隨著對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，氮污染控制日益嚴(yán)格，生物脫氮技術(shù)不斷得到了深入研究和廣泛應(yīng)用.有研究表明生物脫氮過程中氮轉(zhuǎn)化的氣態(tài)產(chǎn)物不僅僅是N2，而且還有N2O等氣態(tài)產(chǎn)物.其中，N2O是一種強(qiáng)效溫室氣體，其增暖效應(yīng)是CO2的270倍左右，而且在大氣中的留存時(shí)間較長(平均壽命為150 a)[3, 4].因此，近年來生物脫氮過程中N2O的釋放引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，廢水生物脫氮過程被認(rèn)為是N2O的一個(gè)重要的人為排放源.
目前關(guān)于廢水脫氮中N2O產(chǎn)生的研究主要是考察一些具體的影響因素，如碳氮比、DO、pH和曝氣速率等對(duì)N2O產(chǎn)生量的影響.但是關(guān)于不同A/O系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生與釋放的研究還鮮見報(bào)道.而現(xiàn)行實(shí)際的污水脫氮工藝主要分為單級(jí)A/O工藝和多級(jí)A/O工藝兩大類，如SBR、CASS、A/O、A2/O等一般為單級(jí)A/O工藝，而氧化溝、百樂卡(biloak)等為多級(jí)A/O工藝.因此，研究單級(jí)和多級(jí)A/O脫氮工藝中氮的去除效果及N2O轉(zhuǎn)化率的差異，對(duì)于脫氮方法的實(shí)際應(yīng)用、優(yōu)化生物脫氮技術(shù)及有效去除氮污染具有重要意義.
1 材料與方法1.1 研究方法與試驗(yàn)裝置
本研究中的單級(jí)A/O和多級(jí)A/O工藝均采用SBR反應(yīng)器模擬運(yùn)行.本試驗(yàn)裝置如圖 1所示，由1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器組成，其有效容積均為15 L，它們的運(yùn)行周期為3 h，其中反應(yīng)140 min，沉淀35 min，排水5 min. 1號(hào)反應(yīng)器為單級(jí)A/O工藝，其反應(yīng)時(shí)間包括缺氧70 min (前2 min完成進(jìn)水)，好氧70 min. 2號(hào)反應(yīng)器為多級(jí)A/O工藝(模擬氧化溝工藝)，其運(yùn)行方法是將140 min的反應(yīng)時(shí)間等分為5個(gè)小周期，每個(gè)小周期為一個(gè)小循環(huán)(相當(dāng)于氧化溝的一個(gè)循環(huán))，每個(gè)小周期進(jìn)水一次，曝氣4次，曝氣時(shí)間間隔6min，每次曝氣1min.該方法模擬氧化溝的平均循環(huán)比為17，一個(gè)循環(huán)時(shí)間為28 min，含有4個(gè)A/O分區(qū)[13].因而，2號(hào)反應(yīng)器的一個(gè)周期可以形成20個(gè)A/O分區(qū). 1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器在一個(gè)周期內(nèi)缺氧時(shí)間和好氧時(shí)間相同，皆為70 min.兩個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)為HRT=12 h、SRT=30 d、MLSS=(2 300±100) mg·L-1，運(yùn)行溫度維持在25℃左右.
圖 1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意
1.2 試驗(yàn)用水
試驗(yàn)用水采用人工配水，水質(zhì)主要組分類似城市污水，水質(zhì)組成成分為：淀粉(以COD計(jì))300 mg·L-1，NH4Cl (以N計(jì))40 mg·L-1，KH2PO4(以P計(jì)) 6 mg·L-1，NaHCO3 470 mg·L-1(用來調(diào)節(jié)堿度)，微量元素溶液1 mg·L-1(廢水)，微量元素溶液用蒸餾水配制，其主要組分為：CuCl2·2H2O 35 mg·L-1;NiCl·6H2O 36 mg·L-1;MgSO4·7H2O 5 000 mg·L-1;FeCl2·4H2O 6 000 mg·L-1;CoCl2·4H2O 880 mg·L-1;ZnSO4·7H2O 100 mg·L-1;MnCl2·4H2O 500 mg·L-1.
