新型生物脫氮工藝中 N2O 產(chǎn)生及釋放研究進(jìn)展

王  賽，王淑瑩，鞏有奎，彭永臻，張靜蓉

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100022）

       摘  要：N2O 是重要的溫室氣體之一，微生物作用是大氣中 N2O 的主要產(chǎn)生源。大量污水脫氮工藝的研究及應(yīng)用表明，生物脫氮過程中 N2O 主要產(chǎn)生于微生物的硝化和反硝化代謝過程。近年來，許多新型生物脫氮工藝已逐步應(yīng)用到實(shí)際污水處理中。本文闡述了硝化、反硝化階段 N2O 的產(chǎn)生機(jī)理，并分析了傳統(tǒng)生物脫氮工藝及同步硝化反硝化、短程硝化 - 反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等新型工藝中 N2O 的產(chǎn)生量及其影響因素，提出在追求高脫氮效率的同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行條件及種群結(jié)構(gòu)，可在一定程度上降低系統(tǒng) N2O 的產(chǎn)量及危害，為新型生物脫氮工藝實(shí)際運(yùn)行過程中降低N2O 的產(chǎn)量提供參考。

      關(guān)鍵詞：N2O；產(chǎn)生機(jī)理；新型生物脫氮工藝

      中圖分類號：X703.1               文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A                       文章編號：1000-3770(2010)03-0005-005

       水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前全球重大的環(huán)境問題之一，生物脫氮除磷作為解決富營養(yǎng)化的手段已成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著研究工作的不斷深入，人們對脫氮除磷的微生物學(xué)機(jī)理有了新的認(rèn)識， 開發(fā)了許多新型生物脫氮除磷工藝。在對新型脫氮工藝的研究中發(fā)現(xiàn)，污水生物脫氮過程中氣態(tài)產(chǎn)物除N2 之外，還有 N2O 的積累與釋放。N2O 是一種強(qiáng)力的溫室氣體，等摩爾濃度 N2O 的增溫潛勢是 CO2 的 200～300 倍[1]。N2O 在大氣中不會下沉，不會被沖洗掉，其在對流層中很穩(wěn)定，且可不斷累積，停留時(shí)間長達(dá) 120 年[2]。據(jù)報(bào)道，N2O 的大氣濃度每增加 1倍就將導(dǎo)致全球升溫 0.3℃[3]。研究表明，污水生物脫氮過程是N2O 的重要產(chǎn)生源。新型生物脫氮工藝能夠較為經(jīng)濟(jì)、有效地去除廢水中的氮污染物，但是在解決水環(huán)境問題的同時(shí)，更應(yīng)盡量避免隨之產(chǎn)生的其它環(huán)境問題。因此，深入了解 N2O 在生物脫氮過程中的產(chǎn)生機(jī)制，以及不同生物脫氮工藝中 N2O 的釋放量有著極為重要的理論及實(shí)際意義。

         1        生物脫氮過程中N2O 產(chǎn)生的微生物學(xué)機(jī)理

       現(xiàn)有的大量研究表明，污水生物脫氮過程中微生物的硝化及反硝化代謝過程是污水處理中 N2O的主要產(chǎn)生源。

        1.1        硝化過程

       劉秀紅等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，硝化作用是生物脫氮中產(chǎn)生 N2O 的主要來源。生物硝化過程包括 2 個(gè)階段：第 1 個(gè)階段是氨氮在氨氧化菌（Ammonia-oxi- dizing bacteria，AOB） 的作用下氧化為亞硝酸鹽（NO -），羥胺（NH OH）是該反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物，起 催 化 作用的酶有氨單加氧 酶（Ammonia mono-oxygenase，AMO） 和羥胺氧化還原酶（Hy- droxylamine oxidoreductase，HAO）；第 2 個(gè)階段是經(jīng)亞硝酸鹽氧化 菌 （Nitrite-oxidizing bacteria， NOB）氧化為硝酸鹽（NO -），起催化作用的酶是亞硝酸氧化還原酶（Nitrite oxidoreductase，NOR）。

