DO对生物膜SND脱氮及N2O产量的影响

荣宏伟，李权斌，张朝升，赵会伟，伍志趼，黄小鹏

（1.广州大学土木工程学院，广东　广州 510006；2.珠海市城市排水有限公司，广东　珠海 519000；3.广州市净水有限公司，广东广州 510627）

DO对生物膜SND脱氮及N2O产量的影响

荣宏伟1，李权斌1，张朝升1，赵会伟2，伍志趼3，黄小鹏3

（1.广州大学土木工程学院，广东广州 510006；2.珠海市城市排水有限公司，广东珠海 519000；3.广州市净水有限公司，广东广州 510627）

采用连续流生物膜反应器，通过控制进水DO浓度在2.0 mg·L-1、2.5 mg·L-1、3.0 mg·L-1、3.5 mg· L-1、4.0 mg·L-1、4.5 mg·L-1左右，考察DO浓度对生物膜SND脱氮效果和N2O产量的影响.结果发现，当DO浓度为3.5 mg·L-1时，NH+4-N去除率在90%以上，TN去除率达到74.32%，生物膜SND效果最佳.DO浓度为3.0 mg·L-1时，系统N2O产量最大，转化率也最高，约为3.40%左右.从SND脱氮效果、节能降耗和控制N2O产量3方面考虑，将进水DO控制在3.5 mg·L-1左右比较合理，既可以达到良好的脱氮效果，又可以减少N2O的产量.

同步硝化反硝化（SND）；一氧化二氮（N2O）；DO

同步硝化反硝化技术（Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND）是指在同一个生物反应器内，在相同的操作反应条件下，可以同时进行硝化和反硝化反应，而无需单独设置缺氧反硝化过程就可以直接将氮去除的技术［1-3］.相对于传统脱氮工艺，SND具有简化工艺流程、无需外加碳源和碱度、节省基建投资、降低动力消耗以及处理效率较高等优点［4-7］，因而成为国内外的研究热点.

然而，SND过程会产生大量的N2O［8］.N2O是一种强力温室气体，其增温潜势是CO2的300倍左右，可在大气中停留约120 a［9］，是导致臭氧层破坏［10-11］和农作物减产［12］的重要原因.研究表明，污水生物脱氮是大气中N2O的重要来源［13-14］，该过程每年释放的N2O约占全球N2O总释放量的2.5%～25.0%［15］.因此，减少生物脱氮过程中N2O的产生及排放量对于控制温室气体减排，防止气候变暖具有重要的作用.在对SND进行研究的同时，应关注SND过程中N2O排放量，对SND条件进行优化控制，从而达到提高脱氮效率、减少N2O排放的目的.

DO是SND和N2O产量的重要影响因素［1，16-17］.通过对DO浓度的控制，可有效限制DO在生物膜内或微生物絮体中的扩散，产生浓度梯度［18］，在生物膜或微生物絮体外部形成好氧区进行硝化反应，在内部形成缺氧区进行反硝化反应.此外，DO浓度的高低直接影响系统中硝化反应和反硝化反应的进行程度和速率，对N2O产量也有很大的影响.低DO浓度使N2O产生量增加［19］，但DO浓度过高也会导致硝酸盐还原酶（Nitrate Reductase，Nar）和氧化亚氮还原酶（Nitrous oxide reductase，Nos）失活，使得N2O累积.

本文采用连续流生物膜反应器，在实现SND稳定脱氮效果的条件下，通过控制DO浓度，探讨DO对SND过程中N2O产生情况的影响，为同步硝化反硝化生物脱氮技术更好地应用于实际工程奠定理论基础.

1　实验材料与方法

1.1试验装置

生物膜挂膜阶段采用序批式生物膜反应器（SBBR），待挂膜成功后，将成熟的膜片移入连续流生物膜装置中，并进行后续的试验研究.

连续流生物膜反应装置见图1.反应器长为39 cm（平均分为3个廊道），宽为13 cm，高为45 cm，有效水深约为40 cm，有效容积约为20 L.通过水泵将原水从反应器底部进入，依次流过3个廊道，经生物膜反应处理后由反应器末端出水口排出.反应器采用微孔曝气，通过转子流量计调节曝气量.

