甲醇型和乙酸钠型反硝化过程一氧化二氮释放的影响

王东豪

(陆军工程大学国防工程学院，江苏南京 210007)

1 概述

现有研究表明:一氧化二氮(N2O)具有很强的温室效应，其温室效应强度约是二氧化碳(CO2)的320倍［1，2］，占全球温室效应气体贡献率的5% ～6%［3］。生物反硝化脱氮过程是N2O的重要来源［6］，现有的资料表明，全球生物反硝化脱氮的年排放的N2O量约为0.3×1012kg～3×1012kg，占全球 N2O总排放量的2.5% ～25%。

国内大部分脱氮方法采用生物反硝化脱氮工艺。有鉴于此，该过程产生的 N2O等温室气体［7］，受到社会各界的广泛关注。

现如今的反硝化工艺运行时往往存在有机电子供体不足，引发反硝化不完全，中间产物积累等问题，所以很多污水处理厂反硝化都需要投加外源碳源。甲醇(CH3OH)、乙酸钠(CH3COONa)是现阶段异养反硝化常用的电子供体，具有易降解，效率高，成本低，产泥少等一系列优势。本实验拟利用该两种碳源，研究不同碳氮比浓度下的反硝化气态产物(重点关注N2O)变化规律。其具体目的如下:1)研究不同电子供体(甲醇、乙酸钠)对一氧化二氮释放的影响;2)研究不同C/N比对N2O释放的影响。

2 材料和方法

2.1 实验装置

实验采用180 mL玻璃血清瓶，瓶口采用橡胶塞封口。内置颗粒污泥，反应基质，顶空曝气。血清瓶置于恒温槽中，温度维持在30℃ ±1℃，恒温30 min后将血清瓶移至35℃ 160 rpm摇床培养，培养时间控制在40 h。

2.2 批次实验

试验目的为:探寻不同工况下N2O的释放情况:

2)碳氮比变化对试验影响(电子饱和、电子不足、电子饥饿:COD/分别为 4.5，2.5，1.5)。

每一批试验所用颗粒污泥均取自于已分别用甲醇、乙酸钠驯化5个月的反应器。取2 000 mL量杯配置反应液1 L加入MgSO4·7H2O 0.1 g，CaCl20.3 g，KH2PO40.1 g，微量元素 1 mL，维生素1 mL，容积为180 mL封顶血清瓶中加不含基质培养基60 m l，取活性污泥储备液若干沉淀(20 mL)，用清水不含基质培养基洗3遍，转入血清瓶，用Ar置换其中空气10 min，盖上铝盖;采用橡胶瓶塞并用注射50μL注射器用于气体采样。试验过程中，血清瓶置于35℃160 rpm摇床培养。

2.3 分析方法

N2O气体的监测利用气相色谱仪(Agilent Technologies USA)。具体仪器参数如表1所示。

表1 气相色谱仪具体参数表

3 结果与讨论

3.1 甲醇做电子供体时不同碳氮比下一氧化二氮随反应时间变化

图1为甲醇作为电子供体时不同碳氮比下反硝化过程中反应系统中的N2O积累量与时间的关系。当C/N=1.5时，微生物(缺氧反硝化菌)体内有机物是反应的碳源来源，为反硝化过程提供能量，随之带来的情况就是系统反硝化速率低。N2O是反硝化的中间产物，随着反应的进行，N2O积累量迅速上升，在1 h时达到35 000 ppm。在0.8 h～1 h时，N2O产生量减少，N2O还原量增加，N2O积累速率随之下降。随着反硝化过程的进行，N2O作为电子受体，在1 h～40 h内被还原至氮气。

图1 甲醇为电子供体时不同碳氮比下N2O产生量与时间曲线

究其原因当C/N=1.5时(即无外加碳源)，反硝化过程主要碳源为微生物内源物质，该种体内碳源进行反硝化，该过程的前1.5 h N2O积累量随反应时间增加而增大，N2O还原酶作为电子受体在与其他酶竞争碳源时能力较弱，N2O无法抢夺更多电子进行还原反应，以致于N2O积累量大量上升。