       N2O 是作為硝化階段首過程的副產(chǎn)物出現(xiàn)的。在正常的硝化反應(yīng)階段，N2O 可能產(chǎn)生的途徑有 2 個(gè)：（1） 亞硝酸鹽在 NOR 作用下的還原反應(yīng)，即硝化菌的反硝化作用。當(dāng)溶解氧受限制時(shí)，硝化反應(yīng)無法進(jìn)行徹底，導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累，硝化菌利用氨氮氧化過程中提供的電子經(jīng)異化還原反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為 N2O 而釋放[5]。（2）亞硝酸鹽或氨氧化中間產(chǎn)物羥胺的化學(xué)分解作用[6]。

       在硝化階段，除自養(yǎng)型硝化菌作用之外，許多異養(yǎng)微生物也可以進(jìn)行硝化作用。異養(yǎng)硝化菌的硝化速率是自養(yǎng)菌的 1/（100～1000）倍，而且只有在較高的有機(jī)物負(fù)荷（COD/N>10）和低 DO 下才能占優(yōu)勢起到硝化作用[7]。盡管如此，Anderson[8]的研究表明，在純菌種培養(yǎng)試驗(yàn)中，異養(yǎng)硝化菌 A aecalis 硝化過程產(chǎn)生的N2O 比自養(yǎng)菌 N europaea 產(chǎn)生的多。除此之外，好氧反硝化菌也可能產(chǎn)生 N2O，Inamori 等[9]認(rèn)為 A faecalis 能在好氧反硝化的過程中產(chǎn)生 N2O。

        1.2        反硝化過程

        反硝化是由異養(yǎng)型兼性厭氧微生物將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氮?dú)獾倪^程。傳統(tǒng)的反硝化按照 4 個(gè)階段進(jìn)行，如圖 1 所示。

可以看出，N2O 是反硝化過程的中間產(chǎn)物。由于 NO 有劇毒，以NO 為產(chǎn)物的細(xì)菌難以生存，因此，產(chǎn)生的 NO 會快速轉(zhuǎn)化為 N2O[10]。在不同反應(yīng)條件下，N2O 和 N2  都有可能作為反硝化的最終產(chǎn)物釋放。能否控制并保持氧化亞氮還原酶（Nos）的活性是抑制N2O 產(chǎn)生的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中低 DO，亞硝酸鹽的積累，低 pH 等環(huán)境因素都會抑制 Nos 的活性而導(dǎo)致N2O 的積累與釋放[11-13]。除此之外，低 COD/N 比導(dǎo)致不完全反硝化也是產(chǎn)生 N2O 的重要原因。

在脫氮過程中，除了硝化和反硝化作用產(chǎn)生 N2O 外，還會發(fā)生異化性硝酸鹽還原作用（DNRA）。該過程中，亞硝酸鹽和硝酸鹽可用作電子受體還原成氨。該作用常發(fā)生在電子受體貧乏的缺氧環(huán)境中[14]。對該過程起催化作用的是硝酸鹽還原酶（Nar）和亞硝酸鹽還原酶（Nir）。Bleakley 等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)異化性硝酸鹽還原作用能產(chǎn)生 N2O，硝酸鹽呼吸細(xì)菌的增長十分迅速，是一類不屬于反硝化菌的產(chǎn) N2O 菌群。因此，生物脫氮過程中 N2O 的產(chǎn)生不僅僅局限于傳統(tǒng)脫氮過程，微生物的多樣性使得 N2O 的來源更多，產(chǎn)生機(jī)理更加復(fù)雜。

2      不同污水脫氮工藝中 N2O 的產(chǎn)生分析

全程硝化 - 反硝化工藝是目前污水處理廠應(yīng)用較多的生物脫氮工藝。近年來，許多新型生物脫氮工藝：同步硝化 - 反硝化，短程硝化 - 反硝化及厭氧氨氧化等工藝的研究與開發(fā)，使得經(jīng)濟(jì)高效地去除污水中的含氮污染物成為可能。但是，研究表明，在不降低脫氮效率的前提下，新型生物脫氮工藝可能會導(dǎo)致 N2O 產(chǎn)量的增加。因此，在關(guān)注這些新技術(shù)、新工藝脫氮效率的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注其排放產(chǎn)物對大氣環(huán)境的影響。

