污水生物脱氮过程中N2O的产生及相关酶的研究

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污水生物脱氮处理系统释放出的N2O被认为是主要温室气体贡献源之一,在确保氮的高效脱除前提下,尽可能减少生物脱氮过程中N2O的释放具有重要意义。如何控制生物脱氮过程中N2O的释放,目前尚不完全清楚。生物脱氮过程中无论是硝化过程还是反硝化过程都有N2O产生。溶解氧(DO)对硝化过程和产物都有着极其显著的影响,但DO对生物脱氮过程中相关酶活性的调节及与N2O产生之间的关系尚缺乏研究。实验采用A/O方式运行的SBR反应器,控制好氧阶段曝气强度分别在0.6、0.8与1.0L/min,研究了不同曝气强度下硝化与反硝化活性污泥的羟胺氧化酶(HAO)的活性及N2O的释放量的变化情况,探讨了N2O的释放与相关酶的活性变化关系。论文获得的主要研究结果如下:(1)缺氧-好氧SBR反应器运行稳定,活性污泥性沉降性能良好。三种曝气强度下,沉降比SV在20~30%;污泥体积指数SVI较低,均在52.9~70.3,污泥平均粒径为80.02~95.38um。系统对污染物的去除效果良好,曝气强度由低到高,典型周期内总氮的去除率依次为67.8%、66.0%和45.9%;氨氮去除效率却依次增加,分别为97.1%、98.9%和100%。(2)提取HAO宜采用机械破碎与化学裂解相结合的方法,测定时选用铁氰化钾与羟胺浓度比为1:1的酶活性反应测定液,选用2mol/LHCL溶液作为反应终止剂,可获得较高的酶活性。并随曝气强度的增加,破碎细胞释放的DNA与胞内总蛋白含量不断增加。(3)硝化阶段与反硝化阶段均有N2O产生。三种曝气强度下,随曝气强度增加,缺氧段释放的N2O的量降低;好氧段释放的N2O量先减少后增加。周期内N2O总释放量不断降低,曝气强度由低到高,周期内释放的N2O总量分别为2.747、1.033与1.006mg。(4)0.6L/min曝气强度下,好氧段HAO活性先升后降,N2O释放速率先降后升,两者变化趋势相反。好氧段生成N2O的主要途径是由于反硝化、硝酰基(NOH)双分子作用。0.8L/min下,好氧段HAO活性与N2O释放速率呈正相关,N2O的释放主要是反硝化。1.0L/min下,好氧段HAO活性同N2O释放速率变化呈相反趋势。N2O的生成与羟胺的直接氧化、反硝化等作用的结果。在好氧段0.6L/min低曝气强度且氨氧化不彻底的情况下,缺氧段N2O的释放与HAO酶活性变化趋势一致,均一直下降;中等曝气强度(0.8L/min)与高曝气强度(1.0L/min)氨氮氧化彻底的情况下,N2O的释放与HAO活性变化无关。研究认为:(1)曝气强度不同导致了DO浓度水平的差异,硝化阶段在不同DO浓度水平下,HAO酶可通过不同途径参与氧化生成N2O。HAO可通过直接氧化羟胺(NH2OH)生成N2O;亦可通过氧化NH2OH生成NO2-,继而NO2-被反硝化生成N2O。HAO催化羟胺(NH2OH)生成的产物(N2O、NO2-)主要取决于电子受体的类型(O2、NO2-)。(2)曝气量对污染物的去除有较大影响。在试验范围内,随曝气量的降低,系统对总氮与有机物的去除效果增加,但N2O的释放量明显增加。因此,合理控制曝气量与曝气时间,不但能够节约能源,而且能够防止溶解性N2O进一步释放于大气。
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