当C/N=2.5时，反硝化过程中率先被消耗的是人为外加碳源，反应速率提升，N2O产生速率也增加，在0.5 h积累量增至最大。随后，一氧化二氮净产量逐渐降低，在接下来0.5 h迅速削减;随反硝化过程的进行一氧化二氮在16 h内被消耗殆尽。碳氮比继续增加至4.5，电子供应充足，在0 h～0.5 h内一氧化二氮仅存在微量的积累。系统在2 h之内完成一氧化二氮的产生及还原过程。

究其原因，C/N=2.5，反硝化过程初期(0 h～0.5 h)的碳源利用情况与C/N=1.5相同，N2O还原酶产生率小于NO2－还原酶产生率，反应伊始即有N2O的迅速增加情况发生，并且在0.5 h达到最大值，远小于C/N=1.5的0.8 h。此时，反硝化反应内仍遗留剩余的部分碳源致使N2O还原酶产生率增加。此时，外加碳源同时被N2O还原酶和还原酶两者分解用作电子供体。系统N2O积累量从C/N=1.5时的38 400 ppm降至3 800 ppm，积累量骤减。

当C/N=4.5时，此时的反硝化反应体系中为N2O还原酶和还原酶提供了足够多的碳源，在反应开始初期，由于N2O还原酶的合成速率低于还原酶的合成速率，因此，在0 h～0.5 h的反应过程中N2O还是有部分积累，积累量仅为700 ppm远小于C/N=1.5时的38 400 ppm和C/N=2.5时的3 800 ppm。随着反应的进行，充足的外加碳源的存在为反硝化反应体系中提供了充足电子使和N2O在同一时间还原。上述二者对电子供体的争夺消失。由此，在0.5 h～1 h内，反应体系中所有积累的N2O被还原至N2。

综上，N2O在反硝化过程中的迅速被还原均伴随着NO2－的还原，在本研究中不论初始C/N如何改变，即碳源充足与否不影响反硝化过程初始阶段的N2O积累，由此可得缺少N2O还原酶导致了初期反硝化过程的N2O的大量累积。

3.2 乙酸钠做电子供体时不同碳氮比下一氧化二氮随反应时间变化

图2为乙酸钠作为电子供体时不同碳氮比下反硝化过程中系统一氧化二氮产生及还原过程。电子饥饿时，一氧化二氮在前5 h有明显的积累过程，积累速率先上升后下降，4 h后积累量小于还原量被迅速消耗。碳氮比增加至2.5，反硝化速率增加，一氧化二氮仅在0 h～0.5 h有微量的积累，随后在接下来0.5 h迅速削减并被消耗殆尽。继续增加至4.5，系统未检测出一氧化二氮的产生。

图2 乙酸钠为电子供体时不同碳氮比下N2O产生量与时间曲线

为解决碳源不足所致的不彻底的反硝化反应产生的N2O，乙酸钠、甲醇等物质通常被用作优质的外加碳源促进反硝化反应体系从而避免上述问题的产生。但外加碳源的种类往往影响N2O产生和释放量。

甲醇、乙酸钠是现阶段异养反硝化常用的电子供体，具有易降解，效率高，成本低，产泥少等一系列优势。

表2为连续流反应器进出水硝氮，亚硝氮变化通过电子衡算后得出的甲醇，乙酸钠在不同的碳氮比下电子在硝酸盐还原酶，亚硝酸盐还原酶，一氧化二氮还原酶的分配情况。横向比较看，各碳氮比相同条件下为甲醇碳源时一氧化二氮还原酶电子分配均小于乙酸钠做碳源。这就很好的解释了各碳氮比相同条件下甲醇碳源时一氧化二氮的积累量远大于乙酸钠，如图3，图4所示。

表2 不同碳源不同碳氮比条件下电子在NaR，NiR，N2 OR中的分配情况

图3 甲醇做碳源C/N=1.5时主要反硝化酶的电子分配

图4 乙酸钠做碳源C/N=1.5时主要反硝化酶的电子分配

4 结语

1)反硝化反应中碳源是影响短程反硝化过程的N2O积累量的决定因素之一。相同碳氮比条件下，选择乙酸钠做碳源可以更好避免一氧化二氮产生。

2)碳氮比大于4.5可以为反硝化过程提供充足的碳源，其也是降低生物反硝化脱氮过程中N2O产量的重要途径。

3)甲醇，乙酸钠做碳源时，N2O积累的主要原因是微生物在生物脱氮反硝化初期N2O还原酶的缺失。