2.1        全程硝化 - 反硝化工藝

       該工藝在好氧條件下， NH + 首先被 AOB 氧化成 NO -  再被 NOB 氧化成 NO -，在缺氧條件下，NO -被還原為 N2。

       在硝化階段，DO 對 N2O 的產(chǎn)生與釋放有重要的影響，高 DO 濃度有利于降低 N2O 產(chǎn)生量，當(dāng) DO 質(zhì)量濃度低于 0.9 mg·L-1  時(shí)，將導(dǎo)致 N2O 產(chǎn)生量的迅速升高[16]。Galle Tallec 等[17]研究發(fā)現(xiàn)DO=1 mg·L-1時(shí)，氧化亞氮產(chǎn)生率較高（7.1 μg·g-1SS·h-1）。低 DO導(dǎo)致 N2O 較高的原因是：AOB 在低 DO 下可能進(jìn)行反硝化作用。該過程中，NO -  取代氧作為電子受體。另外，氨氮對 NOB 有抑制作用，若氨氮濃度過高，容易造成亞硝酸鹽的積累，使 N2O 產(chǎn)量增加[18]。這也是傳統(tǒng)脫氮工藝不適合處理高濃度氨氮廢水的原因。

       反硝化過程中 C/N 比是系統(tǒng)中 N2O 產(chǎn)生的重要因素。Sunjin Hwang 在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng) C/N 比為 3 時(shí)，好氧和缺氧反應(yīng)器中都沒有發(fā)現(xiàn) N2O 的釋放， 但當(dāng) C/N 比由 3 降低到 2 時(shí)，缺氧系統(tǒng)中產(chǎn)生了質(zhì)量濃度為 130 mg·L-1 的 N2O [19]。原因可能是碳源不足，導(dǎo)致反硝化不徹底，N2O 成為反應(yīng)的產(chǎn)物。 Hanaki 等[13]指出當(dāng) C/N 比迅速下降時(shí)，反硝化階段有大量的 N2O 釋放。Itokawa[20]的研究中，C/N 比低于 3.5，有 20%～30%的氮以 N2O 的形式排放。另外，系統(tǒng)中溶解氧的存在會導(dǎo)致 N2O 的產(chǎn)生[5]。

       從實(shí)現(xiàn) N2O 減量化的角度出發(fā)，在硝化階段應(yīng)保持較高的溶解氧，較低的氨氮負(fù)荷，以減少亞硝酸鹽的積累；反硝化階段避免溶解氧的存在，C/N 比應(yīng)大于 3.5。除此之外，較大的 SRT（> 10 d）和適當(dāng)?shù)膒H（6.8～8）也可以減少 N2O 的產(chǎn)生[5]。

       2.2        同步硝化反硝化

同步硝化反硝化（Simultaneous nitrification and denitrification，SND）脫氮是在好氧狀態(tài)下硝化和反硝化在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的過程。關(guān)于同步硝化反硝化產(chǎn)生的機(jī)理，廣泛接受的解釋有以下 2 種：存在的條件下直接把氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物去除，許多異養(yǎng)硝化菌也能進(jìn)行好氧反硝化。因此，從微生物學(xué)角度來看同步硝化反硝化生物脫氮是可能的。

        Zeng 等[25]在 SBR 系統(tǒng)中，控制 DO 質(zhì)量濃度在   0.5 mg·L-1，通過中間產(chǎn)物 NO -  的積累，成功實(shí)現(xiàn)了 SND，經(jīng)測定系統(tǒng)釋放的氣體大部分是 N2O 而不是 N2。Beline 等[26]在低氧條件下實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化，用 15N 示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)反硝化產(chǎn)生的 N2O 占總氮的 27%，是同步硝化反硝化 N2O 產(chǎn)生的主要過程。呂錫武運(yùn)用 SBR 反應(yīng)器，將同步硝化反硝化與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝進(jìn)行了對比，在總氮去除率相差不大的前提下，同步硝化反硝化產(chǎn)生的 N2O 比傳統(tǒng)工藝少，后者是前者的 1.5 倍[27]。在實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的運(yùn)行條件方面，C/N 比小于 4，DO 質(zhì)量濃度濃度大于 2 mg·L-1，都會增大 N2O 的產(chǎn)生量[28]。

         2.3       短程硝化 - 反硝化工藝

        短程硝化反硝化工藝是將硝化反應(yīng)控制在亞硝酸鹽階段，直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)（見圖 2）。與全程脫氮相比，短程工藝能節(jié)省 25%的氧消耗量和 40% 的外碳源消耗量。但是，在對 N2O 產(chǎn)生量的研究方面卻不容樂觀，這對在全球采用新工藝處理污水的形勢下提出了一個(gè)亟待解決的問題。

