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    研究不同溶解氧浓度下短程硝化过程N2O产生途径
    时间:2018-11-13
    本文来源:http://www.jlksaw.com.cn/a/www.hhghost.com/

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      N2O是一种重要的温室气体, 其增温潜势是CO2的100~310倍, 对全球温室效应的贡献约占5%~6%, 废水生物处理过程是N2O的主要产生源之一.导致N2O产生的因素有:溶解氧浓度、亚硝酸盐浓度、C/N比, 温度和有毒物质等.短程硝化与传统脱氮工艺相比, 可以减少25%的曝气量, 40%的外加碳源.因此, 其成功应用于市政污水和工业废水等的处理.虽然短程硝化工艺有工程应用的潜力, 但是亚硝积累是促进N2O排放的主要因素, 因为高的亚硝酸盐浓度抑制了N2O还原酶的活性.因此, 为了控制和减少短程硝化过程N2O的释放量, 影响N2O释放的关键因素需严格调控.在污水生物脱氮过程中, 主要通过3种途径产生N2O, 分别为:①羟胺(NH2OH)氧化过程, 在硝化过程中, 硝化细菌将NH2OH氧化为NO2-产生副产物N2O, 该过程是在NH2OH氧化还原酶(HAO)的作用下, NH2OH氧化为N2O.或者亚硝酸盐或氨氧化中间产物羟胺的化学分解作用产生; ②硝化细菌(AOB)反硝化过程, 当硝化过程溶解氧不足或NO2-浓度过高时, NH4+-N氧化为NO2-之后自养硝化细菌会将NO2-还原为N2O, 该过程称为硝化细菌反硝化; ③异养反硝化过程(HET), 当反硝化过程缺少N2O还原酶或脱氮酶不平衡时会导致异养反硝化菌生成N2O.此外, 亚硝酸盐积累或者可生物利用的有机碳源不足导致N2O产生.

      目前, 研究较多的是不同运行条件对短程硝化过程中N2O释放量的影响, 虽然N2O可能通过以上途径产生, 但是对于不同条件下短程硝化过程N2O的产生途径及各个途径所占的比例研究较少, 本研究采用稳定同位素的方法对N2O产生途径进行分析, 通过批次试验的方式, 分析不同溶解氧条件下短程硝化过程N2O释放量及产生途径, 从其产生来源提出N2O减量化的控制措施.

      1 材料与方法1.1 试验装置

      本试验装置如图 1所示, 反应器内装有从稳定运行短程SBR反应器内取出的活性污泥, 外加试验所需的模拟废水, 顶部用橡胶塞密封, 并开有5个直径不同的小孔, 分别为DO和pH探头孔及曝气、取水样、集气孔.反应器总体积1 L, 有效容积0.7 L.反应器置于恒温磁力搅拌器上, 维持池体内温度为25℃, 并用磁力转子搅拌, 使池体内处于混匀状态.

      图 1

    图 1 短程硝化过程批次试验装置示意

      1.2 试验污泥与水质

      批次试验所用污泥取自稳定运行短程SBR内活性污泥, 本批次试验用水为人工配水, 即向蒸馏水中添加所需物质, 根据试验目的不同, 配置相应的微量元素溶液和营养液.配水主要成分(mg ·L-1)为: KH2PO4 27, CaCl2 136, MgSO4 ·7H2O 20, NaHCO3 150, (NH4)2SO4(按需配制).微量元素Ⅰ、Ⅱ浓度为:1.0 mL ·L-1.微量元素Ⅰ组成(g ·L-1)为:EDTA 5, FeSO4 5;微量元素Ⅱ组成(g ·L-1)为:EDTA 15, CuSO4 ·5H2O 0.25, ZnSO4 ·7H2O 0.43, H3BO4 0.014, MnCl2 ·4H2O 0.99, Na2MoO4 ·2H2O 0.22, CoCl2 0.24.

      1.3 批次试验运行方法

      批次试验所用污泥浓度为1.82~1.93 g ·L-1控制温度为(25±1)℃, 进水NH4+-N浓度为25mg ·L-1, 将反应器先后控制在DO浓度为(2.5±0.5)、(1.5±0.2)和(0.5±0.1)mg ·L-1条件下运行, 首先加入所需基质, 然后加入碳酸氢钠调节pH为7.5, 盖上胶塞, 插入DO、pH探头, 打开加热, 从曝气口曝气, 然后将取样口用止水夹卡住, 集气口接集气袋.采用在线监测实时控制反应过程中DO浓度, 每个DO浓度做两组平行.反应0、15、30、60 min, 之后每隔60 min取样到曝气结束, 分别取10 mL水样离心, 过滤后测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N及COD.分别取6 mL水样用0.45 μm滤膜过滤, 其后4.5 mL水样用于测定溶解态N2O.

      1.4 分析指标与测定方法1.4.1 水质测定方法

      COD采用快速消解分光光度法测定; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定, NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定, NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定; MLSS采用滤纸重量法测定; Multi340i型便携式多功能pH值和DO测定仪在线测定反应过程中的pH值和DO浓度.COD采用快速消解分光光度法测定; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定, NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定, NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定; MLSS采用滤纸重量法测定; Multi340i型便携式多功能pH值和DO测定仪在线测定反应过程中的pH值和DO浓度.