1.3 污泥的培養(yǎng)與馴化
試驗(yàn)所用污泥取自西安市第五污水處理廠的曝氣池中，試驗(yàn)研究前在反應(yīng)器中對(duì)所取的污泥利用人工配水進(jìn)行幾個(gè)污泥齡的培養(yǎng)馴化.
1.4 分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法
運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，兩個(gè)SBR反應(yīng)器整體密閉，1號(hào)反應(yīng)器間隔10 min取一次水樣和氣樣;2號(hào)反應(yīng)器間隔7 min取一次水樣和氣樣.
1.4.1 DO、pH及水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定
DO、pH分別采用HANNA溶解氧儀和雷磁pH/ORP測(cè)定儀測(cè)定.試驗(yàn)測(cè)定的主要水質(zhì)指標(biāo)為COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP，同時(shí)對(duì)微生物進(jìn)行鏡檢并定期測(cè)定污泥的SV、MLSS、SVI等指標(biāo)，以反映污泥性狀.各指標(biāo)的檢測(cè)方法依據(jù)文獻(xiàn).
1.4.2 氧化亞氮(N2O)的收集與測(cè)定
在密閉的反應(yīng)器上部裝有帶抽氣泵的采樣袋，將氣體收集在采樣袋中，收集的樣品在24 h內(nèi)進(jìn)行分析. N2O采用GC-ECD (PE-600，美國)進(jìn)行測(cè)定，所采用的色譜柱為Poropak Q柱，載氣為高純氮?dú)猓V條件為：載氣流速30 mL·min-1、進(jìn)樣口溫度50℃、柱溫50℃、檢測(cè)器溫度360℃.
1.4.3 微生物群落分析
用SoilGen DNA Kit提取污泥中菌種的總DNA，利用PCR技術(shù)對(duì)DNA擴(kuò)增，然后采用Roche 454第二代GS FLX測(cè)序平臺(tái)對(duì)1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器內(nèi)污泥樣品DNA進(jìn)行高通量測(cè)序.試驗(yàn)委托上海美吉生物技術(shù)有限公司進(jìn)行.最后根據(jù)測(cè)序結(jié)果利用MEGAN軟件對(duì)兩種工藝條件下的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，做出進(jìn)化分支樹，從而直觀反映兩種A/O系統(tǒng)的菌群結(jié)構(gòu).
2 結(jié)果與討論2.1 兩種A/O系統(tǒng)中污染物去除及DO變化趨勢(shì)
兩種不同A/O系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)COD、氨氮、總氮、總磷的去除情況如圖 2所示.
圖 2 不同A/O條件下污染物去除效果
從圖 2可以看出兩種運(yùn)行條件下COD的去除效率為97.5%，氨氮的去除效率為99.2%，效果相當(dāng)，但總氮和總磷的去除率差別較大. 1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器的總氮去除率分別為72.1%和52.2%，總磷去除率分別為53.4%、25.2%.這與Guo等[19]關(guān)于氧化溝不同曝氣模式氮的去除效果結(jié)論一致，主要是因?yàn)?號(hào)反應(yīng)器為多級(jí)A/O工藝，交替頻繁的缺氧、好氧使有機(jī)碳源在好氧段消耗得較多，導(dǎo)致在缺氧段中，反硝化細(xì)菌和聚磷菌能夠利用的有機(jī)物較少，因而在進(jìn)水氮負(fù)荷相同的前提下單級(jí)A/O要比多級(jí)A/O的脫氮除磷效果好.
