气水比对曝气生物滤池N2O产生的影响

刘秀红， 周　瑶， 孟雪征， 谷鹏超， 杨　庆， 黄斯婷

(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京　100124；2.中国人民大学环境学院， 北京　100872)



气水比对曝气生物滤池N2O产生的影响

刘秀红1，2， 周瑶1， 孟雪征1， 谷鹏超1， 杨庆1， 黄斯婷1

(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京100124；2.中国人民大学环境学院， 北京100872)

城市污水； 曝气生物滤池； 硝化反应； 气水比； N2O

曝气生物滤池(biological aerated filter, BAF)是20世纪80年代末在欧美发展起来的一种集过滤、生物吸附、生物氧化于一体的新型污水脱氮技术，具有水力负荷高、占地面积小、污泥产量少、能耗低等优点[1]. 许多研究人员在采用BAF研究短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等新型脱氮工艺时发现，在好氧过程中有明显的TN去除现象[2-3]. TN去除一方面是由于供氧不足和生物膜内部微环境导致同步硝化反硝化反应的发生；另一方面可能是硝化过程中N2O气体的产生. 污水的生物脱氮过程是温室气体——N2O的重要产生源之一，大气中N2O的体积分数每增加1倍，全球地表温度将平均上升0.3 ℃[4]. N2O体积分数增加将对地球生态系统、人类生存环境等产生严重影响. 随着新型污水脱氮工艺的不断发展，N2O产生量增加的问题随之产生，Zeng等[5]在DO质量浓度为0.45～0.55 mg/L的条件下，实现了亚硝酸盐型同步硝化反硝化，但N2O是反应的主要气态终产物；Jia等[6]对同步硝化反硝化与传统硝化反硝化N2O的释放情况进行了比较，结果表明前者N2O的释放量为后者的4倍. 因此，N2O的产生问题不容忽视. 随着BAF在污水处理中的应用越来越广泛，污水厂及再生水厂仍有可能释放大量的N2O，而目前此方面的研究报道较少.

气水比是保证BAF中污染物去除的重要影响因素之一. 气水比过大时，会造成能量的浪费，并且气流的摩擦、剪切作用容易对生物膜造成过度冲刷；气水比过小时，异养菌和硝化细菌得不到充足的氧气，影响BAF对污染物的去除效果. 目前，有关气水比对曝气生物滤池N2O产生问题的研究未见报道.

因此，本试验采用实际城市污水，研究不同气水比对BAF硝化效果和TN去除的影响；确定不同气水比条件下，BAF中N2O的产生与转化情况；通过不同气水比条件下，BAF硝化效果、TN去除效果与N2O的产生情况综合比较分析，确定本试验条件下BAF运行的最佳气水比，并为BAF中N2O的减排控制提供依据.

1　材料与方法

1.1试验用水水质

试验用水来自北京市高碑店污水处理厂初沉池出水，水质情况见表1. BAF滤速为0.6 m/h，水力停留时间为1.5 h，试验期间平均水温为25～28 ℃.

表1试验进水水质

Table 1　Characteristics of wastewater mg·L-1

1.2试验装置与运行条件

本试验采用上向流BAF反应器. 试验装置如图1所示. 滤池为内径为20 cm的有机玻璃柱，总高为2 m. 承托层由鹅卵石组成，总高为0.15 m；滤料层采用的滤料为粒径为4～6 mm的火山岩，总高为0.75 m，有效容积为23.6 L，滤柱外壁设有7个取样口，取样口间距为15 cm. 火山岩滤料的主要特性见表2.

1.3试验分析方法

1.3.1水质分析方法

1.3.2N2O的测定

BAF中N2O的测定包括N2O释放量和溶解态N2O两部分. 其测定方法参考刘秀红[7]N2O的测定方法.

N2O气体采用Agilent 6890N气相色谱仪进行测定；色谱柱为HP-Plot/分子筛(30 m×0.53 mm内径×25 μm膜)；色谱条件为：进样口110 ℃，炉温180 ℃；ECO检测器300 ℃；所有气体样品均测定3次.

N2O释放量测定：BAF反应器整体密闭，排出的气体经干燥除水分后，收集于气体采样袋中. 直接用气相色谱测定气体中N2O的质量浓度.

