碳源对反硝化过程中一氧化二氮释放的影响

碳源种类及其浓度影响污水处理反硝化过程中一氧化二氮(N2O)的释放。以往关于碳源对反硝化过程中N2O释放特性的研究多采用单一碳源驯化活性污泥,采用混合碳源条件驯化的研究尚少。利用序批式反应器,以蔗糖和乙酸钠为混合碳源驯化反硝化菌。采用批处理试验研究了不同碳源(乙酸钠、葡萄糖和两者混合)在不同碳氮比(COD/N)条件下,利用硝酸盐氮(NO3--N)或亚硝酸盐氮(NO2--N)进行反硝化时N2O的释放。以NO2--N为电子受体进行反硝化时,N2O释放量远大于以NO3--N为电子受体进行反硝化时的释放量。碳源种类影响N2O释放,其释放比从低到高依次为乙酸钠、混合碳源和葡萄糖。以乙酸钠为碳源且当COD/N较低时,由于NO2--N积累和内源反硝化,导致较多N2O的释放,而在碳源相对充足情况下释放量较少。以葡萄糖为碳源时,由于反硝化速率较低,N2O释放量大于利用乙酸钠时的释放量,同时释放量随COD/N比的增加而增加。在混合碳源条件下,反硝化菌优先利用乙酸钠进行反硝化,N2O释放量随COD/N比的增加而降低。     

碳源对反硝化过程NO2-积累及出水pH值的影响

采用序批式反应器(SBR),考察了以甲醇、乙醇、乙酸钠为碳源的电子供体对反硝化过程中亚硝酸盐积累及出水pH值的影响.结果表明,碳源充足时,亚硝酸盐积累量与碳源类型及污泥负荷有关.进水NO3--N为20mg/L,即低负荷条件下,各碳源系统仅有少量亚硝酸盐积累,比反硝化速率及出水pH值对应碳源依次为乙酸钠>乙醇>甲醇;高负荷条件下,除甲醇系统因反硝化不完全仅有微量亚硝酸盐积累外,乙醇和乙酸钠系统均有大量亚硝酸盐积累,且积累量与出水pH值明显高于低负荷.对以乙酸钠为碳源的研究还发现,不同电子受体投配比的反硝化均出现不同程度的亚硝酸盐积累且反应速率随着NO3--N比例提高而降低,说明亚硝酸盐的还原受到硝酸盐的抑制.pH值监测显示,除了与碳源类型及污泥负荷有关,反硝化过程pH值增量还随COD/N比升高.因此,反硝化过程宜采用乙酸钠与其他碳源混合且适量投加以消除单一碳源造成出水pH值过高或反应速率慢的不利影响.     

低温SBR反硝化过程亚硝态氮积累试验研究

采用SBR法处理经缺氧/厌氧UASB预处理的渗滤液,在SBR反硝化过程观察到明显的亚硝态氮积累现象.在此基础上,为深入了解反硝化过程亚硝态氮积累的机制,考察低温条件下5种类型碳源(甲醇、乙醇、乙酸钠、丙酸钠和葡萄糖)对SBR反硝化过程亚硝态氮积累的影响.结果表明,在温度为13.9℃情况下,甲醇、乙醇、乙酸钠、丙酸钠为反硝化碳源时,系统内均发生明显的亚硝态氮积累.此外,4种不同初始NO_3~--N浓度(64.9、 54.8、 49.3、 29.5 mg/L)还原过程中, NO_2~--N最大积累浓度分别为37.8、 21.5、 25.2、 18.8 mg/L,积累速率(N/VSS·t)分别为 0.117、 0.136、 0.235、 0.068 g/(g·d),并且ORP曲线先后出现"nitrate knee"和"nitrite knee"2个拐点,可分别指示NO_3~--N、NO_2~--N还原反应结束.     

温度和氨氮浓度对水体N2O释放的影响

氧化亚氮的释放已经成为了一个全球性的环境问题,水体中N₂O的释放量会随着氮含量的增加而增加.本文通过微宇宙系统的构建,分析氮的转化过程和氮转化基因的变化,并结合结构方程模型分析了温度、氨氮含量对水体N₂O释放的贡献.研究结果发现氨氧化古菌和反硝化细菌丰度均与N₂O释放呈正相关,表明水体中的硝化和反硝化作用都会造成N₂O的释放.氨氮浓度的升高并不直接促进N₂O的释放,而温度和通过硝化作用产生的硝态氮对N₂O的释放有促进作用.此外,硝化速率通过促进亚硝态氮和反硝化菌的丰度而间接地促进N₂O的释放.     

