不同碳源對顆粒污泥反硝化過程中N2O產生量的影響

曾 巍，高大文，2*

(1.東北林業大學林學院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱150090)

隨著人們對生物脫氮過程微生物機理進行不斷的探索，逐漸發現硝化與反硝化過程中都會產生N2O氣體。N2O與CO2、CH4同樣都是可以破壞臭氧層的溫室氣體，但它的溫室效應卻是CH4的5～12倍和CO2的200～300倍，并且在大氣中可以存留114a［1］。N2O能夠大量吸收紅外輻射，這種吸收能力是CO2的250倍［2］。目前大氣中N2O濃度為619.36ug/L，并且正在以每年0.25% ～0.31%速度增長，也就是說，N2O的濃度在大氣中每增加一倍會導致全球升溫0.3℃［3］。N2O一般在對流層中會很穩定。但進入平流層就會產生光解作用，成為平流層中NO和NO2的重要來源，破壞平流層中的O3

［4］。N2O是生物圈氮循環中由水體、土壤等堆積過程中微生物作用的產物。研究發現污水生物脫氮過程是N2O的重要產生源，因此人們對于不同脫氮途徑和控制參數對N2O產生的影響做了大量的研究分析，但是對于好氧顆粒污泥系統的脫氮過程中是否有N2O的生成，以及改變投加的外部碳源是否會影響N2O的生成量等方面的研究報道很少。

深入研究不同碳源對好氧顆粒污泥系統中N2O的影響，對于優化污水生物脫氮工藝，采取有效手段控制污水生物處理過程中產生的N2O逸出，減少實際工程中污水處理費用有重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗用水水質及種泥

試驗在研究過程中采用序批式反應器 (SBR)，利用人工配的模擬生活污水作為實驗用水。根據研究要求以自來水為水源，投加NH4Cl、KH2PO4和葡萄糖用以達到系統所需的氨氮、磷酸鹽濃度值以及COD。其中NH+4－N30±2mg/L，PO3－4－P 0.04mg/L，COD 300mg/L。投加NaHCO3用以提供硝化階段所需堿度，入水pH范圍在7～8之間。并且為滿足體系內微生物生理活動所需的微量元素，每個運行周期均投加1mL/L營養液。

試驗所用污泥取自試驗室已培養成熟的具有短程硝化反硝化功能的好氧顆粒污泥，系統的MLSS維持在3030mg/mL，SVI為33mL/g，好氧顆粒污泥呈現為黃褐色橢球形，表面光滑，顆粒結構緊密。

1.2 試驗裝置

該SBR反應器如圖1所示，由有機玻璃制成，整個體系為密閉結構，工作容積為3.2L，上部設有可以關閉的注水槽，底部設有呈漏斗狀的排泥管，內部以粘砂頭作為微孔曝氣器。下部有鼓風向上曝氣，并且采用轉子流量計將曝氣量固定調節為0.1m3/h，缺氧階段采用機械攪拌器進行穩定的勻速攪拌;反應器外部用石棉布將反應器外壁包裹起到保溫作用，在石棉網上纏有平行的電熱保溫絲，并且用溫度控制儀保證反應器內的水體溫度維持在實驗要求的范圍。反應器右側不同高度處設有三個采樣口。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.3 運行方案

本實驗運用長期運行的穩定SBR反應器進行試驗，運行方式包括:進水，曝氣，投加碳源，攪拌，沉淀，排水和閑置7個階段，并且這7個階段均用人工手動控制。密閉的反應器在溫度為31±0.5℃的條件下運行，好氧時間固定為240min，缺氧時間固定為40min，試驗過程中恒定曝氣量為0.1m3/h，系統DO維持在3.5mg/L以上。在好氧階段結束后，分別向體系中投加甲醇、乙醇作為反硝化階段外加碳源。每個條件下各運行10d，并在每個條件下運行到第20個周期時取樣檢測，考察變換碳源對短程硝化反硝化型顆粒污泥脫氮過程中N2O產生量的影響，試驗過程中系統運行方式及運行條件不改變。

1.4 分析方法

1.4.1 水樣分析方法

試驗水質中NH+4－N、NO－2－N、NO－3－N、COD以及MLSS的分析方法均采用國家環境保護總局發布的標準方法［5］。運用 Multi340i型便攜式pH、DO測定儀測定體系內pH與DO的動態變化。

1.4.2 N2O分析方法

氣態N2O測定采用日本島津2010氣相色譜儀，運用 Porapak Q色譜柱 (30m×0.53mm×20μm)。色譜條件為進樣口溫度 150℃;柱溫70℃;ECD檢測器300℃;采用上部空間法測定活性污泥混合液中溶解的 N2O。用玻璃注射器(50mL)抽取20mL顆粒污泥混合液以及30mL的空氣，加入1mL H2SO4(1mol/L)抑制微生物的活性，靜置1h后取注射器內上部氣體進行氣相色譜檢測［3，6，7］。

2 結果與分析

碳源種類對反硝化菌菌群結構存在一定的影響，因此首先通過硝化作用實現硝態氮的積累，硝化結束時分別投加甲醇、乙醇，分析改變碳源后N2O生成量的變化規律。圖2所示為一個周期內反硝化階段投加甲醇作為碳源的三氮濃度以及N2O濃度的變化圖。

由圖2可知，當缺氧開始時，釋放氣體中N2O濃度為0.97mg/L，在整個缺氧過程中隨著氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度的降低，N2O濃度也隨之下降。反硝化過程中N2O濃度最高值為0.42mg/L，檢測出來的N2O氣體大部分來自于反硝化過程中產生的N2O氣體，小部分可能是來自于反應器頂部殘留的N2O和活性污泥中累積的N2O氣體。并且經過分析，好氧階段產生的N2O濃度最高值為21 mg/L，是反硝化過程中N2O濃度最高濃度的50倍。

圖2 反硝化階段投加甲醇作為碳源的三氮濃度變化圖Fig.2 The nitrogen concentration of methanol carbon sources during denitrification stage

以乙醇為碳源時系統一個周期內N2O濃度以及三氮的變化趨勢如圖3所示。當好氧結束時，釋放氣體中N2O濃度為1.21mg/L，在整個缺氧過程中N2O濃度隨著氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度的降低而下降。好氧階段產生的N2O濃度最高值為0.87 mg/L。

圖3 反硝化階段投加乙醇作為碳源的三氮濃度變化Fig.3 The nitrogen concentration of ethanol carbon sources during denitrification stage

以甲醇和乙醇作為碳源在反硝化階段產生的溶解態的N2O濃度變化情況如圖4所示，在缺氧條件下甲醇作為外部碳源所產生溶解態的N2O濃度最高為0.082 mg/L，而乙醇作為碳源所產生溶解態的N2O濃度最高僅為0.077 mg/L。因此，無論是采用甲醇還是乙醇，它們對反硝化過程中產生的溶解態N2O影響不大，可以忽略不計。

圖4 投加甲醇和乙醇作為碳源時溶解態的N2O濃度變化Fig.4 Dissolved N2O as methanol and ethanol added as carbon sources

3 結論

采用甲醇與乙醇作為碳源時均在好氧顆粒污泥系統的缺氧反硝化階段檢測出有氣態和溶解態N2O生成。在反硝化過程中向系統投加的作為外部碳源的甲醇與乙醇充足的情況下，系統內N2O生成量很小，可以忽略不計。因此，投加不同的碳源對好氧顆粒污泥反硝化過程中N2O生成影響不大，同時也不會影響N2O氣體作為最終產物的產生。

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