對(duì)于Macellibacteroides的功能還不明確，但是在污水生物脫氮系統(tǒng)中經(jīng)常被檢測(cè)到，說(shuō)明該類(lèi)細(xì)菌的存在有助于氮素的去除［24］。以上結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化培養(yǎng)后，SBR反應(yīng)器內(nèi)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了反硝化細(xì)菌的富集，表明該反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

2.3? ?COD/N對(duì)污染物去除性能的影響

為了確定COD/N對(duì)短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中污染物去除性能的影響，本研究對(duì)不同條件下污染物的去除效率和轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了分析，其結(jié)果如圖2和圖3所示。

根據(jù)圖2可知，COD的去除效率隨著COD/N的增加而增加。一般情況下，當(dāng)碳源不足時(shí)，COD基本會(huì)消耗完全，因此，COD的去除效率會(huì)隨著COD/N的升高而降低，而在本實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)相反的結(jié)論。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和文獻(xiàn)可知，這可能是由于難降解有機(jī)物所致［25］。彭永臻等［25］發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器中，有一部分難降解的有機(jī)物，這部分有機(jī)物可以通過(guò)儀器檢測(cè)到，但是不能參與反應(yīng)。該難降解有機(jī)物的存在會(huì)對(duì)COD的去除效率產(chǎn)生不同程度的影響。當(dāng)COD/N為1時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)水COD濃度為86.53 mg/L左右，而出水中檢測(cè)到的難降解有機(jī)物的量為28.06 mg/L。根據(jù)COD去除效率的計(jì)算公式可知，由于進(jìn)水中COD的基數(shù)較小，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)剩余的難降解有機(jī)物對(duì)COD的去除效率影響顯著。而當(dāng)COD/N較大時(shí)，COD的去除效率較高可能是以下原因所致：在短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中，COD會(huì)在厭氧階段貯存為胞內(nèi)聚合物（PHA），若COD在厭氧階段能完全貯存，則在厭氧后期，系統(tǒng)內(nèi)就檢測(cè)不到COD；若COD濃度過(guò)高，在厭氧階段不能完全貯存時(shí)，在缺氧初期，系統(tǒng)內(nèi)剩余的COD也會(huì)首先被作為電子供體參與外源反硝化（外源反硝化相比于內(nèi)源反硝化更易進(jìn)行），使得系統(tǒng)內(nèi)COD消耗殆盡。由此可見(jiàn)，COD的去除效率只與進(jìn)出水濃度有關(guān)。由于高COD/N時(shí)COD濃度較高，因此難降解有機(jī)物對(duì)COD的去除效率幾乎沒(méi)有影響，此時(shí)COD去除效率較高。

圖2顯示，NO[-2]-N也隨著COD/N的增加而增加。當(dāng)COD/N大于4時(shí)，NO[-2]-N基本可以完全被去除，其去除效率達(dá)到99.99%。這是因?yàn)樵诘虲OD/N（1和3）時(shí)，電子供體不足，NO[-2]-N不能被全部還原。而COD/N較高時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)電子供體充足，有利于NO[-2]-N的去除。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)COD/N為4時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)NO[-2]-N的完全還原。

為了進(jìn)一步了解COD/N對(duì)短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中污染物去除性能的影響，本研究對(duì)污染物降解過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不同COD/N條件下各污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖3所示。在厭氧初期，當(dāng)COD加入反應(yīng)器后，其濃度快速降低，此時(shí)，外源COD以PHA的形式貯存在細(xì)胞體內(nèi)。根據(jù)圖3 pH的變化規(guī)律可知，COD貯存的過(guò)程中pH逐漸降低。當(dāng)COD/N為1時(shí)，COD在15 min內(nèi)即可全部貯存，而COD/N為3，4，6時(shí)，COD貯存所消耗的時(shí)間分別為30 min，45 min，60 min。這說(shuō)明COD濃度越高，其貯存所消耗的時(shí)間越長(zhǎng)。進(jìn)入到缺氧階段后，即開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)源反硝化，根據(jù)NO[-2]-N的變化規(guī)律可知，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)pH逐漸升高。當(dāng)NO[-2]-N濃度不再發(fā)生變化時(shí)，pH則停止升高，說(shuō)明此時(shí)反硝化作用停止進(jìn)行。