SBR工艺污水生物脱氮过程中N2O的释放特征

N₂O是一种可以导致严重全球变暖的主要温室气体,污水的生物除氮处理过程被认为是N₂O释放的重要来源。探究了缺氧-好氧（A/O）模式下SBR系统中N₂O的释放特征和主要来源。结果表明:N₂O的释放主要发生在SBR系统的好氧阶段,其最大释放速率达到2.02 μg/（min·g）,累积释放量为8.2 mg,好氧运行120 min时,测得NO₂--N的累积浓度达到了最高值7.5 mg/L,NO₂--N的积累和N₂O的释放呈正相关性。细菌群落分析发现,A/O-SBR系统好氧阶段的一些优势菌被鉴定为黄杆菌（Flavobacteria）,它们中的部分种群具有好氧反硝化的作用,然而NO₂--N累积会抑制该类细菌的亚硝酸还原酶（Nos）活性,进而使N₂O进一步还原为N₂的途径受阻而释放N₂O。因此,在污水生物处理过程中,应减少或避免NO₂--N的积累。     

不同电子受体驯化聚糖菌反硝化过程及N2O释放特性

利用序批式（sequencing batch reactor,SBR）生物反应器,采用厌氧-好氧运行方式,以乙酸钠为碳源,在控制进水P/COD<2/100条件下,成功实现了聚糖菌（glycogen accumulating organisms,GAOs）富集。缺氧初始阶段ρ（NO_x--N）为30.0 mg/L,经厌氧-缺氧驯化后,反硝化聚糖菌（denitrifuing GAOs,DGAOs）可利用聚-β-羟基脂肪酸酯（poly-β-hydroxyalkanoate,PHA）为内碳源进行反硝化,且分解利用的PHA中80%以上为聚-β-羟基丁酸酯（poly-β-hydroxybutyrate,PHB）。高浓度NO₂-抑制DGAOs活性,厌氧PHA合成降低,且缺氧段PHA分解产生的能量较多地用于储存糖原（glycogen,Gly）。NO₃-和NO₂-还原过程中,PHA降解速率分别为19.28,10.02 mg/（g·h）,内源反硝化速率分别为3.32,2.29 mg/（g·h）,TN去除率达95%以上。随NO₂-/NO_x-增加,N₂O平均产率由29.1%增至59.0%。高浓度NO₂-对氧化亚氮还原酶（Nos）活性抑制作用以及Nos和亚硝态氮还原酶（Nir）之间的电子竞争过程,是导致NO₂-内源反硝化过程中N₂O大量释放的主要原因。     

污水生物脱氮反硝化过程N_2O的释放影响研究

针对污水反硝化处理过程中N_2O释放不明确的问题,在序批式反应器中探究了不同电子受体及初始碳源浓度对N_2O的释放影响并探究相应机理。结果表明以乙醇为电子供体时,NO_3~--N作为电子受体能够减少N_2O的释放,N_2O的最大释放量仅为0.061 mg/L,是NO_2~--N为电子受体的0.1倍。N_2O为电子受体能够抑制N_2O的还原酶活性。当乙醇的初始浓度由50 mg/L增加至150 mg/L时,反应过程中未出现NO_2~--N的积累,但反硝化过程得到强化,NO_3~--N的浓度由40 mg/L下降至15 mg/L,N_2O的释放量由0.61 mg/L下降至0.32 mg/L。机理研究表明乙醇浓度提高减少N_2O释放的主要原因在于强化反硝化过程。     

不同碳源条件下污水生物脱氮过程中N_2O的释放规律

以3类常用的碳源(乙酸钠、葡萄糖和甲醇)为研究对象,在3个稳定运行的SBR系统内考察了碳源种类对污水生物脱氮过程中N_2O释放的影响。结果显示,各系统内N_2O的释放主要发生在好氧硝化阶段,且在以乙酸钠为碳源的系统内氨氧化速率最快,TN去除率最大,但同时N_2O的释放速率、累积释放量(4.44 mg)和转化率(1.3%)也最大。而以甲醇为碳源的小试系统脱氮效果较差,TN去除率仅为59.5%,但N_2O的释放速率、累积释放量和转化率均最低。在实际污水处理过程中,当以温室气体N_2O释放作为判断标准时,此研究结果可为碳源的选择提供依据。     

