磁场强度对低温污水生物脱氮过程中N2O产生特征的影响

陈 辉 周慧剑 徐卫敏

(浙江华海药业股份有限公司，浙江 台州 317024)

N2O作为一种强温室气体，其增温潜能值是CO2的265倍，且N2O还是一种重要的臭氧消耗气体，它对全球气候变化的影响日益显著[1-2]。污水生物处理过程是N2O重要的人为排放源之一。据报道，污水处理过程中N2O的释放量约为3.0×105～3.0×106t/a，占全球N2O总释放量的2.5%～25.0%。污水处理过程中，N2O主要来源于生物脱氮工艺的硝化反应和反硝化反应，包括羟胺的不完全氧化、氨氧化细菌(AOB)的反硝化和异养菌的反硝化等[3]。因此，污水生物脱氮过程中的N2O减量化控制对于城镇污水处理厂的低碳绿色运行具有重要意义。

低温是我国冬季北方地区和南方大部分地区城镇污水处理厂运行中面临的重要难题[4]。当环境温度低于10 ℃时，微生物的活性和群落结构多样性将受到严重抑制，进而可导致硝化和反硝化过程不完全、脱氮效率下降、N2O产量升高等问题[5]6。VASILAKI等[6]研究发现，硝化和反硝化过程中，N2O的释放量随温度的降低呈现出升高的趋势。ADOUANI等[7]研究发现，在序批式活性污泥反应器(SBR)反硝化过程中，随温度的降低反硝化酶活性也呈现出降低的现象，进而导致N2O产量升高。此外，有报道指出，N2O还原酶相比于其他反硝化还原酶对于低温更为敏感，进而其活性将受到更大的抑制[8]。因而，寻找低温下强化微生物活性、削减N2O产生的方法，是当前污水生物脱氮工艺运行过程中亟需解决的问题。目前，关于低温下污水生物脱氮过程中N2O的控制策略，主要集中在溶解氧(DO)浓度、碳氮比(C/N)等影响因素的调控[9-10]方面，但往往需要较大的投资和运行费用，且微生物的活性和群落结构难以得到充分保证，导致N2O减排效果欠佳。

近年来，越来越多的研究发现，低温下磁场可有效提高活性污泥微生物的活性，提高污水生物处理效率，如促进化学需氧量(COD)和总氮(TN)的去除[11]68等。磁场可通过影响微生物细胞膜及其运输系统、胞内磁力和电流间的相互作用等途径影响微生物的生命活动[12]。NIU等[13]研究发现，磁场可有效提高活性污泥微生物的适冷性能，低温下15～40 mT的磁场强度可有效促进微生物活性的提高。WANG等[14]研究发现，48 mT的磁场强度可以增强亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的活性和生长。此外，磁场可促进污水生物脱氮工艺中硝化菌和反硝化菌的富集，提高反硝化功能基因丰度和反硝化酶活性[15-16]。这些微生物功能基因丰度、反硝化酶活性及群落组成的变化，对N2O的产生起着决定性的作用。因此，低温下污水生物脱氮过程中N2O的产生和排放将很可能受到磁场的影响。然而，目前关于磁场对低温污水生物脱氮过程中N2O的产生和排放的影响还鲜有报道。

为此，本研究在不同磁场强度(0、10、45、75 mT)下低温(10 ℃)运行SBR，考察磁场强度对低温下污水生物脱氮过程中N2O排放的影响，并从硝化酶及反硝化酶活性、AOB及NOB活性和群落结构的角度，解析磁场影响污水生物脱氮过程中N2O排放的机制，以期为低温下污水生物处理过程中N2O的减排提供理论依据和技术参考。

1 材料和方法

1.1 实验装置和运行条件

接种污泥为南京市某城镇污水处理厂曝气池活性污泥。在低温培养箱中((10±2) ℃)运行4个有机玻璃制成的SBR(分别记为R1～R4)，有效体积均为2 L，将长20.0 cm、宽8.0 cm、厚2.5 cm的永磁铁平行放置在SBR旁提供磁场，通过调节永磁铁磁感应强度控制R1、R2、R3、R4中心磁场强度分别为0、10、45、75 mT。SBR每天运行5个周期，每个周期包括缺氧0.8 h、好氧2.0 h、沉淀1.0 h、排水静置1.0 h，水力停留时间设置为9.6 h，污泥龄约为30 d，反应器内混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度控制在3 000 mg/L左右。采用模拟废水作为进水，分别以乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾为碳源、氮源和磷源，调节模拟废水COD、氨氮、总磷(TP)分别为200、20、3 mg/L，用NaHCO3调节模拟废水pH为7.2±0.2，每升进水中加入0.6 mL的微量元素溶液，具体组成见文献[5]。反应器顶盖上的圆孔可插入N2O微电极探头，用于混合液中溶解态N2O及气态N2O的在线监测，SBR装置见图1。