溶解态N2O采用上部空间法测定. 在密闭条件下，取沿程水样，分别加入0.5 mL质量浓度为1 000 mg/L的HgCl2溶液抑制残余的微量微生物的活性. 将制好的样品放入恒温磁力搅拌器中震荡1 h后，测定上部气体中N2O的质量浓度，根据测定的N2O的质量浓度及亨利定律计算溶解态N2O的质量浓度.

1.4试验过程

BAF采用接种挂膜启动后，在气水比为9.8∶1的条件下连续稳定运行30 d后，逐一考察气水比为9.8∶1、5.0∶1和2.5∶1的条件下，滤池中水质参数、N2O释放量和溶解态N2O的变化情况，每个阶段的运行时间为25 d.

2　试验结果与讨论

2.2不同气水比条件下N2O产生与转化情况

2.2.1不同气水比条件下N2O的释放比例

2.2.2不同气水比条件下溶解态N2O-N的产生量

从图5可以看出，气水比不同时，沿程溶解态N2O-N出现最高质量浓度的位置以及最高浓度也不同，并且出水溶解态N2O-N的质量浓度随气水比的减小而增加. 当气水比为9.8∶1时，在0～0.15 m，几乎没有溶解态N2O-N的产生；在0.15～0.60 m，溶解态N2O-N产生速率逐渐变大，在层高为0.60 m时，溶解态N2O-N的质量浓度达最大值，为0.422 mg/L；在0.6～0.9 m，溶解态N2O-N有部分被消耗，最终出水质量浓度为0.155 mg/L. 当气水比为5.0∶1时，在0～0.3 m，溶解态N2O-N的产生量很低；在层高为0.30～0.45 m和0.60～0.75 m，溶解态N2O-N的产生速率基本相同；在0.45～0.60 m，溶解态N2O-N的产生速率有所降低；在层高为0.75 m时达到最大值，为0.579 mg/L；在0.75～0.90 m，溶解态N2O-N逐渐被消耗，最终出水质量浓度为0.274 mg/L. 当气水比为2.5∶1时，在0～0.6 m，溶解态N2O-N的产生量很低；在0.6～0.9 m，产生速率逐渐增加，在层高为0.9 m时，达到最大值，为0.321 mg/L；最终出水质量浓度为0.292 mg/L.

上述试验结果表明，在气水比为2.5∶1和9.8∶1的条件下，出水溶解态N2O-N的产生量分别为最高和最低；原因是气水比为2.5∶1时，曝气量低，气体的吹脱作用微弱，并且在层高为0.90 m即出水区，溶解态N2O-N的质量浓度达到最大，没有后续的消耗；当气水比为9.8∶1时，曝气量大，气体的吹脱作用最强，溶解态N2O-N的最大质量浓度出现的层高为0.6 m，在0.6～0.9 m，是逐渐被消耗的，这是导致出水溶解态N2O-N质量浓度低的主要原因.

2.3不同气水比条件下氮素转化与N2O产生的相关关系

3　结论

3) 综合考虑硝化效果、TN去除效果以及N2O减排控制，本试验条件下BAF中适宜控制气水比为5.0∶1.

[1] 张敏, 黎云祥. 曝气生物滤池工艺去除氨氮影响因素分析[J]. 甘肃科技, 2011, 27(6): 73-75.

[2] 岳三琳, 刘秀红, 施春红, 等. 生物滤池工艺污水与再生水处理应用与研究进展[J]. 水处理技术, 2013, 39(1): 1- 6.

YUE S L, LIU X H, SHI C H, et al. Research and application progress of biofilter process for wastewater treatment and reuse[J]. Technology of Water Treatment, 2013, 39(1): 1- 6. (in Chinese)

[3] 李婷, 董文艺, 王宏杰, 等. 气水比对曝气生物滤池处理生活污水的影响[J]. 给水排水, 2011, 37: 50-54.

LI T, DONG W Y, WANG H J, et al. Impact of gas-water ratio on treatment of urban domestic wastewater in biological aerated filter [J]. Warer & Wastewater Engineering, 2011, 37: 50-54. (in Chinese)

[4] 王赛, 王淑莹, 巩有奎, 等. 新型生物脱氮工艺中N2O产生及释放研究进展[J]. 水处理技术, 2010, 36(3): 5-9.