1.2污泥来源与试验水质

试验污泥取自广州市沥窖污水处理厂二沉池回流污泥，污泥呈黑色，沉降性能良好.试验用水为人工配制的模拟城市生活污水，采用淀粉和啤酒为碳源，控制COD为250 mg·L-1左右，投加NH4Cl为氮源，控制进水NH4+-N浓度30 mg·L-1左右，KH2PO4为磷源，投加CaCl2、MgSO4、FeSO4以及一些微量元素，并用质量分数10%稀HCl、NaHCO3和NaOH调节pH值.

图1　连续流生物膜工艺图Fig.1 Schematic of the continuous flow biofilm reactor

1.3试验条件

本试验将运行参数维持在利于SND发生的最佳条件下，通过调整曝气量将反应器运行过程中DO浓度分别控制在2.0 mg·L-1、2.5 mg·L-1、3.0 mg·L-1、3.5 mg·L-1、4.0 mg·L-1和4.5 mg·L-1左右，考察不同DO浓度对生物膜SND脱氮效果和N2O产量的影响.反应器的运行方式为连续进水、出水，HRT控制在8.0 h左右，在线检测DO浓度和pH值的变化，温度控制在（28±1.0）℃，进水pH值维持在7.0左右.反应器用密封盖整体密闭，上方设有气体排放取样口，采用气体采样袋收集曝气阶段的混合气体（干燥去除水分），并用湿式气体流量计测定气体体积，其中的N2O浓度采用气相色谱仪测定.因为在生物硝化和反硝化脱氮过程中都会产生N2O［20］，所以在SND系统中N2O的产生是2者共同作用的结果.王淑莹等［21］研究表明，液相中溶解态的N2O产生量极低，并且与气态的N2O释放量比较相差3～4个数量级，因此，本实验忽略溶解态N2O释放量对总N2O释放量的贡献.试验在稳定运行条件下每隔10 d调整一次DO浓度，每天在同一固定的5 h时间内每隔0.5 h采集5 min气量分析检测N2O浓度，所有样品均检测3～4次，再取平均值.在采集气体样品的同时采集相应进出水水样行进检测，并取平均值.

1.4分析项目与检测

试验期间NH+4-N、亚氮、硝氮、COD、MLSS、TN等各项水质指标均采用国家环境保护局发布的标准方法［22］，DO浓度和pH值使用multi HQ40d型便携式多功能分析仪测定.N2O浓度采用Agilent7890A型气相色谱仪测定，色谱柱为HP-PLOTQ/分子筛（25 m×530 μm内径×40 μm），色谱条件：进样口120℃；柱温箱50℃；ECD检测器300℃，以高纯氮气作为载气，流速为30 mL·min-1.

N2O释放量和转化率，亚氮积累率（η亚氮）参照相关文献［23-24］计算；SND率（ESND）根据KATIE等［25］提出的公式计算.

2　结果与分析

2.1DO值对生物膜SND生物脱氮的影响

试验结果表明，不同的DO浓度对NH+4-N和TN的去除有较大的影响.由图2可见，当DO浓度＜4.0 mg· L-1时，NH+4-N去除率随DO浓度的升高而提高，最高达到96.52%；当DO浓度提高到4.5 mg·L-1时，NH+4-N去除率出现轻微下降，但仍保持在95%以上.而图3显示，TN的去除率随DO浓度的升高呈现先增大后减小的趋势.当DO浓度＜2.5 mg·L-1时，NH+4-N出水浓度较高，去除率尚未达到60%，此时出水TN的组成基本以NH+4-N为主，TN的去除率小于50%.产生这种现象的原因主要是由于反应器中DO浓度较低，生物膜内微生物量较多，生物膜较厚，氧在生物膜内的传递受阻，同时附着在生物膜外部生长的异养菌在降解有机物时消耗了大量的DO，导致生物膜内DO浓度降低形成了较多的缺氧环境，硝化菌的活性受到抑制，致使硝化效果不佳.但缺氧环境为反硝化菌的生长提供了适宜条件，使得亚氮和硝氮迅速被还原，出水中亚氮和硝氮浓度很低，取得了良好的反硝化效果.