根據(jù)圖3可知，不同COD/N條件下污染物去除所消耗的時(shí)間隨著COD/N的增加而減少，COD/N為1和3時(shí)，實(shí)驗(yàn)在8 h內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)NO[-2]-N的完全去除。這是因?yàn)楫?dāng)碳源充足時(shí)，有利于反硝化的進(jìn)行，使得NO[-2]-N可以在短時(shí)間內(nèi)被還原。當(dāng)COD/N較低時(shí)，由于缺乏電子供體，無(wú)法將系統(tǒng)內(nèi)NO[-2]-N完全還原，即使延長(zhǎng)時(shí)間，也不能實(shí)現(xiàn)NO[-2]-N的徹底去除。

2.4? ?COD/N對(duì)NO和N2O積累的影響

不同COD/N條件下NO和N2O的積累特征如圖4所示。當(dāng)COD/N為1時(shí)，NO在缺氧初期快速升高后又快速下降，其最大值為0.059 mg/L。當(dāng)COD/N為3時(shí)，NO積累特征與COD/N為1時(shí)基本一致，但其最大值相對(duì)較高，為0.1 mg/L。當(dāng)COD/N為4和6時(shí)，NO的積累量明顯升高，且積累時(shí)間較長(zhǎng)。NO的積累峰值為0.45和0.43 mg/L，積累持續(xù)時(shí)間分別為40 min和30 min。這說(shuō)明，當(dāng)COD/N從1增加到4時(shí)，NO積累峰值和積累時(shí)間隨著COD/N的增加而增加，而當(dāng)COD/N增加到6時(shí)，NO的積累峰值和積累時(shí)間有所降低。

根據(jù)圖4可知，N2O的積累量和積累時(shí)間明顯高于NO。當(dāng)COD/N為1時(shí)，在缺氧初期，N2O濃度逐漸升高，在大約190 min時(shí)出現(xiàn)平臺(tái)期，其濃度一直保持不變，之后又快速升高。當(dāng)達(dá)到最大值12.4 mg/L時(shí)，N2O開(kāi)始緩慢下降，直至反應(yīng)結(jié)束。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)仍有3.89 mg/L的N2O未被還原。值得注意的是，在該實(shí)驗(yàn)中，N2O積累出現(xiàn)的平臺(tái)期是由于N2O微電極出現(xiàn)突發(fā)性故障所致。由于N2O電極連接線接觸不良，導(dǎo)致其檢測(cè)的信號(hào)未被傳送至電腦，因此出現(xiàn)該現(xiàn)象。

當(dāng)COD/N為3時(shí)，N2O的積累峰值相比于COD/N為1時(shí)有所降低，僅為3.7 mg/L。當(dāng)COD/N為4和6時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)N2O的積累特征與COD/N為1和3時(shí)明顯不同。在缺氧初期，N2O積累量快速增加，該現(xiàn)象持續(xù)一段時(shí)間后，N2O的增加趨勢(shì)變緩，之后又恢復(fù)快速增加趨勢(shì)。當(dāng)達(dá)到峰值后，N2O在很短的時(shí)間內(nèi)快速被還原。雖然在COD/N為6時(shí)N2O的積累量高于COD/N為4時(shí)的積累量，但其還原所耗的時(shí)間明顯較短（COD/N為6時(shí)耗時(shí)10 min，COD/N為4時(shí)耗時(shí)30 min）。