图1 SBR示意图Fig.1 Schematic diagram of SBR

为了进一步深入探究磁场对低温下SBR释放N2O的影响，开展了磁场对硝化和反硝化影响的批次试验。分别取4组SBR曝气结束前和排水结束后活性污泥混合液100 mL放入锥形瓶中，调节MLSS在3 000 mg/L后，在原有条件下分别进行曝气和搅拌，用N2O微电极探头在线测定锥形瓶中气态N2O浓度变化，分析曝气硝化和缺氧反硝化过程N2O的释放情况。

1.2 分析项目和方法

1.2.1 水质指标和N2O的测定

1.2.2 微生物活性指标的测定

参考文献[5]测定活性污泥的比好氧速率(SOUR)；参考文献[15]测定活性污泥的氨氧化速率(AOR)；分别向SBR内投加5 mg/L烯丙基硫脲和20 mmol/L的NaClO3作为AOB、NOB选择性抑制剂，通过活性污泥SOUR的变化表征AOB和NOB活性；参考文献[18]进行氨单加氧酶(AMO)、硝酸盐还原酶(NAR)、亚硝酸盐还原酶(NIR)和N2O还原酶(NOS)活性的测定；参考文献[19]进行羟胺氧化酶(HAO)活性的测定。经过3个污泥停留时间后，认为反应器处于稳定运行状态，取6个污泥样品进行微生物活性的测定，取平均值。

1.2.3 微生物群落结构分析

活性污泥微生物群落结构采用16S rRNA基因高通量测序进行检测，采用FastDNATMSpin Kit试剂盒提取脱氧核糖核酸(DNA)，提取步骤按照试剂盒说明书进行。将提取的DNA稀释至20 ng/μL，进行聚合酶链式反应(PCR)扩增、纯化，纯化产物进行高通量测序。

1.3 数据统计分析

绘图采用Origin 2015软件；基因高通量测序数据使用Sickle软件处理，去除低质量基因序列，采用Mothur程序对测序数据进行筛分和降噪处理，并使用RDP classifier对数据进行分析，经深度归一化处理后得到微生物群落组成；采用SPSS 17.0软件进行数据显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 SBR基本运行效果

4个低温SBR出水水质如图2所示。可以看出，微生物活性受到低温的不利影响，COD、氨氮、TN去除率总体均呈逐渐下降趋势，到第80天左右达到低值后稍有上升，这可能是SBR中菌群结构经过低温冲击导致微生物活性下降，经一段时间的驯化后微生物活性逐渐趋稳定所致[11]70。相比而言，磁场作用下的SBR具有更高的COD、TN和氨氮的去除率，具体表现为R3>R4>R2>R1。经检测，整个实验过程中无显著的亚硝酸盐积累，也未观察到硝酸盐浓度的异常。综上可知，低温下磁场可提高SBR的COD和TN去除率，其中45 mT的磁场强度促进效果最为明显。

图2 出水水质变化Fig.2 Variation of effluent qualities

2.2 N2O产生特征分析

对图3中溶解态N2O及气态N2O数据进行显著性分析，发现R3中溶解态N2O及气态N2O浓度均显著低于其他反应器(p<0.05)。单个循环中R1、R2、R3、R4单位进水量的气态N2O累积量分别为1.67、1.45、0.55、1.24 mg/L(以氮计，下同)，该结果与FENG等[5]5及XU等[23]的研究结果相似，即磁场可以降低低温生物脱氮过程中N2O的释放；R1、R2、R3、R4中TN的N2O转化率分别为13.14%、6.44%、1.80%、4.49%。综合比较，暴露于45 mT磁场强度的R3释放的N2O最低，相比于未加磁场的R1降低了67.07%。

图3 SBR运行过程中溶解态N2O及气态N2O变化Fig.3 Variation of dissolved and gaseous N2O during the operation of SBR

为了进一步深入探究磁场对低温下SBR释放N2O的影响，开展了磁场对曝气硝化和缺氧反硝化影响的批次试验，试验过程中气态N2O的浓度变化见图4。曝气硝化过程中，4个SBR中的气态N2O排放量总体均呈现出波动下降的变化趋势，R3的气态N2O总排放量为0.19 mg/L，低于其他3个反应器(R1、R2、R4分别为0.79、0.61、0.53 mg/L)。缺氧反硝化过程中，R1、R2、R3、R4的N2O总排放量分别为0.87、0.63、0.48、0.60 mg/L。以上结果表明，磁场可同时降低硝化和反硝化过程中N2O的释放，且45 mT的磁场对低温SBR中N2O释放的削减效果更明显。

