污水生物脱氮过程中N2O的产生机理及逸控措施研究

7
二、污水生物脱氮N20的产生机理
2.1 硝化过程
硝化过程中产生N2O 的途径主要有两种： 1. 氨氧化细菌在将NH4+-N氧化为NO2--N 的同时， 为避免NO2--N在细胞内的积累， 可在胞内诱发产生异 构亚硝酸盐还原酶，利用NO2--N作为电子受体产生 N2O。但是这一过程只有在NO2--N 浓度很高时（>1 mmol/L）才可能发生，在实际污水处理过程中很少出 现。 2. 一些好氧硝化菌（如AOB）在低溶解氧条件下可 以进行反硝化反应，从而产生N2O。 3.另外，目前已有学者发现了异养硝化菌的存在， 异养硝化过程也可产生N2O。
4
一、研究背景及意义
1.3 研究N2O的意义
随着全球气候的日益变暖，降低温室气体 的排放变得必要而紧迫，污水处理过程中 N2O的释放问题已不容忽视。目前，发达 国家已经对污水处理过程中N2O 的产生和 减量化开展了广泛的研究，而我国在此方 面的研究几乎还是空白，因此深入了解 N2O 的产生机理、影响因素和减量化策略 有积极的意义。
14
三、影响N20释放的因素
3.1 污水水质
3.1.4 N2O还原抑制物 对N2O 的产生途径分析可知，Nos 的活性和 浓度对N2O 的产生与释放有着重要影响。多种化 学物质（如H2S，甲醛，乙烯，重金属离子等）均 会对Nos酶系统产生毒性作用。Schonharting 等研 究发现，当H2S浓度（不包括HS-和S2-）高于0.32 mg/L 时， Nos活性将受到强烈的抑制， 导致污水 处理厂大量释放N2O。Garrido 等向生物滤池中投 加甲醛，发现当甲醛投加量超过阈值时，N2O 释 放量急剧上升， 停止投加后，N2O 释放现象迅速 消失。
19
三、影响N20释放的因素
3.3 运行工况
3.3.3 温度 温度作为废水生物脱氮过程的重要影响因素， 对N2O 释放也有重要影响。 1.温度对硝化过程中N2O 生成量的影响显著，这 主要是因为亚硝化速率受温度的影响程度大于硝化 速率，温度的升高破坏了亚硝化和硝化之间的平衡 ，造成NO2--N 的累积，从而增加了N2O的释放； 2.对于反硝化而言，温度虽然影响反硝化速率， 但对N2O 的产生无明显影响，这可能是因为所有的 反硝化酶和温度之间都有近似的相关性。
9
二、污水生物脱氮N20的产生机理
2.2 反硝化过程
反硝化过程中N2O 的产生主要有两种可能： 1.反硝化细菌发生Nos 活性丧失，使得在第3 个阶段 所产生的N2O 不能够进一步被还原，导致N2O 累积， 从水体中释放。污水处理系统中影响Nos 活性的因素 较多，如DO、金属离子的浓度（Cu、Ni 等）、H2S 等，这些物质的存在均可影响到N2O 的产生与释放； 2.部分反硝化细菌不具有Nos 系统，其终产物仅为 N2O。常见的为荧光假单胞菌等。 3.另外，考虑到硝化过程和反硝化过程存在共同的 中间产物NO2--N， 在有些情况下可以发生同时硝化反 硝化， 硝化过程中产生的NO2--N 直接被反硝化细菌还 原，这一现象在污泥絮体中经常出现。
12
三、影响N20释放的因素
3.1 污水水质
3.1.2 碳源种类 碳源的性质对反硝化速率和反硝化中间产物有 重要影响。 1. van Rijn 等对Pseudomonas stutzeri 反硝化过 程的研究发现， 当采用乙酸或丙酸盐为碳源时，系 统中出现亚硝酸盐积累，而当采用丁酸或戊酸盐为 碳源时，亚硝酸盐积累消失。NO2--N 的积累促进 N2O的释放； 2. Adouani 等对三种不同碳源条件下的反硝化过 程进行研究，发现当以乙酸盐为碳源时N2O 的释放 量最大，占反硝化去除的硝氮的74%。
13
三、影响N20释放的因素
3.1 污水水质
3.1.3 盐度
与生活污水相比，工业废水中含有较多 的无机化合物，较高的盐度影响氮的去除效 率，同时影响N2O的产生。Tsuneda 等的研 究结果表明：在硝化过程中，N2O 产生量随 盐度的增加而升高， 当含盐量由10g/L 增加 至20 g/L 时，硝化过程中N2O 转化率由原来 的0.22%增加至0.48%； 但盐度对反硝化过 程中N2O产生量影响较小。
5
二、污水生物脱氮N20的产生机理
污水生物脱氮的基本原理是在硝化菌及 反硝化菌的作用下，将污水中的含氮化合物 转化为气态氮化物的过程。它通常包括硝化 过程和反硝化过程，而这两个过程都可能诱 发N2O 的释放（图1）。
6
二、污水生作用是一个序列反应，可分为两个过程： 1.先由氨氧化细菌（AOB）将氨氮转化为亚硝 酸盐，催化此过程的酶有2 种：氨单加氧酶（AMO） 和羟胺氧化还原酶（HAO）。羟胺氧化成亚硝酸盐被 认为是一个分两步进行的反应，中间产物可能是与酶 结合的硝酰基（NOH）。 2.再由亚硝酸盐氧化菌（NOB）将亚硝酸盐氮转化 为硝酸盐氮，催化此过程的酶为亚硝酸盐氧化还原酶 （NOR）。
23
四、N20的逸控措施
