不同碳源对颗粒污泥反硝化过程中N2O产生量的影响

曾 巍，高大文，2*

(1.东北林业大学林学院，哈尔滨150040;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

随着人们对生物脱氮过程微生物机理进行不断的探索，逐渐发现硝化与反硝化过程中都会产生N2O气体。N2O与CO2、CH4同样都是可以破坏臭氧层的温室气体，但它的温室效应却是CH4的5～12倍和CO2的200～300倍，并且在大气中可以存留114a［1］。N2O能够大量吸收红外辐射，这种吸收能力是CO2的250倍［2］。目前大气中N2O浓度为619.36ug/L，并且正在以每年0.25% ～0.31%速度增长，也就是说，N2O的浓度在大气中每增加一倍会导致全球升温0.3℃［3］。N2O一般在对流层中会很稳定。但进入平流层就会产生光解作用，成为平流层中NO和NO2的重要来源，破坏平流层中的O3

［4］。N2O是生物圈氮循环中由水体、土壤等堆积过程中微生物作用的产物。研究发现污水生物脱氮过程是N2O的重要产生源，因此人们对于不同脱氮途径和控制参数对N2O产生的影响做了大量的研究分析，但是对于好氧颗粒污泥系统的脱氮过程中是否有N2O的生成，以及改变投加的外部碳源是否会影响N2O的生成量等方面的研究报道很少。

深入研究不同碳源对好氧颗粒污泥系统中N2O的影响，对于优化污水生物脱氮工艺，采取有效手段控制污水生物处理过程中产生的N2O逸出，减少实际工程中污水处理费用有重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验用水水质及种泥

试验在研究过程中采用序批式反应器 (SBR)，利用人工配的模拟生活污水作为实验用水。根据研究要求以自来水为水源，投加NH4Cl、KH2PO4和葡萄糖用以达到系统所需的氨氮、磷酸盐浓度值以及COD。其中NH+4－N30±2mg/L，PO3－4－P 0.04mg/L，COD 300mg/L。投加NaHCO3用以提供硝化阶段所需碱度，入水pH范围在7～8之间。并且为满足体系内微生物生理活动所需的微量元素，每个运行周期均投加1mL/L营养液。

试验所用污泥取自试验室已培养成熟的具有短程硝化反硝化功能的好氧颗粒污泥，系统的MLSS维持在3030mg/mL，SVI为33mL/g，好氧颗粒污泥呈现为黄褐色椭球形，表面光滑，颗粒结构紧密。

1.2 试验装置

该SBR反应器如图1所示，由有机玻璃制成，整个体系为密闭结构，工作容积为3.2L，上部设有可以关闭的注水槽，底部设有呈漏斗状的排泥管，内部以粘砂头作为微孔曝气器。下部有鼓风向上曝气，并且采用转子流量计将曝气量固定调节为0.1m3/h，缺氧阶段采用机械搅拌器进行稳定的匀速搅拌;反应器外部用石棉布将反应器外壁包裹起到保温作用，在石棉网上缠有平行的电热保温丝，并且用温度控制仪保证反应器内的水体温度维持在实验要求的范围。反应器右侧不同高度处设有三个采样口。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.3 运行方案

本实验运用长期运行的稳定SBR反应器进行试验，运行方式包括:进水，曝气，投加碳源，搅拌，沉淀，排水和闲置7个阶段，并且这7个阶段均用人工手动控制。密闭的反应器在温度为31±0.5℃的条件下运行，好氧时间固定为240min，缺氧时间固定为40min，试验过程中恒定曝气量为0.1m3/h，系统DO维持在3.5mg/L以上。在好氧阶段结束后，分别向体系中投加甲醇、乙醇作为反硝化阶段外加碳源。每个条件下各运行10d，并在每个条件下运行到第20个周期时取样检测，考察变换碳源对短程硝化反硝化型颗粒污泥脱氮过程中N2O产生量的影响，试验过程中系统运行方式及运行条件不改变。