圖 3為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)兩個(gè)反應(yīng)器中溶解氧(DO)變化趨勢(shì)圖，從中可以看出兩個(gè)反應(yīng)器的A/O分區(qū)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)，好氧區(qū)和缺氧區(qū)的停留時(shí)間基本相同，皆為70 min左右. 1號(hào)反應(yīng)器好氧段開始后隨著曝氣的進(jìn)行，DO濃度逐步上升且出現(xiàn)兩個(gè)“平臺(tái)”，第一個(gè)平臺(tái)表示氨氮氧化速率與供氧速率達(dá)到了平衡，隨著氨氮量的不斷減少DO又開始快速上升，然后出現(xiàn)第二個(gè)平臺(tái)即DO在系統(tǒng)內(nèi)達(dá)到了相對(duì)飽和. 2號(hào)反應(yīng)器DO變化呈鋸齒狀，沒有“平臺(tái)”出現(xiàn)，這說明系統(tǒng)一直處在相對(duì)虧氧狀態(tài)，其峰值只有2.78 mg·L-1，僅為1號(hào)反應(yīng)器DO峰值的一半左右，但是兩個(gè)反應(yīng)器出水COD和氨氮值差別卻不大.通過考察比耗氧速率(SOUR，以MLSS計(jì))發(fā)現(xiàn)1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器SOUR為24.71 mg·(g·h)-1和28.64 mg·(g·h)-1，這說明模擬多級(jí)A/O工藝的間歇短時(shí)曝氣活性污泥系統(tǒng)對(duì)氧的利用率更高.
圖 3 典型周期溶解氧變化趨勢(shì)
2.2 典型周期內(nèi)氮素變化特征
圖 4(a)為1號(hào)反應(yīng)器NH4+-N、NO2--N和NO3--N在一個(gè)周期內(nèi)的變化特征.進(jìn)水后NH4+-N濃度迅速上升且在缺氧段基本保持不變，在好氧段濃度快速下降.而NO3--N的變化趨勢(shì)和氨氮正好相反即在缺氧段由于反硝化作用逐步降低，在好氧段逐步上升最后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的濃度.從圖 4(a)中還可看出在缺氧段和好氧段NO2--N濃度變化均呈現(xiàn)先上升后降低現(xiàn)象：缺氧段NO2--N的積累是由于系統(tǒng)中硝酸鹽的存在抑制了亞硝酸鹽的還原，導(dǎo)致硝酸鹽還原速率大于亞硝酸鹽還原速率;而好氧段NO2--N的積累可能是由于自由氨(FA)的存在所致，Aslan等認(rèn)為FA可以抑制氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)的活性，抑制AOB和NOB活性的閾值濃度分別為10~150 mg·L-1和0.1~1.0 mg·L-1.通過分析發(fā)現(xiàn)，好氧段前15 min的FA濃度均大于1.07 mg·L-1，大于NOB活性閾值，從而造成了亞硝酸鹽氮濃度的升高.
圖 4 典型周期內(nèi)兩反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度變化
圖 4(b)反映了2號(hào)反應(yīng)器一個(gè)周期內(nèi)NH4+-N、NO2--N和NO3--N的變化.由于模擬的氧化溝工藝的循環(huán)比(稀釋比)為17，故每個(gè)小循環(huán)(相當(dāng)于氧化溝的一個(gè)循環(huán))開始時(shí)NH4+-N濃度較低，到小循環(huán)結(jié)束時(shí)氨氮基本消耗殆盡.整個(gè)周期或系統(tǒng)內(nèi)FA的濃度均在0.1 mg·L-1以下，不存在FA對(duì)NOB的抑制.而每個(gè)小循環(huán)內(nèi)NO2--N的短時(shí)積累可能也是由于系統(tǒng)中硝酸鹽的存在抑制了亞硝酸鹽的還原. NO3--N濃度在整個(gè)周期內(nèi)逐漸升高，在每個(gè)小循環(huán)內(nèi)NO3--N的去除主要集中在前半段時(shí)間，后半段時(shí)間幾乎沒有去除，這主要是由于在前半段時(shí)間碳源充足后半段時(shí)間碳源匱乏，以至于反硝化碳源不足.
2.3 典型周期內(nèi)兩個(gè)反應(yīng)器中N2O的產(chǎn)生和釋放規(guī)律
生物脫氮系統(tǒng)中產(chǎn)生的N2O要么以氣體形式被吹脫出來，要么以溶解態(tài)形式暫時(shí)留存在污水中，而前者占N2O釋放總量的99.5%以上.試驗(yàn)通過頂空法測(cè)定溶解態(tài)N2O時(shí)，檢測(cè)器沒有出現(xiàn)響應(yīng)，故本研究只考慮氣態(tài)中的N2O.