       根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)論可知，亞硝酸鹽的積累是短程硝化 - 反硝化階段 N2O 產(chǎn)生較多的主要原因。M J Kampschreur [21]認(rèn)為，短程硝化階段 N2O 產(chǎn)生的主要來源是 AOB 的反硝化作用。硝化過程中亞硝酸鹽的積累會導(dǎo)致 AOB 以亞硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化，導(dǎo)致 N2O 的積累與釋放。有報(bào)道稱，亞硝酸鹽的積累是反硝化過程產(chǎn)生 N2O 的重要原因，當(dāng)NO -  質(zhì)量濃度 ρ（N）＝1 mg·L-1  時(shí)就會對 N O 的還原產(chǎn)生抑制[13]。Lemaire R[22]也有類似的研究，抑制N2O 還原的 NO -  質(zhì)量濃度 ρ（N）＝5 mg·L-1。但劉秀紅[4]發(fā)現(xiàn)，短程脫氮過程中 N2O 主要產(chǎn)生在硝化階段，反硝化階段不但沒有 N2O 產(chǎn)生，硝化階段積累的溶解性 N2O 反而會進(jìn)一步還原為 N2。Yan Zhou [23]研究結(jié)果表明，反硝化中抑制 N2O 還原的是游離亞硝酸（Free nitrous oxide，F(xiàn)NA），而不是亞硝酸鹽。當(dāng) FNA 質(zhì)量濃度ρ（NO --N）＝0.000 7～0.001 mg·L-1 時(shí)，抑制作用為 50%；當(dāng) FNA 質(zhì)量濃度大于 0.004 mg·L-1時(shí)，其對N2O 的還原完全抑制。有關(guān)于亞硝酸鹽對N2O 還原的抑制作用還需要進(jìn)一步的研究。

短程脫氮過程中，氨氮負(fù)荷的增加，水力停留時(shí)間（HRT）的減少，鹽度的增加，DO 的降低都會導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累，是 N2O 產(chǎn)生的間接因素；而在短程反硝化階段，即使 C/N 比降到 0.5，也沒有發(fā)現(xiàn) N2O 的增加 [17]，這說明 C/N 比并不是短程脫氮中N2O 積累的主要因素。  

        2.4       厭氧氨氧化工藝  

       研究發(fā)現(xiàn)，氨的氧化可在無氧但存在硝酸鹽或亞硝酸鹽的情況下發(fā)生。以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，氨作為直接電子供體，還原硝酸鹽或亞硝酸氮并將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾姆磻?yīng)（見圖 3），稱為厭氧氨氧化（ANAMMOX）。

Voets 等運(yùn)用硝化- 厭氧氨氧化 2 個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)器中 N2O 占進(jìn)水總氮的0.6%，由于厭氧氨氧化菌沒有發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生 N2O 的生理功能，因此推測是硝化段中的氨氧化細(xì)菌進(jìn)入到厭氧氨氧化反應(yīng)器中發(fā)生反硝化的結(jié)果[29]。Kartal 等[30] 的研究證明厭氧氨氧化菌在還原硝態(tài)氮時(shí)，并不經(jīng)過傳統(tǒng)的產(chǎn)生N2O 的反硝化過程。只有質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.26% 的氮以N2O 的形式釋放，對此合理的解釋是 N2O 來自NO 的去毒作用，NO 是厭氧氨氧化的中間產(chǎn)物；另一種可能是產(chǎn)生于羥胺的氧化還原作用。

與傳統(tǒng)的硝化 - 反硝化脫氮過程相比，短程硝化－ANAMMOX 脫氮過程可使運(yùn)行費(fèi)用減少90%，不產(chǎn)生 N2O 氣體，具有顯著地可持續(xù)性和高經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)[31]。因此，短程硝化－ANAMMOX 工

藝具有較高的開發(fā)價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

2.5       反硝化除磷工藝

反硝化除磷是利用反硝化除磷細(xì)菌 （DPB）以硝酸鹽代替氧作為電子受體將反硝化脫氮和生物除磷兩個(gè)原本彼此獨(dú)立的過程合二為一。反硝化除磷解決了城市污水 C/N 比較低的環(huán)境下反硝化與除磷競爭有限碳源的矛盾，具有“一碳兩用”的優(yōu)勢； 而缺氧代替好氧則節(jié)省了曝氣的能量消耗，同時(shí)減少了污泥產(chǎn)量。

