磁場強度對低溫污水生物脫氮過程中N2O產生特征的影響

陳 輝 周慧劍 徐衛敏

(浙江華海藥業股份有限公司，浙江 臺州 317024)

N2O作為一種強溫室氣體，其增溫潛能值是CO2的265倍，且N2O還是一種重要的臭氧消耗氣體，它對全球氣候變化的影響日益顯著[1-2]。污水生物處理過程是N2O重要的人為排放源之一。據報道，污水處理過程中N2O的釋放量約為3.0×105～3.0×106t/a，占全球N2O總釋放量的2.5%～25.0%。污水處理過程中，N2O主要來源于生物脫氮工藝的硝化反應和反硝化反應，包括羥胺的不完全氧化、氨氧化細菌(AOB)的反硝化和異養菌的反硝化等[3]。因此，污水生物脫氮過程中的N2O減量化控制對于城鎮污水處理廠的低碳綠色運行具有重要意義。

低溫是我國冬季北方地區和南方大部分地區城鎮污水處理廠運行中面臨的重要難題[4]。當環境溫度低于10 ℃時，微生物的活性和群落結構多樣性將受到嚴重抑制，進而可導致硝化和反硝化過程不完全、脫氮效率下降、N2O產量升高等問題[5]6。VASILAKI等[6]研究發現，硝化和反硝化過程中，N2O的釋放量隨溫度的降低呈現出升高的趨勢。ADOUANI等[7]研究發現，在序批式活性污泥反應器(SBR)反硝化過程中，隨溫度的降低反硝化酶活性也呈現出降低的現象，進而導致N2O產量升高。此外，有報道指出，N2O還原酶相比于其他反硝化還原酶對于低溫更為敏感，進而其活性將受到更大的抑制[8]。因而，尋找低溫下強化微生物活性、削減N2O產生的方法，是當前污水生物脫氮工藝運行過程中亟需解決的問題。目前，關于低溫下污水生物脫氮過程中N2O的控制策略，主要集中在溶解氧(DO)濃度、碳氮比(C/N)等影響因素的調控[9-10]方面，但往往需要較大的投資和運行費用，且微生物的活性和群落結構難以得到充分保證，導致N2O減排效果欠佳。

近年來，越來越多的研究發現，低溫下磁場可有效提高活性污泥微生物的活性，提高污水生物處理效率，如促進化學需氧量(COD)和總氮(TN)的去除[11]68等。磁場可通過影響微生物細胞膜及其運輸系統、胞內磁力和電流間的相互作用等途徑影響微生物的生命活動[12]。NIU等[13]研究發現，磁場可有效提高活性污泥微生物的適冷性能，低溫下15～40 mT的磁場強度可有效促進微生物活性的提高。WANG等[14]研究發現，48 mT的磁場強度可以增強亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)的活性和生長。此外，磁場可促進污水生物脫氮工藝中硝化菌和反硝化菌的富集，提高反硝化功能基因豐度和反硝化酶活性[15-16]。這些微生物功能基因豐度、反硝化酶活性及群落組成的變化，對N2O的產生起著決定性的作用。因此，低溫下污水生物脫氮過程中N2O的產生和排放將很可能受到磁場的影響。然而，目前關于磁場對低溫污水生物脫氮過程中N2O的產生和排放的影響還鮮有報道。

為此，本研究在不同磁場強度(0、10、45、75 mT)下低溫(10 ℃)運行SBR，考察磁場強度對低溫下污水生物脫氮過程中N2O排放的影響，并從硝化酶及反硝化酶活性、AOB及NOB活性和群落結構的角度，解析磁場影響污水生物脫氮過程中N2O排放的機制，以期為低溫下污水生物處理過程中N2O的減排提供理論依據和技術參考。

1 材料和方法

1.1 實驗裝置和運行條件

接種污泥為南京市某城鎮污水處理廠曝氣池活性污泥。在低溫培養箱中((10±2) ℃)運行4個有機玻璃制成的SBR(分別記為R1～R4)，有效體積均為2 L，將長20.0 cm、寬8.0 cm、厚2.5 cm的永磁鐵平行放置在SBR旁提供磁場，通過調節永磁鐵磁感應強度控制R1、R2、R3、R4中心磁場強度分別為0、10、45、75 mT。SBR每天運行5個周期，每個周期包括缺氧0.8 h、好氧2.0 h、沉淀1.0 h、排水靜置1.0 h，水力停留時間設置為9.6 h，污泥齡約為30 d，反應器內混合液懸浮固體(MLSS)質量濃度控制在3 000 mg/L左右。采用模擬廢水作為進水，分別以乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀為碳源、氮源和磷源，調節模擬廢水COD、氨氮、總磷(TP)分別為200、20、3 mg/L，用NaHCO3調節模擬廢水pH為7.2±0.2，每升進水中加入0.6 mL的微量元素溶液，具體組成見文獻[5]。反應器頂蓋上的圓孔可插入N2O微電極探頭，用于混合液中溶解態N2O及氣態N2O的在線監測，SBR裝置見圖1。