图2　DO浓度对氨氮的影响Fig.2 The effect of DO on NH4+-N

图3　DO浓度对总氮的影响Fig.3 The effect of DO on TN

当DO浓度在3.0～4.0 mg·L-1范围内时，TN的去除率在65.84%～74.32%之间，而NH+4-N去除率随DO浓度的增加而增加，平均去除率在85%以上.试验表明：随着DO浓度的不断升高，促进了DO在生物膜内的传递，硝化菌活性逐渐增强，硝化效果明显提高；而反硝化菌活性却逐渐减弱，出现了反硝化不完全.由于生物膜具有一定的厚度且微生物量较高，DO并不能完全扩散到生物膜内部，因此，在生物膜内仍然存在一定的缺氧环境，保证了反硝化反应可以顺利进行.

当DO浓度再升高，达到4.5 mg·L-1时，NH+4-N基本全部去除，去除率达到95%以上.而TN去除率却有所降低，不到60%，由图3可见，此时出水TN基本以硝酸盐氮为主.出现这种现象主要是由于DO浓度的升高，提高了氧对生物膜的穿透力，缺氧微环境比例下降，好氧微环境比例上升，系统中硝化菌活性增强，而反硝化菌活性受到抑制，反硝化效果降低，最终导致出水中硝酸盐氮浓度升高.

由此可见，DO浓度是生物膜反应器同步硝化反硝化的一个重要因素，在不影响硝化反应的前提下，降低DO浓度有助于维持生物膜内部的缺氧环境，以保证反硝化能力.当DO浓度控制在3.5 mg·L-1左右时，可使2种微环境达到平衡，硝化反应速率和反硝化反应速率接近，可实现稳定的同步硝化反硝化效果.此时，TN的去除率达到74.32%，NH+4-N的去除率达到90%以上.

2.2DO对生物膜SND过程中N2O产量的影响

由图4和图5可见，DO浓度的变化对N2O的产生与释放有重要的影响.为进一步消除不同初始NH+4-N浓度导致的N2O产量的差异，通过计算得出了不同DO浓度条件下N2O的转化率，结果见图5.在DO浓度＜3.0 mg·L-1的情况下，随DO浓度的升高，N2O释放量逐渐增加.当DO=3.0 mg·L-1时，N2O释放浓度达到最大值，平均浓度为77.31 μg·L-1，N2O转化率也达到最大，为3.4%左右.其原因可能是，较高的DO浓度对Nos有较强的抑制作用，从而抑制了N2O的进一步还原.从图5可见，N2O释放与TN的去除和亚氮积累有一定的相关性，当DO=3.0 mg·L-1时，亚氮积累率最高，TN基本以亚硝酸盐氮形式为主，亚硝酸盐还原酶（Nitrite Reductase，Nir）与Nos之间存在电子竞争，而Nos对电子的亲和力较弱，也导致了系统内N2O的产生.

图4　不同DO浓度对N2O产生量的影响Fig.4 Effect of different DO on N2O production

图5　不同DO浓度下，总氮去除率、同步硝化反硝化率、亚氮积累率以及N2O转化率的变化情况Fig.5 Variation of TN removal rate、SND rate、NO2--N accumulation rate and N2O conversion rate at different DO concentration