不同碳源对活性污泥反硝化能力的影响研究

针对城镇污水处理中碳源不足影响系统脱氮能力的问题,分别以乙酸钠、葡萄糖作为外源性碳源,考察其对活性污泥反硝化脱氮能力的影响。研究结果表明:在碳源投加量分别为50,100,200 mg/L条件下,单位(g)NO-3-N去除增量所需乙酸钠/葡萄糖的投加量分别为8.24 g/49.02g、9.62g/22.57g、—/21.07g。乙酸钠可用作城镇污水脱氮除磷过程中的高效外源性碳源,但从污水处理运行经济性来看,需根据系统实际需去除NO-3-N的量,合理确定碳源投加量。     

污水处理过程N2O排放：过程机制与控制策略

污水处理生物脱氮过程中氧化亚氮(N₂O)作为直接碳排放源,其大气升温效应较CO₂高出265倍.因此,国际上对N₂O排放机制与控制策略的研究层出不穷.N₂O产生源于硝化与反硝化过程,主要涉及亚硝化(AOB)及其同步反硝化、常规异养反硝化(HDN)、同步异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)和全程氨氧化(COMAMMOX)等生物途径,以及硝化过程中间产物NH₂OH与NOH之非生物化学途径.常规硝化与反硝化(AOB+HDN)途径在正常运行工况下N₂O排放量并不是很大,约只占进水TN负荷的1.3%;即使是HN-AD与COMAMMOX代谢过程,两者N₂O产生量也不足TN负荷的0.5%.不可忽视的是AOB亚硝化及其同步反硝化,它们已被确认为是污水处理生物脱氮过程中N₂O排放的首要途径;AOB过程中间产物(NH₂OH与NOH)非生物化学过程以及AOB反硝化生物过程(主途径)共同导致的N₂...     

废水生物脱氮过程中N2O排放数学模型研究进展

氧化亚氮(N₂O)的温室效应比CO₂强265倍,可从废水生物脱氮过程中产生并直接排放,如果不对其加以控制,会显著增加污水处理厂的碳足迹。N₂O排放的数学建模对于深入解析N₂O产生机制、量化N₂O排放、优化生物脱氮工艺和制定N₂O减排策略具有重要意义。结合当前国内外研究现状,阐述了废水生物脱氮过程中N₂O产生机制;归纳了基于不同机制建立的N₂O数学模型,包括氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)经过羟胺氧化途径和AOB反硝化途径产生N₂O模型、异养反硝化途径产生N₂O模型以及耦合AOB和异养反硝化细菌产生N₂O模型;总结了新型生物脱氮系统N₂O模型,实际工程应用情况及校准N₂O数学模型中存在的问题;并对今后N₂O数学模型的研究方向进行了展望。     

城市污水A~2/O处理系统好氧池N_2O和NO的释放特征及影响因素

以某污水处理厂好氧曝气池为研究对象,利用N_2O和NO在线检测仪,监测好氧池不同空间位置处N_2O和NO的释放量,考察了氮素浓度、溶解氧及p H值对N_2O和NO释放量的影响.该污水处理厂好氧池DO浓度在0.24~1.12mg/L之间,且大多处于0.6mg/L左右,较低的DO导致NO2--N浓度沿水流推流方向不断积累;相应的,N_2O和NO释放量沿水流推流方向不断升高,并于好氧池末段达到最高值.NO释放NO2--N量与浓度显著正相关,N_2O释放量与NO2--N浓度也有一定的相关性,但没有NO显著.基于空间检测数据估算获得该污水处理厂N_2O释放量占进水NH_4+-N比例为6.34%~8.83%,NO释放量占进水NH4+-N比例为0.033%~0.034%.     

污水处理系统中N2O的生产利用及数据驱动模拟研究进展

氧化亚氮(N₂O)是一种温室气体,同时也是具有能源回收潜力的强氧化性物质。综述了促进N₂O产生的新兴污水脱氮过程及提高N₂O产生的方法,比较了不同方法的运行条件及N₂O转化率,并指出了各种方法的不足之处。从识别N₂O产生的关键影响因素和预测N₂O产量2个方面综述了污水处理过程中N₂O数据驱动模型的研究进展。目前N₂O的增产方法主要包括耦合好氧-缺氧氮分解过程、单反应器生产过程及基因工程菌和半导体修饰菌增产过程。收集污水处理厂中的大数据可以建立N₂O数据驱动模型,但是现有的数据驱动模型仅仅关注N₂O减排。开发N₂O的新型增产过程,优化控制增产过程的功能菌种,建立N₂O数据驱动模型与N₂O增产方法之间的关联性是未来N₂O生产利用技术的发展方向。     