圖1 SBR示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR

為了進一步深入探究磁場對低溫下SBR釋放N2O的影響，開展了磁場對硝化和反硝化影響的批次試驗。分別取4組SBR曝氣結束前和排水結束后活性污泥混合液100 mL放入錐形瓶中，調節MLSS在3 000 mg/L后，在原有條件下分別進行曝氣和攪拌，用N2O微電極探頭在線測定錐形瓶中氣態N2O濃度變化，分析曝氣硝化和缺氧反硝化過程N2O的釋放情況。

1.2 分析項目和方法

1.2.1 水質指標和N2O的測定

1.2.2 微生物活性指標的測定

參考文獻[5]測定活性污泥的比好氧速率(SOUR)；參考文獻[15]測定活性污泥的氨氧化速率(AOR)；分別向SBR內投加5 mg/L烯丙基硫脲和20 mmol/L的NaClO3作為AOB、NOB選擇性抑制劑，通過活性污泥SOUR的變化表征AOB和NOB活性；參考文獻[18]進行氨單加氧酶(AMO)、硝酸鹽還原酶(NAR)、亞硝酸鹽還原酶(NIR)和N2O還原酶(NOS)活性的測定；參考文獻[19]進行羥胺氧化酶(HAO)活性的測定。經過3個污泥停留時間后，認為反應器處于穩定運行狀態，取6個污泥樣品進行微生物活性的測定，取平均值。

1.2.3 微生物群落結構分析

活性污泥微生物群落結構采用16S rRNA基因高通量測序進行檢測，采用FastDNATMSpin Kit試劑盒提取脫氧核糖核酸(DNA)，提取步驟按照試劑盒說明書進行。將提取的DNA稀釋至20 ng/μL，進行聚合酶鏈式反應(PCR)擴增、純化，純化產物進行高通量測序。

1.3 數據統計分析

繪圖采用Origin 2015軟件；基因高通量測序數據使用Sickle軟件處理，去除低質量基因序列，采用Mothur程序對測序數據進行篩分和降噪處理，并使用RDP classifier對數據進行分析，經深度歸一化處理后得到微生物群落組成；采用SPSS 17.0軟件進行數據顯著性分析。

2 結果與討論

2.1 SBR基本運行效果

4個低溫SBR出水水質如圖2所示。可以看出，微生物活性受到低溫的不利影響，COD、氨氮、TN去除率總體均呈逐漸下降趨勢，到第80天左右達到低值后稍有上升，這可能是SBR中菌群結構經過低溫沖擊導致微生物活性下降，經一段時間的馴化后微生物活性逐漸趨穩定所致[11]70。相比而言，磁場作用下的SBR具有更高的COD、TN和氨氮的去除率，具體表現為R3>R4>R2>R1。經檢測，整個實驗過程中無顯著的亞硝酸鹽積累，也未觀察到硝酸鹽濃度的異常。綜上可知，低溫下磁場可提高SBR的COD和TN去除率，其中45 mT的磁場強度促進效果最為明顯。

圖2 出水水質變化Fig.2 Variation of effluent qualities

2.2 N2O產生特征分析

對圖3中溶解態N2O及氣態N2O數據進行顯著性分析，發現R3中溶解態N2O及氣態N2O濃度均顯著低于其他反應器(p<0.05)。單個循環中R1、R2、R3、R4單位進水量的氣態N2O累積量分別為1.67、1.45、0.55、1.24 mg/L(以氮計，下同)，該結果與FENG等[5]5及XU等[23]的研究結果相似，即磁場可以降低低溫生物脫氮過程中N2O的釋放；R1、R2、R3、R4中TN的N2O轉化率分別為13.14%、6.44%、1.80%、4.49%。綜合比較，暴露于45 mT磁場強度的R3釋放的N2O最低，相比于未加磁場的R1降低了67.07%。

圖3 SBR運行過程中溶解態N2O及氣態N2O變化Fig.3 Variation of dissolved and gaseous N2O during the operation of SBR

為了進一步深入探究磁場對低溫下SBR釋放N2O的影響，開展了磁場對曝氣硝化和缺氧反硝化影響的批次試驗，試驗過程中氣態N2O的濃度變化見圖4。曝氣硝化過程中，4個SBR中的氣態N2O排放量總體均呈現出波動下降的變化趨勢，R3的氣態N2O總排放量為0.19 mg/L，低于其他3個反應器(R1、R2、R4分別為0.79、0.61、0.53 mg/L)。缺氧反硝化過程中，R1、R2、R3、R4的N2O總排放量分別為0.87、0.63、0.48、0.60 mg/L。以上結果表明，磁場可同時降低硝化和反硝化過程中N2O的釋放，且45 mT的磁場對低溫SBR中N2O釋放的削減效果更明顯。