3? ?討論

根據(jù)污染物的轉(zhuǎn)化規(guī)律以及NO的積累特征可知，NO的積累與厭氧時(shí)間、COD/N、游離亞硝酸（Free nitrous acid，F(xiàn)NA）和NO的抑制有關(guān)，其具體原因是：在正常反硝化過(guò)程中，NO[-2]-N會(huì)在微生物的作用下經(jīng)NO、N2O還原為N2。但是在本實(shí)驗(yàn)中，微生物經(jīng)歷1 h的厭氧階段，在這個(gè)過(guò)程中，由于缺乏電子受體，各反硝化微生物體內(nèi)的反硝化酶（亞硝酸鹽還原酶、NO還原酶、N2O還原酶）的活性均有所降低，而酶的活性需要底物的刺激才能激活［26］。因此，在缺氧初期，當(dāng)NO[-2]-N投加到反應(yīng)器中時(shí)，亞硝酸鹽還原酶活性被激活，使得NO[-2]-N迅速還原為NO。但是，在NO[-2]-N還原的過(guò)程中，NO還原酶活性還相對(duì)較低，使得產(chǎn)生的NO不能快速被還原，導(dǎo)致NO積累現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)有NO積累時(shí)，NO還原酶活性逐漸恢復(fù)，NO在短時(shí)間內(nèi)即可被還原為N2O。但是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)COD/N為4和6時(shí)，NO的積累持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，這可能與電子供給量和FNA抑制有關(guān)。當(dāng)COD/N較低時(shí)，由于電子供體較少，NO[-2]-N的還原速度較慢，產(chǎn)生的NO較少。而當(dāng)電子供體較多時(shí)，大量的NO[-2]-N被還原為NO，使得NO在短時(shí)間內(nèi)積累量增加。NO是一種有毒氣體，積累量大時(shí)會(huì)對(duì)反硝化酶產(chǎn)生抑制，其對(duì)NO還原酶的抑制閾值為0.3 mg/L［27］。當(dāng)COD/N為4和6時(shí)，NO的積累濃度峰值分別達(dá)到0.45 mg/L和0.43 mg/L，該濃度高于NO對(duì)NO還原酶的抑制濃度。因此，NO不能被還原為N2O，導(dǎo)致其積累現(xiàn)象發(fā)生。由于NO難溶于水，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)的NO一部分隨著攪拌釋放到大氣中，另外一部分被微生物還原。在此階段，NO的濃度逐漸降低。此外，F(xiàn)NA的抑制也會(huì)對(duì)NO的積累產(chǎn)生影響。如前文所述，COD的貯存會(huì)導(dǎo)致pH降低，因此，在COD/N為4和6時(shí)，厭氧結(jié)束后，由于COD的貯存，pH顯著降低。根據(jù)FNA的計(jì)算方法可知，當(dāng)NO[-2]-N濃度相同時(shí)，pH越低，F(xiàn)NA濃度越高。COD/N為4和6時(shí)，缺氧初期的FNA濃度超過(guò)其對(duì)NO還原酶的抑制閾值［28］。因此，F(xiàn)NA的抑制也在一定程度上導(dǎo)致了NO的積累。

N2O的積累量隨著COD/N的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，其積累峰值的最大值和最小值分別在COD/N為6和3時(shí)出現(xiàn)。造成該現(xiàn)象的原因是多因素作用導(dǎo)致的，主要包括COD/N、NO和FNA的抑制。

