基于氮能源化的短程反硝化反应过程N2O高度富集机制研究

2023-01-05潘永宝

黑龙江科学 2022年12期

关键词：还原酶溶解氧硝化

潘永宝，姬涛

(1.陕西省现代建筑设计研究院，西安 710048； 2.西安中地环境科技有限公司，西安 710054)

短程硝化和反硝化反应是将传统的反应过程缩短，将硝化过程控制在中间产物过程，从而达到节能目的[1]，研究短程反硝化过程中N2O的高度富集机制具有重要意义。

1 短程反硝化反应

反硝化反应也叫做脱氮反应，是针对硝酸盐和氨氮化合物转化而开发的技术，该技术使用各种细菌将硝酸盐转化为氮气，达到脱氮目的，主要反应方程式如下：

硝酸盐还原为亚硝酸盐：

2NO3-+4H++4e-→2NO2-+2H2O

亚硝酸盐还原为一氧化氮：

2NO2-+4H++2e-→2NO+2H2O

一氧化氮还原为一氧化二氮：

2NO+2H++2e-→N2O+H2O

一氧化二氮还原为氮气：

N2O+2H++2e-→N2+H2O

短程反硝化反应是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，再进行反硝化，缩短反应路径，以达到节能目的，同时会有大量中间产物N2O生成。整个硝化和反硝化过程中，主要参与的细菌包括硝化菌、反硝化菌及亚硝化菌等，因此研究各类细菌的特性、筛选高效的硝化菌反硝化菌及亚硝化菌对控制短程反应过程具有重要意义。反应条件影响了短程反硝化效果。例如不同的细菌在进行反硝化时具有不同的临近温度，温度过高会导致亚硝酸盐生成，温度较低时，硝酸盐是主要产物。除此之外，pH值、溶解氧DO、泥龄、抑制剂及有机物浓度都会对短程反硝化反应效果产生影响。

2 短程反硝化反应器

2.1 气提式反应器

该反应器特点是废水在升流区底部随气流上升参与液体的内循环，与细菌接触，进行生物作用，再利用重力作用将污泥与液体分离。气提式反应器无需污泥回流和沉淀池，具有结构简单的优点[2]。

2.2 间歇式活性污泥反应器

间歇式活性污泥反应器的材质为有机玻璃，上部和下部分别为圆柱和圆锥体，该反应器以黏沙块作为微孔曝气器，工作时，污水从上部进入反应器，从反应器的侧面排水口排出[3]。SBR反应器在污泥驯化过程中可以实现对曝气时间的控制，处理、沉淀后可立即排水，此时硝化菌被除去，因此反应时没有硝酸根生成，可达到短程硝化的目的。反应环境中有大量好氧颗粒污泥，在其内部，反硝化菌的作用可以将亚硝酸根转换为氮气，从而实现短程同步硝化和反硝化。

2.3 升流式污泥床反应器

升流式污泥床反应器(USB)是在气提式反应器的基础上演变而来的，其在上部加入了三相分离器，对污泥悬浮的截留有很好的效果。同时，由于水流的上升具有一定的搅拌作用，使污泥在不同床层与细菌充分接触，达到了更好的反应效果[4]。

3 N2O的释放及富集机制

3.1 N2O的产生机理

在一般的反硝化过程中，N2O是其中间产物，反硝化过程是在不同功能的微生物作用下完成的[5]。其中，硝酸根还原为亚硝酸根需要硝酸盐还原酶的作用，亚硝酸根还原为一氧化氮需要亚硝酸盐还原酶的作用，而一氧化氮在其还原酶的作用下会还原为氧化亚氮，最终在氧化亚氮还原酶的作用下，还原为氮气。

由于氧化亚氮是反应的中间产物，因此其产生的途径有3种：一是氧化亚氮还原酶在游离亚硝酸或溶解氧的抑制作用下失去活性，使氧化亚氮富集。二是反应环境中电子数不足，使氧化亚氮还原酶的还原能力小于其他还原酶，导致氧化亚氮的富集。三是一些反硝化菌中缺少氧化亚氮还原酶的编码基因，从而使氧化亚氮富集。

3.2 N2O生成的影响因素

溶解氧(DO)。由于不同的反硝化细菌对溶解氧的敏感程度不同，因此其浓度对N2O的生成有很大的影响。当体系中溶解氧浓度较低时，亚硝酸盐会被反硝化生成终产物氧化亚氮[6]。同时，氧化亚氮对溶解氧浓度比较敏感，溶解氧的存在会使反硝化反应在缺氧阶段产生氧化亚氮的几率上升。

温度。污水生物法脱氮过程中，温度是重要的影响因素。温度主要是对化学反应的平衡有一定的影响。高温下硝化和亚硝化反应间的平衡被破坏，使反应向亚硝酸根被还原方向进行，从而使氧化亚氮得到富集。

碳源种类。研究表明，碳源的不同会对反硝化反应的最终产物造成影响，当采用乙酸或丙酸作为碳源时，氧化亚氮较易生成，而使用丁酸等作为碳源时，氧化亚氮产生较少[7]。在使用内碳源作为反应中的电子供体时，可能会发生电子供应不足的现象，而各种还原酶在竞争电子过程中具有不同的能力，因此会导致更多的氧化亚氮产生。

有毒有害物质。污水是成分极其复杂的混合物，其中可能会存在一定的有毒有害物质，如重金属、乙烯、各类盐及酸类等。这些有毒有害的物质会对氧化亚氮还原酶的还原性产生抑制作用，阻碍氧化亚氮还原为氮气，从而使其富集。

微生物种群。在短程反硝化过程中，微生物是不可或缺的，不同的微生物种群负责过程中不同的代谢途径，从而生产不同的代谢产物。目前，在污水处理领域开发了不同类型的生物脱氮菌种，通过对菌种中不同基因编码的筛选，可以实现对氧化亚氮产量的控制。

3.3 N2O的富集

氧化亚氮的生成是由于亚硝酸根还原酶作用的加强或氧化亚氮还原酶作用的减弱造成的。应选用合适的碳源，采用碳链较短的有机酸作为碳源，使氧化亚氮达到富集的目的。反硝化反应过程中的工艺参数，如温度、pH、溶解氧浓度等都会对氧化亚氮的生成有不同程度的影响。针对不同性质的污水，应选用不同的微生物种群，控制反硝化过程中的代谢途径和产物[8]。由于不同反应工艺对不同反硝化过程有不同的促进作用，应尽量选择可以及时将产物氧化亚氮排出的反应器，避免其在反应环境中继续被还原为氮气。