图4 硝化过程及反硝化过程气态N2O排放Fig.4 Gaseous N2O emission in nitrification and denitrification process

2.3 活性污泥活性分析

2.3.1 微生物活性

4个反应器中活性污泥的SOUR、AOR及AOB、NOB活性分析结果见表1。R3中SOUR相对于其他反应器最高，且其AOB、NOB活性分别为R1的2.9、14.5倍，同时其AOR也最高，这与图2(a)中R3的氨氮去除率最高相吻合。FENG等[5]6发现，低温下磁场可提高AOB、NOB的活性，同时也促进了N2O的削减。邢丽贞等[24]认为，较高的AOB、NOB活性可抑制好氧反硝化作用，进而降低N2O的释放。综上可知，45 mT的磁场强度可以更有效地促进AOB、NOB活性的增强，进而有助于N2O的削减。

表1 活性污泥的微生物活性Table 1 Microbial activity of active sludge

2.3.2 硝化和反硝化酶活性

表2 硝化和反硝化酶活性Table 2 Nitrification and denitrification enzyme activity

2.4 微生物群落结构分析

SBR内微生物群落主要由变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospira)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿菌门(Chlorobi)和放线菌门(Actinobacteria)等组成。由图5可见，随磁场强度从0 mT升高至45 mT再升高至75 mT，变形菌门的丰度先增加后减少。R1中变形菌门丰度在第1天为77.37%，到第100天时降至59.61%，而R3中变形菌门丰度却从85.91%增加至89.58%。在第100天时，外加磁场的R2、R3、R4中变形菌门丰度皆高于无外加磁场的R1。LIU等[27]认为，磁场可促进变形菌门微生物的富集。变形菌门微生物包含许多与脱氮相关的微生物，如β变形菌纲(Betaproteobacteria)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和具有异养短程反硝化功能的陶厄氏菌属(Thauera)，其富集可提高污泥的硝化反硝化性能进而有利于N2O的削减。4个SBR在第100天时，R3的硝化螺旋菌门丰度最高，为0.82%。低温下，硝化螺旋菌门被证明是主要的NOB[28]，该结果与R3中NOB活性最高相吻合。然而，对4个SBR拟杆菌门的丰度进行分析发现，拟杆菌门的分布情况与变形菌门相反，第100天时，R1中拟杆菌门丰度比R3高29.39百分点。

图5 门水平上微生物群落结构分布Fig.5 Microbial community structure at phylum level

在属水平上，主要的微生物有丝硫细菌属(Thiothrix)、动胶菌属(Zoogloea)、黄杆菌属(Flavobacterium)、氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)和不动杆菌属(Acinetobacter)等。由图6可见,丝硫细菌属在初始阶段未被检测到，到第100天时，它在R3中的丰度增加至53.22%，R1、R4、R2中的丰度分别为46.88%、24.56%、3.79%，这表明丝硫细菌属可适应低温环境进而增长为优势菌，且45 mT磁场强度可有效提高其丰度。前人的研究[29]指出，丝硫细菌属可能同时具备自养和异养反硝化的能力，且在生物反硝化过程中扮演着重要的角色，其丰度的升高有利于反硝化的进行和N2O削减。第100天时，能够反硝化还原N2O的动胶菌属在R1中的丰度为2.46%，而在R2、R3、R4中的丰度分别为29.56%、6.61%、4.80%。黄杆菌属和氢噬胞菌属也具有N2O还原功能，其分布特征与动胶菌属类似。然而，磁场作用下一些反硝化细菌的丰度也出现了降低，R1中的脱氯单胞菌属丰度为20.38%，而R3中的丰度仅为3.99%。以上结果表明，磁场可能主要促进了丝硫细菌属、动胶菌属、黄杆菌属和氢噬胞菌属丰度的增加，进而提高TN去除率和降低N2O的产生。

图6 属水平上微生物群落结构分布Fig.6 Microbial community structure at genus level

3 结 论

(1) 磁场可有效削减低温SBR反应器硝化和反硝化过程中N2O的产生和释放，并提高COD、TN和氨氮的去除率，特别是45 mT磁场强度下的R3，其N2O释放量最低，比未加磁场的R1减少了67.07%。

(2) 外加磁场可有效促进低温下微生物SOUR、AOR的升高，提升AOB和NOB活性，有助于低温下N2O的削减。同时，磁场也有效增强了低温下各种硝化反硝化酶的活性，进而促进了TN和氨氮的去除。

(3) 微生物群落结构分析表明，磁场促进了具有反硝化和N2O还原功能菌群丰度的增加，进而促进了低温下N2O的削减和TN去除率的升高。