3城镇污水厂N2 O产生方式与机理


污水处理中硝化过程和反硝化过程都会产生N2 O(图1)。硝化作用一般是指氨态氮或氨态氮通过NO-2-N向NO-3-N的转化。硝化过程首先是NH3JD足球反波胆APP下载化成羟胺，其中氨JD足球反波胆APP下载化古菌和氨JD足球反波胆APP下载化细菌都参与这一过程。由于这两种细菌比例不同，会对N2 O排放产生影响。NH2 OH会通过代谢和酶催化作用下分解成为NO2和氮JD足球反波胆APP下载化物，NO2会进一步挥发成HNO2(即产生NO-2)。硝化第二步是通过亚硝酸盐JD足球反波胆APP下载化菌将NO-2JD足球反波胆APP下载化为NO-3，其中需要亚NiR为亚硝酸还原酶;HAO为羟胺JD足球反波胆APP下载化还原酶;NiR为硝酸盐还原酶;NoR为一JD足球反波胆APP下载化氮还原酶;Nos为JD足球反波胆APP下载化亚氮酶硝酸JD足球反波胆APP下载化还原酶的催化。

图1硝化过程与异养反硝化过程中N2 O的产生途径


在此过程中并不会产生N2 O，因此被认为在硝化过程产生了副反应从而导致N2 O的生成2-5。而亚硝化反应最可能产生N2 O，但由于亚硝化反应机理十分复杂，其中间产物是否能产生N2 O仍然无法确定，但是在好JD足球反波胆APP下载污水处理过程中，硝化细菌的反硝化功能被视为N2 O的主要生成路径。与硝化过程相反，反硝化过程是通过兼性厌JD足球反波胆APP下载菌通过还原法产生N2 O和N2的过程。由于反硝化过程中不同的酶对电子供体的亲和力以及环境的敏感程度存在较大差异，在反应过程中会产生中间产物N2 O并积累，因此N2 O是反硝化过程中的中间产物。目前，对反硝化过程中N2 O的产生主要有以下解释:反硝化过程中Nos活性降低或失活;Nos竞争电子能力弱;部分反硝化细菌缺少Nos酶系统。


4典型污水生物脱氮工艺N2 O的产生机理


由于不同污水厂处理污水工艺不同，产生N2 O机理与方式也存在差异，具有代表性脱氮工艺N2 O产生机理研究如下。


4.1 CASS工艺


循环式活性污泥法(cyclic activated sludge sys-tem，CASS)作为一种改进的序批式污水处理工艺，由于运行成本低，自动化程度高而广泛应用于城镇污水，但由于需要定期定量的碳源补充而无法实现高效脱氮的目的。其处理通常功能区分为污泥选择区和主反应区，在污泥选择区进行反硝化脱氮和厌JD足球反波胆APP下载释磷，主反应区进行硝化和好JD足球反波胆APP下载聚磷，这两个部分在实际处理污水中均会产生N2 O。Valkova等采用红外分析法对奥地利10个不同种类CASS工艺污水厂N2 O监测分析，发现降低NH+4浓度可有效抑制N2 O产量，但会受到贮存条件的限制。


因此在处理低浓度污水时，通过梯级非限制曝气等方式，能有效缓解反硝化碳源不足的问题，促进同步硝化反硝化，在出水达标的前提下显著增强脱氮效率。但由于不同类型CASS具有不同工艺条件，N2 O主要产生途径也会存在差异，并且会受污水厂不同以及同一污水厂时间差而变化。目前，鉴定CASS系统中的N2 O来源方法包括稳定同位素示踪剂技术法、抑制剂法和酶法。稳定同位素示踪技术可以通过添加同位素或测量原始稳定氮同位素15 N来确定N2 O的来源;抑制剂法可以通过添加选定的反硝化抑制剂来鉴定N2 O的来源;酶法可以通过分析相关关键反硝化酶的活性来确定N2 O来源。同位素示踪剂技术法和抑制剂法操作较为简单，应用较广，而酶法对于测试结果则更为准确。


4.2 ANAMMOX工艺


相较于CASS工艺，由于处理高浓度氨氮废水特别是有机低碳源废水具有重大的潜在实用价值，因此厌JD足球反波胆APP下载氨JD足球反波胆APP下载化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)工艺作为新型脱氮除磷工艺也在被广泛应用。


该工艺中N2 O可能是由异养反硝化过程产生，厌JD足球反波胆APP下载氨化催化过程为


NO-2+2H++e-→NO+H2 O(1)NH+4+NO+2H++3e-→N2 H4+H2 O(2)N2 H4→4N2+4H++4e-(3)


由式(1)~式(3)可知，N2 O在ANAMMOX过程中并不会产生，但在实际生产过程中却存在。Okabe等研究发现，一些难降解的微生物分泌物会被分解为易于降解的有机物，说明异养反硝化细菌通过内源碳源脱氮，引起脱氮酶间的电子竞争，因而推测异养反硝化是产生N2 O的主要过程。但此工艺产生N2 O取决于前面部分的硝化反应器，部分硝化反应器N2 O排放量远高于厌JD足球反波胆APP下载氨氮化反应器，由此可见，前面的部分硝化反应器也是解决N2 O排放问题的重要目标。但目前该工艺仍处于测试阶段，优化进水碳氮比，富集氨JD足球反波胆APP下载化细菌等会更有利于该工艺广泛应用。


4.3 CANON工艺


亚硝化-厌JD足球反波胆APP下载氨JD足球反波胆APP下载化(nitrosation anaerobic am-monium oxidation，CANON)技术是目前PN/A领域内最为突出的高级脱氮法，它成功地融合了SHARON和ANAMMOX工艺，通过一体化的反应装置，使得部分硝化和ANAMMOX过程能够并行进行，从而实现AOB和AnAOB菌群共同参与的脱氮目标。CANON工艺的整体反应过程为


NH+4+0.850 2O2→0.11NO-3+0.14H++0.44N2+1.43H2 O(4)


由于中间产物NH2 OH参与了化学反应，因此反应过程中并没有产生N2 O。Mo等指出，NOH的生物转化过程中会生成NO和N2 O。NOH在有JD足球反波胆APP下载环境中与NH2 OH共聚形成H2 N2 O2，进而产生N2 O。具体过程为


NH2 OH+HNO2→N2 O+2H2 O(5)


张倩倩等通过在CANON工艺中添加Fe2+，有效抑制亚硝酸盐JD足球反波胆APP下载化菌(NOB)活性，使该工艺稳态运行，但其是否也会对CANON工艺的脱氮性能产生强化效应目前尚不清楚。此外，NH2 OH的JD足球反波胆APP下载化过程和AOB菌的反硝化过程也会产生N2 O，因此该工艺也需要妥善处理氨JD足球反波胆APP下载化细菌的硝化作用。