系統(tǒng)中共同存在時(shí)，大部分的反硝化是由反硝化聚糖菌完成的，當(dāng)NO - 質(zhì)量濃度ρ（N）高于1～2 mg·L-1 時(shí)會產(chǎn)生 NO -，原因可能是 NO - 的積累抑制了 N O還原酶的活性[32]。Lemaire[33]的研究也有類似的結(jié) 論，在反應(yīng)過程中，聚糖菌而不是聚磷菌進(jìn)行反硝化作用，并且釋放的氣體以 N2O 為主，在將反硝化聚磷的污泥和反硝化污泥混合并加入外碳源后，N2O的釋放量迅速減少。目前，對反硝化吸磷過程中產(chǎn)生氣體的分析比較少，對此工藝中 N2O 的產(chǎn)生還需進(jìn)一步的研究。

2.6       好氧脫氮工藝

好氧脫氮工藝是 1997 年首先由德國 Hannover 大學(xué)提出的新型生物脫氮工藝[34]。在許多實(shí)際生物脫氮系統(tǒng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)氨的超量去除，這種氨和硝酸鹽的超量去除現(xiàn)象稱為好氧脫氮。Muller[35]研究 發(fā)現(xiàn)，好氧反硝化速率與氨消耗速率基本處于同一數(shù)量級，這使好氧反硝化更具有實(shí)際的工程意義。其發(fā)生地可能條件有以下幾點(diǎn)：（1） 一些硝化細(xì)菌除了能夠進(jìn)行正常的硝化作用外，還能進(jìn)行反硝化作用。（2）一些反硝化細(xì)菌除了能在無氧條件下進(jìn)行正常的反硝化作用外，還能在有氧條件下進(jìn)行反硝化作用（即當(dāng)氧受限制時(shí)，同時(shí)以氧和硝酸鹽作為電子受體）。（3）還有一些細(xì)菌能彼此合作，進(jìn)行序列反應(yīng)，把氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈁36]。

雖然好氧反硝化工藝可在 DO 較高的條件下進(jìn)行 ,但 N2O 釋放量遠(yuǎn)高于低 DO 條件下 N2O 的釋放量[37]。Inamori 等[9]認(rèn)為好氧反硝化菌在好氧條件下還原硝酸鹽生成的 N2O 比在缺氧條件下多得多，但是也有報(bào)道稱純好氧反硝化菌株的產(chǎn) N2O 量低于傳統(tǒng)反硝化菌[38]。目前好氧反硝化菌對 N O 的貢獻(xiàn)還沒有統(tǒng)一的定論。

3       結(jié)  論

微生物的硝化和反硝化是污水脫氮過程中產(chǎn)生N2O 的 2 個(gè)主要階段。其產(chǎn)生機(jī)理并沒有統(tǒng)一的結(jié)論?；趥鹘y(tǒng)脫氮工藝?yán)碚摶A(chǔ)上開發(fā)的各種新型脫氮工藝已逐漸運(yùn)用于實(shí)際污水處理中。研究發(fā)現(xiàn)， 新型的脫氮工藝雖然在脫氮效率，運(yùn)行費(fèi)用上較傳統(tǒng)工藝占優(yōu)勢，但在溫室氣體 N2O 產(chǎn)生方面卻不容樂觀。因此，研究及實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)避免走進(jìn)一味追求高脫氮效率的誤區(qū)。

在生物脫氮的過程中，運(yùn)行條件和微生物群落對N2O 的產(chǎn)量起到關(guān)鍵性的作用。N2O 的減量化應(yīng)該從這兩個(gè)方面進(jìn)行。通過優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行條件，可有效降低生物脫氮過程中 N2O 的釋放量；同時(shí)，優(yōu)化微生物種群結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)中以 N2O 作為最終產(chǎn)物的菌群數(shù)量也可實(shí)現(xiàn) N2O 的減量化。目前，類似研究在實(shí)際工程中的應(yīng)用并不多見。在全球日趨變暖的大形勢下，如何將污水處理中釋放的 N2O 減量是今后研究的一個(gè)主要方向，也是對科研工作者提出的一大挑戰(zhàn)。

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