      1.4.2 N2O释放量及产生途径分析方法

      (1) 气态N2O测定

      反应装置密闭, 所产气体经干燥管干燥后收集于气体采样袋中.采用Agilent 7890气相色谱仪测定N2O, 所用色谱柱为HP-Plot/分子筛(30 m×0.53 mm内径×25 μm膜), 色谱条件为:进样口110℃, 炉温180℃; ECD检测器300℃, 所有气体样品均经多次测定, 直至重现性较好为止.

      (2) 溶解态N2O测定

      溶解态N2O采用上部空间法测定.在密闭条件下, 取测定水样.为抑制残余微量微生物的活性, 向12 mL顶空瓶中加入0.5 mL浓度为1 000 mg ·L-1的HgCl2溶液, 然后加入4.5 mL经0.45 μm滤膜过滤后的水样.将制好的样品放入恒温磁力搅拌器中振荡1 h, 测定上部气体中的N2O浓度, 根据测得的N2O浓度及亨利定律计算出溶解态N2O浓度.

      1.4.3 同位素测定方法

      采用稳定同位素的方法对N2O产生途径进行分析.与其它技术相比, 稳定同位素技术的优点在于使得生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰(如没有放射性同位素的环境危害)的情况下进行.本试验采用Isoprime100稳定同位素质谱分析系统对所集气体进行同位素分析, 分析过程示意如图 2所示.具体步骤如下:抽空20 mL顶空瓶, 立即注入待测气体, 通过自动进样器用约25 mL ·min-1的He气流将待测样品吹进含烧碱石棉的化学阱, 99.99%的CO2被吸收. N2O和其他空气组分被捕集在-196℃的冷阱T2中.吹扫300 s后, T2自动移出液氮罐, 并通过六通阀的转换, 将被分析组分转移至-196℃的T3冷阱内, 转换阀的另一头与色谱柱相连接.待T3移出液氮容器即开始进行GC分析, 之后进行质谱分析, 用99.99%的N2O气体做参考气, 测定结果用反硝化法得到的N2O标准气体校正, 即用USGS32、USGS34和IAEA-N1产生的标准气体校准样品N2O氮的bulk值和α值, 用USGS34, USGS35和IAEA-N1产生的标准气体校准气体N2O氧的同位素值.最终根据所得数据计算出15Nbulk、15Nα及SP值.

      图 2

    图 2 Isoprime100稳定同位素质谱N2O分析示意

      1.4.4 N2O产生量及产生途径计算公式

      N2O释放量和溶解态N2O浓度根据Noda提供的方法计算, 见式(1).

    (1)

      式中, cproduced为N2O产生量(mg ·L-1); coff为试验过程释放到大气中的N2O浓度(mg ·L-1); cdis为溶解于水中的N2O浓度(mg ·L-1).

      N2O的产生途径计算公式见式(2)和(3):

    (2)

      式中, δ15Nα为15N在中心位(Nα)的丰度(‰), 即14N15N16O; δ15 Nβ为15N在边位(Nβ)的丰度(‰), 即15N14N16O.

    (3)

      式中, FND为NH2OH氧化过程产生N2O所占比例(%); FNN为AOB反硝化过程产生N2O所占比例(%); SPNN为NH2OH氧化过程的SP值(‰); SPND为AOB反硝化过程的SP值(‰).

      2 结果与讨论2.1 不同溶解氧条件下短程硝化过程N2O释放量

      生物脱氮过程中所产生的N2O在系统内的转移与传递主要涉及两个过程:N2O的溶解和N2O的释放. N2O的溶解过程指微生物生成的气态N2O溶解于混合液中, 为气相到液相的传递; N2O的释放过程是指由于曝气吹脱或过饱和等原因溶解态N2O从混合液中释放到大气中, 为液相到气相间的传递.

      在不同溶解氧条件下, 对短程硝化过程中溶解态N2O和气态N2O进行监测, 当溶解氧浓度为0.5 mg ·L-1, 测定结果如图 3所示.反应经过240 min, NH4+-N浓度由23.5 mg ·L-1降至2.78 mg ·L-1, 63.5%的NH4+-N转化为NO2--N, 亚硝积累率(NAR)为90.43%, 比氨氧化速率(SAOR, 以N/SS计, 下同)为1.86mg ·(g ·h)-1.从图 3中可以看出, 随着反应进行, 前30 min, 溶解态N2O和气态N2O基本没有检测到, 仅有0.875 mg ·L-1的NO3--N产生, 此过程产生这种现象可能是由于曝气的开始阶段, 微生物进行异养呼吸, 使COD和少量NH4+-N消耗合成自身物质.当反应到30 min之后, 溶解态N2O的浓度逐渐增加, 到120 min达到最大值, 随后趋于平缓并开始下降.前60 min, 气态N2O的浓度增加较少, 到120 min, NO2--N浓度大于5 mg ·L-1, 气态N2O的体积分数快速升高, 反应进行到240 min, 达到320.5×10-6, 利用SPSS软件对NO2--N浓度和N2O浓度与进行Pearson相关系数分析, 得出在0.01水平(双侧)上显著相关, 相关性系数R2=0.947, 显著性P=0.004(P < 0.05), 表明NO2--N浓度对N2O的释放有很大关系.有研究表明[20], 短程硝化过程N2O释放量的急剧上升与体系中NO2--N的积累存在显著的相关性, NO2--N具有生物毒性, NO2--N的积累导致氧化亚氮还原酶的活性降低, 从而引起N2O的释放.

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