1.4 分析方法

1.4.1 水样分析方法

试验水质中NH+4－N、NO－2－N、NO－3－N、COD以及MLSS的分析方法均采用国家环境保护总局发布的标准方法［5］。运用 Multi340i型便携式pH、DO测定仪测定体系内pH与DO的动态变化。

1.4.2 N2O分析方法

气态N2O测定采用日本岛津2010气相色谱仪，运用 Porapak Q色谱柱 (30m×0.53mm×20μm)。色谱条件为进样口温度 150℃;柱温70℃;ECD检测器300℃;采用上部空间法测定活性污泥混合液中溶解的 N2O。用玻璃注射器(50mL)抽取20mL颗粒污泥混合液以及30mL的空气，加入1mL H2SO4(1mol/L)抑制微生物的活性，静置1h后取注射器内上部气体进行气相色谱检测［3，6，7］。

2 结果与分析

碳源种类对反硝化菌菌群结构存在一定的影响，因此首先通过硝化作用实现硝态氮的积累，硝化结束时分别投加甲醇、乙醇，分析改变碳源后N2O生成量的变化规律。图2所示为一个周期内反硝化阶段投加甲醇作为碳源的三氮浓度以及N2O浓度的变化图。

由图2可知，当缺氧开始时，释放气体中N2O浓度为0.97mg/L，在整个缺氧过程中随着氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐浓度的降低，N2O浓度也随之下降。反硝化过程中N2O浓度最高值为0.42mg/L，检测出来的N2O气体大部分来自于反硝化过程中产生的N2O气体，小部分可能是来自于反应器顶部残留的N2O和活性污泥中累积的N2O气体。并且经过分析，好氧阶段产生的N2O浓度最高值为21 mg/L，是反硝化过程中N2O浓度最高浓度的50倍。

图2 反硝化阶段投加甲醇作为碳源的三氮浓度变化图Fig.2 The nitrogen concentration of methanol carbon sources during denitrification stage

以乙醇为碳源时系统一个周期内N2O浓度以及三氮的变化趋势如图3所示。当好氧结束时，释放气体中N2O浓度为1.21mg/L，在整个缺氧过程中N2O浓度随着氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐浓度的降低而下降。好氧阶段产生的N2O浓度最高值为0.87 mg/L。

图3 反硝化阶段投加乙醇作为碳源的三氮浓度变化Fig.3 The nitrogen concentration of ethanol carbon sources during denitrification stage

以甲醇和乙醇作为碳源在反硝化阶段产生的溶解态的N2O浓度变化情况如图4所示，在缺氧条件下甲醇作为外部碳源所产生溶解态的N2O浓度最高为0.082 mg/L，而乙醇作为碳源所产生溶解态的N2O浓度最高仅为0.077 mg/L。因此，无论是采用甲醇还是乙醇，它们对反硝化过程中产生的溶解态N2O影响不大，可以忽略不计。

图4 投加甲醇和乙醇作为碳源时溶解态的N2O浓度变化Fig.4 Dissolved N2O as methanol and ethanol added as carbon sources

3 结论

采用甲醇与乙醇作为碳源时均在好氧颗粒污泥系统的缺氧反硝化阶段检测出有气态和溶解态N2O生成。在反硝化过程中向系统投加的作为外部碳源的甲醇与乙醇充足的情况下，系统内N2O生成量很小，可以忽略不计。因此，投加不同的碳源对好氧颗粒污泥反硝化过程中N2O生成影响不大，同时也不会影响N2O气体作为最终产物的产生。

［1］IPCC.Climate Change:the Scientific Basis.Cambridge University Press，2001.

［2］许文彬.概论N2O大其浓度演变及其大气化学［J］.地质地球化学，1999，27(3):74 －80.

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［4］Balmelle B.Study of factors controlling nitrite build－up in biological processes for water nitrification［J］.Wat Sci Tech，1992，26:1018－1025.

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［7］胡林林，王建龙，文湘华，等.低溶解氧条件下生物脱氮研究中的新现象［J］.应用与环境生物学报，2003，8(4):444 －447.

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