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一氧化二氮(N2O)是生物脱氮过程中产生的强力温室气体,其全球增温潜势为CO2的190-270倍,占全球温室气体效应贡献值的6.4％,继CO2、氯氟烃和甲烷之后占第四位。1997年通过的《京都协议书》,要求发达国家缔约方在2008～2012年的第一承诺期内,N2O排放量要比1990年至少削减5％,我国也是缔约方。因此,研究如何控制和减少污水脱氮过程中N2O的排放具有十分重要的现实意义。
与传统生物脱氮工艺相比,同步硝化反硝化(Simultaneous nitrificationdenitrification-SND)工艺将省去第二阶段的缺氧反硝化池或减少其体积,大大缩短生物脱氮的工艺流程,减少工程造价,这为今后污水处理降低投资并简化生物脱氮过程提供了可能性。在荷兰、德国已有利用同步硝化反硝化脱氮工艺的污水处理厂在运行,目前国内对同步硝化反硝化的研究主要是在其形成机理上。对于SND过程巾N2O的产生情况的研究却鲜有报道。
本文采用密封的SBR反应器处理实际生活小区污水,接种城市污水处理厂成熟的具有硝化功能的污泥,以碳纤维为填料,成功启动同步硝化反硝化生物脱氮系统,并保持了系统长期稳定的脱氮件能。存此基础上,考察同步硝化反硝化生物脱氮系统这一新型生物脱氮系统的N2O产生情况及其影响因素。对N2O的主要产生过程——硝化过程的N2O产生机制及影响因素进行了研究,并对同步硝化反硝化脱氮过程中N2O产生机制进行分析,和传统全程生物脱氮和短程生物脱氮对比,分析提出生活污水脱氮过程中N2O减量化控制策略。
在温度为26+1℃时,成功完成同步硝化反硝化系统的启动。系统启动成功后,曝气结束时总氮去除率稳定在75％左右。分段投加碳源同步硝化反硝化系统NH4+-N去除率可以达到96％,而整个过程中系统中的NO2--N、NO3--N始终不超过2mg/L,同步硝化反硝化率达79％以上。在溶解氧为0.2、0.4、1.0、1.5mg/L水平下,反应结束时系统NH4+-N去除率分别为59.6％、96％、100％和100％,同步硝化反硝化率ηTN分别为94％、87％、79％和80％。维持溶解氧在0.4±0.1mg/L,初始氨氮浓度38～42mg/L条件下,初始C/N分别为3.2、4.8、6.7、8.1、10.3时,同步硝化反硝化率分别为3％、18％、31％、44％和47％。
在溶解氧1.5mg/L时,生物膜同步硝化反硝化系统一个周期内,N2O累积释放量为1.34 mg/L,即N2O-N累积释放量为0.86mg/L,相当于每去除1g氨氮N2O-N释放量为0.025g。溶解氧值分别恒在0.2、0.4、1.0和1.5mg/L时,N2O-N释放量分别为0.23、1.11、0.74、0.86mg/L,即相当于每去除1克氮释放的N2O量分别为0.005、0.025、0.021、0.025g。在初始C/N为3.3、4.5、7.2、8.7、10.1条件下,N2O-N累积释放景分别为0.089、0.423、0.331、0.412、0.261mg/L,每去除1g氮产,上的N2O-N量分别为0.092、0.081、0.032、0.029、0.017g。在碳源不足的情况下,有较大的N2O逸出量;在好氧曝气状态时,充足的碳源条件下,N2O被及时还原,有效减少了N2O的逸出。
亚硝态氮是影响污水处理过程中N2O产生的重要因素。试验发现污水硝化过程中从亚硝态氮氧化到硝态氮的过程中有N2O产生,并且随着亚硝态氮浓度的小同,N2O产生量也不同。以生活污水长期驯化的污泥处理初始亚硝态氮浓度大于40mg/L的污水时,由于亚硝酸盐的抑制作用导致N2O产生量很高。81.45mg/L的初始亚硝酸盐氧化过程可产生7.37mg/L的N2O。初始亚硝态氮低于40mg/L时,由于抑制作用不强,N2O产生量随亚硝态氮浓度的下降而降低,但当亚硝态氮浓度过低时,也会有较高的N2O转化率。恒定30mg/L亚硝态氮,随着DO浓度的升高,N2O的产量和转化率均逐渐下降。维持亚硝态氮氧化过程中DO浓度为2mg/L左有即可节约能源又可减少N2O的产生量。维持初始NO2--N浓度为30mg/L左右,随着pH的升高,N2O的产量和转化率均逐渐下降。维持NO2--N氧化阶段的pH＞7既可以节约运行成本又可减少N2O的产生量。
在传统全程硝化反硝化生物脱氮系统、短程硝化反硝化生物脱氮系统、同步硝化反硝化生物脱氮系统中,同步硝化反硝化生物脱氮系统足N2O逸出最少的系统。同步硝化反硝化系统N2O释放量比全程和短程脱氮系统低,主要有两个原因:一是由于系统内存住缺氧微环境,在硝化的同时有条件进行反硝化,及时的将N2O还原,减少了释放的N2O量;二足同步硝化反硝化系统的微生物菌群复杂,与全程系统和短程系统不同,可能存在更多种类的微生物菌种。这些菌种的酶系以及生理代谢过程也有别于传统的硝化菌和反硝化菌,有可能它们对于减少N2O释放量有着大的贡献。对于生活污水脱氮过程中N2O的逸出控制可以从以下两个思路出发:一是从工艺角度,选择采用有利于控制N2O逸山的工艺,如同步硝化反硝化脱氮,并且探索工艺运行最佳条件,实现污染物去除和N2O减排双达标的目标。二是从微生物角度,研究菌种代谢途径和代谢产物,筛选优势菌属,从N2O产生源上减少N2O释放量。