WANG S, WANG S Y, GONG Y K, et al. Progress of N2O production and emission in novel biological nitrogen removal processes[J]. Technology of Water Treatment, 2010, 36(3): 5-9. (in Chinese)

[5] ZENG R J, LEMAIRE R, YUAN Z, et al. Simultaneous nitrification denitrification and premoval in a lab-scale sequencing batch reactor [J]. Jounal of Biotechnology and Bioengineering, 2003, 84(2): 170-178.

[6] JIA W, ZHANG J, XIE H, et al. Effect of PHB and oxygen uptake rate on nitrous oxide emission during simultaneous nitrification denitrification process[J]. Bioresource Technology, 2011, 113: 232-238.

[7] 刘秀红. 生活污水全程与短程硝化生物脱氮过程中N2O产生与控制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008.

LIU X H. Production and reduction control of nitrous oxide during complete nitrification and short-cut nitrification from domestic wastewater[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2008. (in Chinese)

[8] MORGRENROTH E, WILDERER P A. Influence of detachment mechanism on competition in biofilms[J]. Water Research, 2000, 34: 417-426.

[9] 邵志昌, 陆少鸣. 气水比对高速给水曝气生物滤池脱氮效果的影响[J]. 水处理技术, 2011, 37(3): 88-90.

SHAO Z C, LU S M. Effect of air/water ratio on high-rate UBAF for the removal of ammonia[J]. Technology of Water Treatment, 2011, 37(3): 88-90. (in Chinese)

[10] 刘秀红, 彭永臻, 马涛, 等. 硝化类型对污水脱氮过程中N2O产生量的影响[J]. 中国环境科学, 2007, 27(5): 633-637.

LIU X H, PENG Y Z, MA T, et al. Influence of nitrification type on N2O production in nitrogen removal treating domestic wastewater[J]. China Environmental Science, 2007, 27(5): 633-637. (in Chinese)

[11] BLACKMER A M, BREMNER J M, SCHMIDT E L. Production of nitrous oxide by ammonia-oxidizing chemoautotrophic microorganisms in soil [J]. Applied and Enviromental Microbiology, 1980, 40(6): 1060-1066.

[12] KAMPSCHREUR M J, TEMMINK H, KLEERBEZEM R, et al. Nitrous oxide emission during wastewater treatment[J]. Water Research, 2009, 43(17): 4093-4103.

[13] 尚会来, 彭永臻, 张静蓉, 等. 污水生物处理过程中N2O的产生和减量化控制[J]. 中国给水排水, 2008, 24(14): 1- 5.

SHANG H L, PENG Y Z, ZHANG J R, et al. Production and reduction control of nitrous oxide during biological nitrogen removal from domestic wastewater[J]. China Water & Wastewater, 2008, 24(14): 1- 5. (in Chinese)

[14] WRAGE N, VELTHOF G L, VAN BEUSICHEM M L, et al. Role of nitrifier denitrification in the production of nitrous oxide[J]. Soil Biology & Biochem, 2001, 33(12/13): 1723-1732.

[15] YU R, KAMPSCHREUR M J, VAN LOOSDRECHT M C, et al. Mechanisms and specific directionality of autotrophic nitrous oxide and nitric oxide generation during transient anoxia[J]. Environmental Science and Technology, 2010, 44(4): 1313-1319.

[16] 邱立平, 马军. 曝气生物滤池的生物膜及其微生物种群特征[J]. 中国环境科学, 2005, 25(2): 214-217.

QIU L P, MA J. Characters of biofilm and its microorganism population in biological aerobic filter[J]. China Environmental Science, 2005, 25(2): 214-217. (in Chinese)

(责任编辑吕小红)

Influence of Air-Water Ratio on the N2O Production in Biological Aerated Filter

LIU Xiuhong1，2, ZHOU Yao1, MENG Xuezheng1， GU Pengchao1, YANG Qing1, HUANG Siting1

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China)

municipal wastewater； biological aerated filter； nitrification； air-water ratio； N2O

2015- 03- 10

北京市科技新星计划资助项目(XX2013006)

刘秀红(1979—)， 女， 高级工程师， 主要从事新型污水生物脱氮及其过程控制方面的研究， E-mail: lxhfei@163.com

U 461； TP 308

A

0254-0037(2016)05-0795-06

10.11936/bjutxb2015030025