随着污水生物脱氮工艺的普及，亟需提出切实可行的 N2O 减量化策略。 由上述分析可知影响污水生物脱氮过程中N2O释放的因 素主要包括污水水质、处理工艺、运行工况以及微生物种 群结构四个方面，因此N2O 的减量化策略也要从这四个方 面进行分析。 就污水水质而言， 实际污水污染物种类多样、成分复 杂，为降低N2O释放量而对水质进行调控是不可行的。 污水处理工艺的选择则需重点考虑水质、水量、处理 效率、基建投资以及工艺运行费用等。对同一处理工艺， 运行工况不同N2O 的释放量也不同。因此，很难优选一种 N2O 释放量低的处理工艺。 因此，生物脱氮过程中N2O 的减量化控制应主要从工 艺运行工况的优化和处理系统中微生物种群结构的调控两 个方面进行。
21
三、影响N20释放的因素
3.3 运行工况
3.3.5 氧化还原电位（ORP）
ORP 用于评价脱氮除磷中的脱氮能力。 一般说来，ORP 高，说明硝化能力好；ORP 低，说明反硝化能力强。 ORP 也是影响N2O 产生的一个重要因素 。研究发现，通过鼓风曝气维持好氧条件并 且ORP为200 mV 或者更高时，能使CH4和 N2O 的排放量比不鼓风时减少50%。
15
三、影响N20释放的因素
3.2 处理工艺
不同污水处理工艺过程中N2O 释放量有所不同： 1.在附着生长系统中，可在载体或填料上固着对 N2O 产生起控制作用的菌种，因此比悬浮生长系统更 易控制N2O； 2.与传统的顺序式硝化反硝化工艺（SQND）相比， 同步硝化反硝化工艺（SND）的脱氮与SQND 的效率 相近，但N2O 释放量却显著降低； 3.对于SBR 反应器，改变进水方式可以改变N2O 释 放量， 好氧段进水时N2O 释放量占进水中TN的3.78% ，而厌氧段进水时仅为1.95%。 可见，N2O 的释放并不完全由所采用的工艺决定， 更为重要的是工艺的运行工况。
18
三、影响N20释放的因素
3.3 运行工况
3.3.2 污泥龄（SRT)
不同微生物的世代时间各不相同，在污水 生物处理工艺中，通过控制SRT 可优化与选择 出不同的生物种群。因此，SRT 对N2O 的产生 也有很大影响。 较短的SRT 无论在硝化还是在反硝化过程 中均可以产生较多的N2O。这是因为低SRT 时 ，污水处理系统中世代时间较长的硝化菌被淘 汰，世代时间较短的硝化菌存留于系统中，这 些硝化菌对N2O 的贡献较大。
3
一、研究背景及意义
1.2 N2O的产生源
目前关于N2O 源与汇的研究尚未平衡，约有40%的 源还不清楚。但近年来的研究均表明，污水处理过 程是N2O的一个重要人为源，且其释放量有日益增 高的趋势。 Czepiel 等对美国新罕布什尔州Durham污水处理厂 的研究发现，该污水处理厂N2O 的年释放总量为 1.1×1010 t/a， 该区N2O 的人均释放系数约为3.2 g/ （人· a）。 Kampschreur 等总结前人的相关结果得到：在实验 室规模的污水脱氮过程中可能有0~90%的氮转化为 N2O释放；在实际规模的污水脱氮过程中可能有 0~14.6%的氮转化为N2O 释放。
20
三、影响N20释放的因素
3.3 运行工况
3.3.4 pH
pH 不但可改变微生物的代谢途径， 而且 对污水处理系统中的某些重要物质（如游离 氨、碱度、HNO2等）的存在形态及浓度产生 影响。 另外，pH 的改变同时影响N2O 在气液两 相中的动态平衡，低pH 有利于N2O 从水相中 逸出，当pH 为5~6 时，N2O 的产生量最大， 而pH>6.8 时没有发现N2O 的形成。
LOGO
污水生物脱氮过程中N2O的产 生机理及逸控措施研究
目 录
1 2
研究背景及意义 污水生物脱氮N2O的产生机理 影响N2O释放的因素 N2O的逸控措施 结论与展望
2
3
4
5
一、研究背景及意义
1.1 N2O的含量及危害
目前大气中三种主要温室气体是CO2、CH4、N2O。 其中，N2O 是一种痕量气体，其在大气中的浓度约为 3.14×10－7，且正以每年0.25%的速度递增。 N2O 的全球温室效应约为CO2的298 倍，且可以在大 气中稳定存在114 年，有研究表明N2O 对全球温室效 应的贡献已经占到6%。另外，N2O 还可引起臭氧层 的破坏并促进酸雨效应。 联合国环境规划署和世界气象组织共同设立的“政府 间气候变化委员会”（IPCC）已将N2O 列为影响自 然生态系统、威胁人类生存基础的重大问题。
10
三、影响N20释放的因素 N2O 通常被认为是不完全硝化作 用或不完全反硝化作用的产物，所以 影响N2O 产生和释放的因素很多，大 体可以归纳为污水水质、处理工艺、 运行工况以及微生物种群结构四个方 面。
11
三、影响N20释放的因素
3.1 污水水质
3.1.1 碳氮比（C/N) 碳氮比决定反硝化过程进行的程度， 碳氮比越高， 反硝化脱氮效果越好。 1.当外源碳不足时，反硝化细菌利用自身内源碳进 行反硝化，反硝化过程难以彻底进行，导致NO2--N 的 积累，N2O 释放量增多； 2.同时，Nos 对电子的竞争能力最弱，低碳氮比使 Nos的合成受到抑制，也是导致N2O 释放的一个原 因； 3. Kishida 等对畜禽废水反硝化过程的研究发现， C/N 比为2.6 时反硝化过程N2O 的释放量是C/N 比为4.5 时的10倍多。