圖4 硝化過程及反硝化過程氣態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個反應器中活性污泥的SOUR、AOR及AOB、NOB活性分析結果見表1。R3中SOUR相對于其他反應器最高，且其AOB、NOB活性分別為R1的2.9、14.5倍，同時其AOR也最高，這與圖2(a)中R3的氨氮去除率最高相吻合。FENG等[5]6發現，低溫下磁場可提高AOB、NOB的活性，同時也促進了N2O的削減。邢麗貞等[24]認為，較高的AOB、NOB活性可抑制好氧反硝化作用，進而降低N2O的釋放。綜上可知，45 mT的磁場強度可以更有效地促進AOB、NOB活性的增強，進而有助于N2O的削減。

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 微生物群落結構分析

SBR內微生物群落主要由變形菌門(Proteobacteria)、硝化螺旋菌門(Nitrospira)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠菌門(Chlorobi)和放線菌門(Actinobacteria)等組成。由圖5可見，隨磁場強度從0 mT升高至45 mT再升高至75 mT，變形菌門的豐度先增加后減少。R1中變形菌門豐度在第1天為77.37%，到第100天時降至59.61%，而R3中變形菌門豐度卻從85.91%增加至89.58%。在第100天時，外加磁場的R2、R3、R4中變形菌門豐度皆高于無外加磁場的R1。LIU等[27]認為，磁場可促進變形菌門微生物的富集。變形菌門微生物包含許多與脫氮相關的微生物，如β變形菌綱(Betaproteobacteria)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和具有異養短程反硝化功能的陶厄氏菌屬(Thauera)，其富集可提高污泥的硝化反硝化性能進而有利于N2O的削減。4個SBR在第100天時，R3的硝化螺旋菌門豐度最高，為0.82%。低溫下，硝化螺旋菌門被證明是主要的NOB[28]，該結果與R3中NOB活性最高相吻合。然而，對4個SBR擬桿菌門的豐度進行分析發現，擬桿菌門的分布情況與變形菌門相反，第100天時，R1中擬桿菌門豐度比R3高29.39百分點。

圖5 門水平上微生物群落結構分布Fig.5 Microbial community structure at phylum level

在屬水平上，主要的微生物有絲硫細菌屬(Thiothrix)、動膠菌屬(Zoogloea)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、氫噬胞菌屬(Hydrogenophaga)、脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)和不動桿菌屬(Acinetobacter)等。由圖6可見,絲硫細菌屬在初始階段未被檢測到，到第100天時，它在R3中的豐度增加至53.22%，R1、R4、R2中的豐度分別為46.88%、24.56%、3.79%，這表明絲硫細菌屬可適應低溫環境進而增長為優勢菌，且45 mT磁場強度可有效提高其豐度。前人的研究[29]指出，絲硫細菌屬可能同時具備自養和異養反硝化的能力，且在生物反硝化過程中扮演著重要的角色，其豐度的升高有利于反硝化的進行和N2O削減。第100天時，能夠反硝化還原N2O的動膠菌屬在R1中的豐度為2.46%，而在R2、R3、R4中的豐度分別為29.56%、6.61%、4.80%。黃桿菌屬和氫噬胞菌屬也具有N2O還原功能，其分布特征與動膠菌屬類似。然而，磁場作用下一些反硝化細菌的豐度也出現了降低，R1中的脫氯單胞菌屬豐度為20.38%，而R3中的豐度僅為3.99%。以上結果表明，磁場可能主要促進了絲硫細菌屬、動膠菌屬、黃桿菌屬和氫噬胞菌屬豐度的增加，進而提高TN去除率和降低N2O的產生。

圖6 屬水平上微生物群落結構分布Fig.6 Microbial community structure at genus level

3 結 論

(1) 磁場可有效削減低溫SBR反應器硝化和反硝化過程中N2O的產生和釋放，并提高COD、TN和氨氮的去除率，特別是45 mT磁場強度下的R3，其N2O釋放量最低，比未加磁場的R1減少了67.07%。

(2) 外加磁場可有效促進低溫下微生物SOUR、AOR的升高，提升AOB和NOB活性，有助于低溫下N2O的削減。同時，磁場也有效增強了低溫下各種硝化反硝化酶的活性，進而促進了TN和氨氮的去除。

(3) 微生物群落結構分析表明，磁場促進了具有反硝化和N2O還原功能菌群豐度的增加，進而促進了低溫下N2O的削減和TN去除率的升高。