污水生物脱氮过程中N2O的释放机理及影响其释放和污染物去除的因素研究

【摘 要】在我国的水环境体系中氮、磷污染十分严重。传统脱氮方法可分为物理化学法和生物法，而物理化学法的处理成本和运行费用高，且易造成二次污染并通常只能去除氨氮，多用于高浓度工业废水的预处理工程。而通过微生物硝化和反硝化作用实现生物脱氮的生物脱氮技术在近年得到飞速发展和广泛应用。

【关键词】污水处理；生物脱氮；环境污染；可持续发展；微生物代谢；有机物水平

0 引言

由于环境污染的态势愈演愈烈，我国多次出台对污水排放和市政污水处理厂的出水制定详细的法律和法规。我国于2002年颁布实施的《城市污水处理及污染防治技术政策》中明确规定：“设置城市和重点流域及水资源保护区的建制镇，必须建设二级污水处理设施，可分期分批实施。收纳水体为封闭或半封闭水体时，为防治富营养化，城市污水应进行二级强化处理，增强除脱氮的效果。”因此，污水生物脱氮技术在我国成为一个重要的研究方向。

1 污水生物脱氮过程中n2o的释放机理

1.1 硝化作用

硝化作用多由由无机自养微生物参与，主要包括两个步骤：氨化细菌在氨单加氧酶（AMO）和经胺氧化还原酶（HAO）作用下，将氨氮转化为亚硝酸盐。在此过程中为避免亚硝酸盐氮在细胞中的积累，会同时产生异构亚硝酸还原酶，从而利用亚硝酸盐为电子受体产生N2O，但是此过程只有在亚硝酸盐氮累积到很高浓度时才会发生。导致亚硝酸氮积累的因素很多，国内有学者认为氨氧化菌的氧饱和常数为0.2-0.4mg・L-1，亚硝酸盐氧化菌的氧饱和常数为1.2-1.5 mg・L-1，因此低DO浓度将导致亚硝酸盐的积累；氨氧化菌的世代周期小于亚硝酸氧化菌的世代周期，促使亚硝酸盐氧化菌被淘汰，导致亚硝酸盐的积累而产生N2O。此外，国外有学者认为N2O也可能是由硝化菌发生反硝化课程产生的，硝化菌将亚确酸盐氮还原为NO和N2O。现已有学者发现了异养硝化菌的存在，证实异养硝化过程也会产生N2O。

1.2 反硝化作用

反硝化过程是缺氧或者厌氧条件下，由一群异养型微生物（反硝化菌）完成的生物化学过程。与硝化作用不同，N2O是反催化作用的中间产物。催化此过程的酶主要有4种：硝酸盐还原酶（Nar）、亚硝酸还原酶（Nir）、一氧化氮还原酶（Nor）和一氧化二氮还原酶（Nos）。起关键作用的酶为Nos，它是一种可溶性蛋白质， 具有较弱的竞争电子的能力。当环境中电子供体不足时由于其他还原酶的竞争作用，使得Nos活性受到抑制，导致N2O积累；当环境中电子供体充足时，Nos恢复活性，N2O可顺利转化成N2，从而减少N2O的释放量。反硝化还原酶的活性受外界环境、各阶段的反应产物和化学物质调节调控的影响，其活性和浓度直接决定反硝化过程的终产物。

目前，关于反硝化过程中N2O释放的两种可能如下：（1）由于不利环境条件影响，反硝化菌发生反应过程中的Nos活性丧失或者降低，使得第三个阶段产生的N2O不能进一步还原，导致N2O积累，从水体中逸出。

（2）部分特殊的反催化菌不具有Nos系统，终产物仅为N2O。因此在污水处理系统中，若分离出含有Nos的基因序列使这类反硝化菌成为优势菌群，将有利于减少反硝化过程中 N2O的释放量。

2 影响N2O释放和污染物去除的因素

2.1 运行工况

在同一处理工艺中，比如SBR工艺，其进水方式、曝气方式及运行条件等都会影响其处理效果和N2O的释放。

进水方式可分为瞬时进水和分段进水，分段进水活性污泥工艺是近年来新开发并逐渐被广泛研究的一种新型的生物脱氮工艺，区别于传统的A/O污水生物脱氮工艺，分段进水A/O无需设置回流系统，节能降耗，可降低基建投资等。此外，分段进水使反应器内的有机物维持在低浓度水平，在碳氧化和硝化反应同时进行的反应器中，异养脱碳菌还让自养硝化菌之间存在竞争关系。因此，分段进水维持的低有机物水平，有利于硝化菌生长，提高反应器的脱氮能力。

