基于氮能源化的短程反硝化反應過程N2O高度富集機制研究

潘永寶，姬 濤

(1.陜西省現代建筑設計研究院，西安 710048； 2.西安中地環境科技有限公司，西安 710054)

短程硝化和反硝化反應是將傳統的反應過程縮短，將硝化過程控制在中間產物過程，從而達到節能目的[1]，研究短程反硝化過程中N2O的高度富集機制具有重要意義。

1 短程反硝化反應

反硝化反應也叫做脫氮反應，是針對硝酸鹽和氨氮化合物轉化而開發的技術，該技術使用各種細菌將硝酸鹽轉化為氮氣，達到脫氮目的，主要反應方程式如下：

硝酸鹽還原為亞硝酸鹽：

2NO3-+4H++4e-→2NO2-+2H2O

亞硝酸鹽還原為一氧化氮：

2NO2-+4H++2e-→2NO+2H2O

一氧化氮還原為一氧化二氮：

2NO+2H++2e-→N2O+H2O

一氧化二氮還原為氮氣：

N2O+2H++2e-→N2+H2O

短程反硝化反應是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，再進行反硝化，縮短反應路徑，以達到節能目的，同時會有大量中間產物N2O生成。整個硝化和反硝化過程中，主要參與的細菌包括硝化菌、反硝化菌及亞硝化菌等，因此研究各類細菌的特性、篩選高效的硝化菌反硝化菌及亞硝化菌對控制短程反應過程具有重要意義。反應條件影響了短程反硝化效果。例如不同的細菌在進行反硝化時具有不同的臨近溫度，溫度過高會導致亞硝酸鹽生成，溫度較低時，硝酸鹽是主要產物。除此之外，pH值、溶解氧DO、泥齡、抑制劑及有機物濃度都會對短程反硝化反應效果產生影響。

2 短程反硝化反應器

2.1 氣提式反應器

該反應器特點是廢水在升流區底部隨氣流上升參與液體的內循環，與細菌接觸，進行生物作用，再利用重力作用將污泥與液體分離。氣提式反應器無需污泥回流和沉淀池，具有結構簡單的優點[2]。

2.2 間歇式活性污泥反應器

間歇式活性污泥反應器的材質為有機玻璃，上部和下部分別為圓柱和圓錐體，該反應器以黏沙塊作為微孔曝氣器，工作時，污水從上部進入反應器，從反應器的側面排水口排出[3]。SBR反應器在污泥馴化過程中可以實現對曝氣時間的控制，處理、沉淀后可立即排水，此時硝化菌被除去，因此反應時沒有硝酸根生成，可達到短程硝化的目的。反應環境中有大量好氧顆粒污泥，在其內部，反硝化菌的作用可以將亞硝酸根轉換為氮氣，從而實現短程同步硝化和反硝化。

2.3 升流式污泥床反應器

升流式污泥床反應器(USB)是在氣提式反應器的基礎上演變而來的，其在上部加入了三相分離器，對污泥懸浮的截留有很好的效果。同時，由于水流的上升具有一定的攪拌作用，使污泥在不同床層與細菌充分接觸，達到了更好的反應效果[4]。

3 N2O的釋放及富集機制

3.1 N2O的產生機理

在一般的反硝化過程中，N2O是其中間產物，反硝化過程是在不同功能的微生物作用下完成的[5]。其中，硝酸根還原為亞硝酸根需要硝酸鹽還原酶的作用，亞硝酸根還原為一氧化氮需要亞硝酸鹽還原酶的作用，而一氧化氮在其還原酶的作用下會還原為氧化亞氮，最終在氧化亞氮還原酶的作用下，還原為氮氣。

由于氧化亞氮是反應的中間產物，因此其產生的途徑有3種：一是氧化亞氮還原酶在游離亞硝酸或溶解氧的抑制作用下失去活性，使氧化亞氮富集。二是反應環境中電子數不足，使氧化亞氮還原酶的還原能力小于其他還原酶，導致氧化亞氮的富集。三是一些反硝化菌中缺少氧化亞氮還原酶的編碼基因，從而使氧化亞氮富集。

3.2 N2O生成的影響因素

溶解氧(DO)。由于不同的反硝化細菌對溶解氧的敏感程度不同，因此其濃度對N2O的生成有很大的影響。當體系中溶解氧濃度較低時，亞硝酸鹽會被反硝化生成終產物氧化亞氮[6]。同時，氧化亞氮對溶解氧濃度比較敏感，溶解氧的存在會使反硝化反應在缺氧階段產生氧化亞氮的幾率上升。

溫度。污水生物法脫氮過程中，溫度是重要的影響因素。溫度主要是對化學反應的平衡有一定的影響。高溫下硝化和亞硝化反應間的平衡被破壞，使反應向亞硝酸根被還原方向進行，從而使氧化亞氮得到富集。

碳源種類。研究表明，碳源的不同會對反硝化反應的最終產物造成影響，當采用乙酸或丙酸作為碳源時，氧化亞氮較易生成，而使用丁酸等作為碳源時，氧化亞氮產生較少[7]。在使用內碳源作為反應中的電子供體時，可能會發生電子供應不足的現象，而各種還原酶在競爭電子過程中具有不同的能力，因此會導致更多的氧化亞氮產生。

有毒有害物質。污水是成分極其復雜的混合物，其中可能會存在一定的有毒有害物質，如重金屬、乙烯、各類鹽及酸類等。這些有毒有害的物質會對氧化亞氮還原酶的還原性產生抑制作用，阻礙氧化亞氮還原為氮氣，從而使其富集。

微生物種群。在短程反硝化過程中，微生物是不可或缺的，不同的微生物種群負責過程中不同的代謝途徑，從而生產不同的代謝產物。目前，在污水處理領域開發了不同類型的生物脫氮菌種，通過對菌種中不同基因編碼的篩選，可以實現對氧化亞氮產量的控制。

3.3 N2O的富集

氧化亞氮的生成是由于亞硝酸根還原酶作用的加強或氧化亞氮還原酶作用的減弱造成的。應選用合適的碳源，采用碳鏈較短的有機酸作為碳源，使氧化亞氮達到富集的目的。反硝化反應過程中的工藝參數，如溫度、pH、溶解氧濃度等都會對氧化亞氮的生成有不同程度的影響。針對不同性質的污水，應選用不同的微生物種群，控制反硝化過程中的代謝途徑和產物[8]。由于不同反應工藝對不同反硝化過程有不同的促進作用，應盡量選擇可以及時將產物氧化亞氮排出的反應器，避免其在反應環境中繼續被還原為氮氣。

4 結語

總結了短程反硝化反應生產氧化亞氮的影響因素，分析了氧化亞氮的富集機制，該工藝的開發還需進一步探索。