從圖 5(a)中可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)反應(yīng)器中N2O主要產(chǎn)生在好氧段的氨氧化階段，缺氧反硝化階段釋放不明顯.缺氧段N2O釋放速率(vN2O)和濃度(cN2O)的小幅增加可能是由于進(jìn)水夾帶的DO以及上周期殘留的DO使得缺氧反硝化段前期有少量分子氧存在，而氧氣對(duì)N2O還原酶有抑制作用.在好氧段隨著氨氮不斷被氧化，N2O釋放速率和濃度變化為先上升再下降，隨著氨氮消耗，在好氧段后期N2O釋放速率和濃度又重新趨于零.在好氧段N2O釋放速率(vN2O，以MLSS計(jì)，下同)和濃度(cN2O)的峰值出現(xiàn)在100 min左右，分別為5 μg·(g·min)-1和7.38 μg·L-1，此時(shí)氨氮濃度為0.58 mg·L-1，基本消耗殆盡，此后N2O釋放速率和濃度迅速下降.
圖 5 典型周期內(nèi)N2O產(chǎn)生釋放變化
圖 5(b)為2號(hào)反應(yīng)器中N2O的釋放情況，在每個(gè)小循環(huán)內(nèi)vN2O和cN2O均出現(xiàn)一個(gè)峰值而且都出現(xiàn)在氨氮濃度較大時(shí)的好氧曝氣段，vN2O的最大峰值約為1.8 μg·(g·min)-1.在各個(gè)小循環(huán)內(nèi)vN2O的變化趨勢(shì)和1號(hào)反應(yīng)器一樣，即隨著氨氮濃度的降低而逐漸降低.
通過氮平衡分析分別考察了一個(gè)完整周期內(nèi)兩個(gè)反應(yīng)器中N2O產(chǎn)生量和轉(zhuǎn)化率(見表 1和表 2). 1號(hào)和2號(hào)反應(yīng)器中N2O產(chǎn)生量分別為16.59 mg和3.95 mg，其轉(zhuǎn)化率(即N2O的產(chǎn)生量與TN的去除量之比，下同)分別為11.47%和4.11%.由此可見，在同樣的運(yùn)行條件下單級(jí)A/O系統(tǒng)N2O的產(chǎn)生量是多級(jí)A/O系統(tǒng)的4.2倍. Hu等的研究表明在硝化過程中COD/N對(duì)N2O的產(chǎn)生有重要影響，當(dāng)COD/N由7.5增加到14.5時(shí)，N2O的轉(zhuǎn)化率從6%降低到1.3%，同時(shí)他們分析得到這是由于在高碳氮比條件下AOB中的亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)的豐度大幅減少造成的.
表 1 1號(hào)反應(yīng)器N2O產(chǎn)生量和轉(zhuǎn)化率
表 2 2號(hào)反應(yīng)器N2O產(chǎn)生量和轉(zhuǎn)化率
2.4 兩種A/O工藝條件下微生物群落特征
利用PCR-T-RFLP及高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器中活性污泥樣品進(jìn)行分析，其微生物群落結(jié)構(gòu)如圖 6所示.其中，彩色圖餅的大小表示微生物種群在各個(gè)樣品中的相對(duì)含量. 圖 6表明：1號(hào)反應(yīng)器和2號(hào)反應(yīng)器中AOB的優(yōu)勢(shì)菌種皆為Nitrosomonas，但前者的相對(duì)豐度高于后者，同時(shí)在1號(hào)反應(yīng)器中NOB優(yōu)勢(shì)菌種為Nitrobacter和Nitrospira兩個(gè)菌屬，2號(hào)反應(yīng)器卻沒有發(fā)現(xiàn).說明在2號(hào)反應(yīng)器中，NO2-產(chǎn)生量少，使2號(hào)反應(yīng)器中NO2-積累少，不易于NOB產(chǎn)生，同時(shí)也不利于AOB的反硝化(nitrifier's denitrification，ND)，因而，2號(hào)反應(yīng)器釋放的N2O少.根據(jù)2.2的分析也可看出，2號(hào)反應(yīng)器中的NO2--N波動(dòng)大，存留時(shí)間短，故NO2-積累少.