相同的处理工艺，在同一运行工况条件下，不同的运行方式，同样会对污水生物脱氮系统的脱氮效果和N2O的释放产生影响。

（1）DO浓度

DO浓度影响污水生物脱氮系统中的确化菌和反摘化菌群的演替，因此对硝化过程及反硝化过程中N2O的产生及污染物去除有较大影响。

氧是摘化反应过程中电子受体，DO浓度的高低影响硝化反应的进程，一般硝化反应发生的DO浓度不能低于1mg・L-1。在硝化反应过程中，不同的硝化细菌对DO的敏感程度不同，即氧饱和常数不同。氨氧化菌的氧饱和常数为0.2-0.4mg・L-1，而亚硝酸盐氧化菌的氧饱和常数为1.2-1.5 mg・L-1。因此，当DO浓度处于0.5-1.0 mg・L-1时，将导致亚硝氮的积累，从而可能引起较高的N2O释放量。

反硝化菌是兼性菌，既可以进行有氧呼吸也可以进行无氧呼吸。在反催化过程中如果存在溶解氧，它将首先利用分子氧，抑制硝酸盐和亚硝酸反硝化反应的进行。在传统的反硝化反应中，较低的DO浓度会明显抑制Nos的合成；在好氧反硝化过程中，虽然好氧反硝化菌能承受较高的DO浓度，但是过高的DO浓度也会导致Nar和Nos失活，阻止N2O还原为N2，从而产生N2O的积累。

（3）温度

温度对N2O产生的生物学过程有重要影响，因此温度是影响N2O释放的重要因素。实验发现温度对硝化过程和反硝化过程中N2O产生的影响不完全相同。在硝化反应过程中，温度较高时，由于亚催化细菌耐受性强于催化细菌，硝化细菌活性受到抑制，阻止NO2-1进一步氧化，导致较多的N2O产生。而在反硝化过程中，温度升高可提高反硝化速率，但是N2O的产生量并无明显变化，这可能是因为所有的反摘化酶和温度间都有近似的相关性。

（4）pH

在污水处理厂的实际运行中pH是关键控制因素，pH不仅能改变微生物的代谢途径，还会对污水处理系统中的某些物质（如游离氨、HNO2等）的存在及浓度产生影响，影响反硝化速率。因此，很多研究表明pH对N2O的产生有显著影响。

（5）SRT

在活性污泥系统中，SRT的不同直接决定系统中不同菌种的存在与否与数量。因此，在污水生物处理系统中可以通过控制SRT优化选择不同的微生物种群。如果污泥龄过短确化菌较难存在，导致污水生物脱氮系统的脱氮效果较差。

2.2 污水水质

（1）进水碳氮比（C/N）

进水碳氮比对污水生物脱氮过程中N2O释放有很大影响，是影响污染物去除效果的主要因素之一。进水碳氮比直接影响系统反硝化的程度，由于反硝化过程需要有机碳源提供电子供体，进水碳氮比越高反硝化脱氮的效果越好。当外碳源不足时，N2O释放量增多，这是由于在低进水碳氮比条件下反摘化菌利用自身内源碳进行反硝化导致NO2-1-N的积累。

（2）碳源

有机碳源是实现完全反硝化的最关键因素之一，是生物生长代谢必需的物质和能量来源。碳源的种类和性质对反硝化有重要影响。

（3）盐度

工业废水相对于生活污水而言，含有较多的无机化合物，如：NaCl、Na2SO4，导致废水含有较高的盐度。

（4）NO2-1浓度

研究表明，N2O的产生与NO2-1-N的存在具有良好的相关性，由于NO2-1-N对N2O还原酶的抑制作用增强，高浓度的NO2-1-N会促进N2O的产生。

（5）其他影响因素

许多化学物质（比如H2S、重金属离子等）均会对污水生物处理系统的催化反催化菌的酶系统产生毒性作用。研究发现，在H2S浓度（不包括HS-和S2-）高于0.32 mg・L-1时，Nos活性将受到强烈抑制，生物滤池在投加甲醛初期有N2O产生。当这些毒性物质的浓度不超出其阈值时，反硝化菌具有一定的适应能力。

3 结束语

总之，各国科学家分别对不同的污水处理厂进行N2O的释放量进行研究，发现差异性非常大，这可能是由于地点、处理工艺、设施规模等因素引起的。在我国，关于N2O释放量方面的研究多集中在实验室规模，对其释放详细机理的探索还有待进一步的研究。

【参考文献】

[1]刘秀红，彭轶，马涛，刘春慧，等.DO浓度对生活污水硝化过程中N2O产生量的影响[J].环境科学，2008（03）.

[2]刘秀红，杨庆，吴昌永，等.不同污水生物脱氮工艺中N2O释放量及影响因素[J].环境科学学报，2006（12）.