然而，在DO浓度＞3.0 mg·L-1的情况下，随着DO浓度的进一步升高，N2O释放量又有所降低.当DO= 3.5 mg·L-1和DO=4.0 mg·L-1时，N2O的释放浓度基本相同，降低到50 μg·L-1左右，转化率为2.1%左右，约为DO=3.0 mg·L-1时的2/3.继续升高DO浓度到4.5 mg·L-1时，N2O释放浓度为30 μg·L-1左右，转化率为1.4%，约为DO=3.0 mg·L-1时的1/3.提高DO浓度引起N2O释放量降低的原因是：氨氧化菌氧化NH+4-N产生的亚氮可以及时地被氧化为硝氮，不会造成亚氮的积累.反应系统中亚氮的积累，会使亚硝酸盐氧化菌的活性受到抑制，这也是DO=3.0 mg·L-1时，N2O释放量较高的一个重要原因.可见，与DO相比亚硝酸盐氮的积累对N2O产生的影响更大，在2种抑制同时存在时，亚硝酸盐的抑制作用占主导地位.同步硝化反硝化率协同亚氮积累率对N2O的产生有影响，在同步硝化反硝化率相当的情况下，亚硝酸型同步硝化反硝化系统比硝酸型同步硝化反硝化系统释放的N2O量更多.

因此，N2O的释放量与同步硝化反硝化中TN的去除情况以及亚氮的积累情况存在相关性.从脱氮效率、节能降耗和控制N2O产量3个角度考虑，试验过程中控制DO浓度在3.5 mg·L-1左右较为适宜，此时N2O转化率在2.03%左右，TN去除率达到最大的74.31%，反应器运行效果较好.

3　结 论

（1）DO浓度在2.0～4.5 mg·L-1范围内变化时，DO对NH+4-N和TN的去除影响比较大.当DO浓度＜4.0 mg·L-1时，NH+4-N去除率随DO浓度的升高而提高，最高达到96.52%，之后出现轻微下降，但仍保持在95%以上；TN的去除率随DO浓度的升高先升高后下降，当DO浓度为3.5 mg·L-1左右时，TN去除率达到74.32%，生物膜SND效果最佳.

（2）DO浓度对生物膜同步硝化反硝化脱氮过程中N2O的产量影响较大.DO浓度为3.0 mg·L-1时，系统N2O产量最大，转化率也最高，为3.40%左右.随着DO浓度的升高，系统中N2O的释放浓度逐渐降低，DO浓度=3.0 mg·L-1时N2O的产量是DO浓度=4.5 mg· L-1时的3倍左右.

（3）从SND脱氮效果、节能降耗和控制N2O产量3方面考虑，将进水DO浓度控制在3.5 mg·L-1左右比较合理，N2O转化率在2.03%左右，TN去除率为74.31%左右，反应器整体效果较好.

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【责任编辑：周 全】

Effects of DO on SND and the N2O production in biofilm reactor

RONG Hong-wei1，LI Quan-bin1，ZHANG Chao-sheng1，ZHAO Hui-wei2，WU Zhi-jian3，HUANG Xiao-peng3
（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Zhuhai Municipal Sewerage Company Limited，Zhuhai 519000，China；3.Guangzhou Sewage Purification Co.，Ltd，Guangzhou 510627，China）

Continuous flow biofilm reactor were used under different DO concentrations（2.0 mg·L-1、2.5 mg·L-1、3.0 mg·L-1、3.5 mg·L-1、4.0 mg·L-1、4.5 mg·L-1）to investigate the effect of nitrogen removal on simultaneous nitrification and denitrification（SND）and the nitrous oxide（N2O）emission.The results showed that，when DO were controlled in 3.5 mg·L-1，the NH+4-N removal rate was above 90%，TN removal rate was 70.98%and the effect of nitrogen removal on SND in biofilm reactor was optimal.When DO were controlled in 3.0 mg·L-1，the production of N2O in the system was maximum with the N2O conversion rate at 3.40%，the highest point.By taking the SND nitrogen removal，energy saving and the control of the production of N2O into consideration，DO should be controlled in 3.5 mg·L-1，a relatively reasonable DO concentration，which could not only achieve better effect of nitrogen removal，but also reduce the production of N2O.

simultaneous nitrification and denitrification（SND）；nitrous oxide（N2O）；DO

X 703.1

A

1671-4229（2016）03-0043-05

2016-01-05；

2016-03-03

国家自然科学基金资助项目（51278133，21477027）；广东省科技计划资助项目（2014A020216049）；广州市教育系统创新团队资助项目（13C01）

荣宏伟（1973-），男，教授，博士.E-mail：rhwcn@139.com