紅色: 1號(hào)反應(yīng)器; 黃色: 2號(hào)反應(yīng)器
圖 6 兩種反應(yīng)器中微生物的進(jìn)化分支對(duì)比
相反，在1號(hào)反應(yīng)器中，檢測(cè)出NOB中的優(yōu)勢(shì)菌種為Nitrobacter和Nitrospira，所以說明在1號(hào)反應(yīng)器中NO2-的產(chǎn)生量比2號(hào)反應(yīng)器多，為NOB獲得基質(zhì)提供了條件.根據(jù)2.2節(jié)可知，在1號(hào)反應(yīng)器的好氧區(qū)中存在一定的NO2--N積累，利于NOB的產(chǎn)生，因?yàn)镹itrobacter和Nitrospira具有較小的半飽和常數(shù)，對(duì)基質(zhì)的親和力大，爭(zhēng)奪基質(zhì)能力強(qiáng)，所以成為優(yōu)勢(shì)菌.上述菌落分析結(jié)果也說明了在1號(hào)反應(yīng)器中NO2-的產(chǎn)生量比2號(hào)反應(yīng)器多，為NOB獲得基質(zhì)提供了條件.同時(shí)，也正因?yàn)槿绱耍灿欣?號(hào)反應(yīng)器中的AOB進(jìn)行反硝化，從而，產(chǎn)生較多的N2O.而有研究表明：AOB的反硝化是N2O釋放的重要途徑，且主要源于AOB中的Nitrosomonas菌屬. Nitrosomonas菌屬在好氧狀態(tài)下可以同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng). Shrestha等[29]以純培養(yǎng)的Nitrosomonas europaea為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在有氧存在的條件下，大概有7%的氨氮被轉(zhuǎn)化為N2O.本試驗(yàn)中，1號(hào)反應(yīng)器中的Nitrosomonas的數(shù)量高于2號(hào)反應(yīng)器，故產(chǎn)生N2O的量多.
從上面分析可知，單級(jí)A/O工藝更有利于硝化細(xì)菌(AOB、NOB)的生長，但同時(shí)也產(chǎn)生更多的N2O溫室氣體.而多級(jí)A/O工藝由于較為頻繁的缺氧-好氧變化，抑制了硝化細(xì)菌的生長，在一定的氨氮負(fù)荷下，并沒有影響其硝化效果，但是對(duì)于高的氮負(fù)荷，則不宜采用多級(jí)A/O工藝(如氧化溝工藝)，但其產(chǎn)生的N2O量少.具體參見污水寶商城資料或http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 對(duì)于人工模擬城市污水水質(zhì)，在相同的運(yùn)行條件下，單級(jí)A/O和多級(jí)A/O工藝對(duì)COD、氨氮的去除率沒有顯著差別，但是單級(jí)A/O工藝的總氮的去除率優(yōu)于多級(jí)A/O工藝.對(duì)于HRT=12 h、SRT=30 d、運(yùn)行溫度為25℃左右時(shí)，前者總氮去除率為72%，出水TN=7.79 mg·L-1，后者總氮去除率為52%，出水TN=15.58 mg·L-1.
(2) 單級(jí)A/O工藝在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)產(chǎn)生的N2O的量約為多級(jí)A/O工藝的4.2倍，單級(jí)A/O和多級(jí)A/O工藝中N2O的轉(zhuǎn)化率分別為11.47%和4.11%.且N2O主要是在硝化階段由AOB中的Nitrosomonas菌屬產(chǎn)生的.
(3) 單級(jí)A/O工藝比多級(jí)A/O工藝更有利于硝化細(xì)菌(AOB、NOB)的生長.在相同的運(yùn)行條件下，兩工藝中AOB的優(yōu)勢(shì)菌種皆為Nitrosomonas，但是單級(jí)A/O工藝中Nitrosomonas的相對(duì)豐度較高;單級(jí)A/O工藝中NOB的優(yōu)勢(shì)菌種為Nitrobacter和Nitrospira兩個(gè)菌屬，其相對(duì)豐度明顯高于多級(jí)A/O工藝.