一般情況下，N2O的積累量會(huì)隨著COD/N的降低而增加。這是因?yàn)镹2O還原酶在所有反硝化還原酶中競(jìng)爭(zhēng)電子能力最弱，當(dāng)電子供體較少時(shí)，N2O還原酶由于競(jìng)爭(zhēng)電子實(shí)力較弱，導(dǎo)致N2O不能被還原為N2［29］。在本實(shí)驗(yàn)中，在COD/N為1時(shí)，電子供體嚴(yán)重不足，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)仍然有39.45 mg/L的NO[-2]-N剩余。在這種情況下，N2O不會(huì)被完全還原為N2。此時(shí)N2O的積累是由于低COD/N時(shí)電子供體的缺乏所致。在COD/N為3時(shí)，碳源較COD/N為1時(shí)多，此時(shí)，更多的N2O可以被還原。雖然在反應(yīng)結(jié)束時(shí)仍然有少量剩余，但是該條件下N2O的積累量已經(jīng)明顯降低。在COD/N為1和3時(shí)符合N2O積累的正常規(guī)律。但是，當(dāng)COD/N為4和6時(shí)，N2O的積累量卻高于COD/N為1 mg/L時(shí)的情況，這可能是FNA和NO的抑制所致。FNA和NO對(duì)N2O還原酶的抑制濃度分別為0.04和0.075 mg/L［27–28］。而在COD/N為4和6的缺氧初期，F(xiàn)NA濃度為0.35和0.20 mg/L，NO濃度分別為0.45和0.43 mg/L，該濃度明顯高于其對(duì)N2O還原酶的抑制閾值。因此，當(dāng)COD/N為4和6時(shí)，在缺氧初期，由于NO的積累和FNA的雙重抑制，導(dǎo)致N2O還原酶活性被抑制，N2O快速積累。在此過(guò)程中，由于雙重抑制的作用，反硝化過(guò)程受到抑制。由圖3可以看出，此時(shí)NO[-2]-N濃度變化幅度較小，進(jìn)一步證明NO和FNA對(duì)反硝化的抑制。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)NA和NO濃度逐漸降低，其對(duì)反硝化的抑制有所緩解，NO[-2]-N和NO濃度開(kāi)始降低。但是，由于N2O還原酶比NO[-2]-N和NO還原酶對(duì)FNA更為敏感，雖然NO的濃度已經(jīng)低于檢測(cè)限，此時(shí)N2O仍然不能順利還原為N2，所以，在此過(guò)程中出現(xiàn)了N2O的快速積累現(xiàn)象。而當(dāng)FNA濃度低于其對(duì)N2O的抑制閾值時(shí)，由于電子供體充足，系統(tǒng)內(nèi)積累的N2O在短時(shí)間內(nèi)被全部還原為N2。而且COD/N越高，N2O還原速率越快。

4? ?結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究COD/N對(duì)短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中污染物去除性能以及NO和N2O積累特征的影響，分析了NO和N2O的產(chǎn)生機(jī)理，得到的主要結(jié)論如下：

（1）COD和NO[-2]-N的去除效率隨著COD/N的增加而增加。當(dāng)COD/N較低時(shí)，由于電子供體不足，無(wú)法將系統(tǒng)內(nèi)NO[-2]-N完全還原。

（2）短程內(nèi)源反硝化過(guò)程中，與低COD/N相比，高COD/N會(huì)引起NO的大量積累。NO的積累與厭氧時(shí)間、COD/N、NO和FNA的抑制有關(guān)。

（3）N2O的積累量隨著COD/N的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的現(xiàn)象。低COD/N（1和3）條件下N2O的積累是由于電子供體不足所致，而COD/N較高時(shí)N2O的積累主要是由NO和FNA的抑制造成，其中在N2O快速增長(zhǎng)階段主要是FNA的抑制，而在N2O緩慢增長(zhǎng)階段是FNA和NO的雙重抑制。

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【責(zé)任編輯? ? 牛懷崗】

Effect of COD/N on NO and N2O Accumulation During Short-Cut Endogenous Denitrification

WANG Sha，LI Bin，SUN Jianghua

Abstract： A sequencing batch activated sludge reactor was used this study to investigate the effect of different carbon to nitrogen ratios （COD/N） （1，3，4，6） on pollutant removal performance and NO and N2O accumulation in the short-cut endogenous denitrification. The results showed that chemical oxygen demand and nitrite nitrogen removal were better when COD/N was greater than 3. The peak of NO accumulation increased first and then decreased with the increase of COD/N， and the maximum of 0.45 mg/L was achieved when COD/N was 4. While N2O accumulation showed a trend of decreasing first and then increasing. the peak of N2O accumulation was the smallest （3.7 mg / L） when COD/N was 3. The NO accumulation was related to the COD/N， anaerobic time， NO and free nitrous acid inhibition. The N2O accumulation was caused by COD/N， NO， and free nitrous acid.

Key words：carbon to nitrogen； short-cut endogenous denitrification； nitric oxide； nitrous oxide； denitrifying reductase