FNA旁侧污泥预处理SBR-PN过程启动及N2O释放特性

在序批式生物反应器（SBR）基础上增设游离亚硝酸（FNA）污泥预处理单元,成功启动了SBR短程硝化（SBR-PN）过程。FNA对NOB的活性抑制远大于其对AOB的抑制,FNA=0.48 mg/L,两者活性差异最大。SBR运行稳定（阶段Ⅰ）后,利用0.48 mg/L的FNA对活性污泥进行24 h缺氧处理,经60 d驯化（阶段Ⅱ）,SBR内NH₄+-N去除率和亚硝态氮积累率（NAR）均达到95%以上,总氮（TN）去除率由（22.8±3.6）%增至（35.5±3.7）%。分段进水（阶段Ⅲ）方式提高了原水有机物利用率,TN去除率达到（64.0±2.5）%,最大NO₂-积累和N₂O产量分别由（16.4±1.6） mg/L和（0.85±0.09） mg/L降至（11.4±1.2） mg/L和（0.28±0.04） mg/L,N₂O产率由（7.40±0.99）%降至（1.33±0.26）%。基于FNA缺氧抑菌选择性差异,采用分段进水方式运行SBR,防止了高浓度NO₂-和NH₄+共存,可实现稳定生活污水短程硝化过程并降低N₂O释放。经FNA处理,活性污泥蛋白质（PN）和多糖（PS）释放增加,PN/PS由阶段Ⅰ的1.42增至阶段Ⅱ、Ⅲ的1.77和1.74,SVI由阶段Ⅰ的（113±12） mL/gVSS分别增至阶段Ⅱ、Ⅲ的（129±15）,（122±13） mL/gVSS。     

进水碳氮比对脱氮污泥羟胺氧化酶活性及N_2O产生的影响

在以A/O方式运行的SBR工艺中,研究了3种不同进水碳氮比下硝化与反硝化过程中污泥羟胺氧化酶(HAO)活性变化、N2O的产生/释放规律及两者之间的关联性.结果表明,当C/N=3.5与C/N=9.5时,HAO平均酶活性分别为(283.77±19.64),(348.87±17.94)U/g MLSS,而C/N=6.5条件下的平均酶活性仅为(246.45±23.30)U/g MLSS,总体上3个条件下缺氧阶段HAO活性均较好氧阶段高;反应过程中HAO的活性变化趋势基本与气态N_2O释放速率、溶解态N_2O及亚硝氮的浓度变化趋势成正相关,在C/N=9.5下好氧段HAO活性与后三者呈现完全一致的变化规律.N_2O主要产生于好氧阶段进行的硝化过程,尤其是羟胺氧化是N_2O产生的主要环节;碳源相对不充分的条件下(如C/N=3.5),缺氧段N_2O的释放与HAO活性关系密切;碳源相对较充分的条件下,缺氧段N_2O的产生与HAO酶活性无明显关联.推测可能是因为缺乏电子受体NO_2~-而导致HAO酶未参与反应;在N_2O产生较多的条件下,HAO活性相对也较高.     

2000-2020年污水系统N2O相关研究文献计量学分析

污水系统是温室气体氧化亚氮(N₂O)的重要排放源,近年来相关的研究工作层出不穷。利用文献计量学方法,系统地分析了2000-2020年污水系统N₂O的研究进展。分析发现,污水系统N₂O相关论文发表数量逐年增多,且主要来源于中国。早期以N₂O的产生过程、污水处理系统与影响因素等研究为主。而近期研究更多关注了污水系统中污泥在堆肥过程中产生与排放的N₂O、生物炭在N₂O减排上的应用及相关微生物种群的分析。后续研究可进一步关注回收N₂O作为能量物质的相关工艺,并尝试将实际污水处理系统大数据与模型工具进行结合,从而对实际污水处理系统的运行及优化提供参考。     

规模化人工湿地的温室气体释放通量

基于规模化人工湿地工程——武河湿地的野外原位监测试验,采用静态箱-气相色谱法研究了人工湿地中温室气体(N₂O、CH₄和CO₂)释放特征与规律. 结果表明,武河湿地工程的N₂O和CH₄平均释放通量分别为14.35和35.54 mg/(m2·d),表现为N₂O、CH₄的释放源,但其释放通量低于城市污水处理厂;湿地(主要包括水体和土壤生物呼吸)的CO₂平均释放通量为2 889.4 mg/(m2·d). 人工湿地沿程N₂O、CH₄和CO₂释放特征有所不同,平均释放通量呈先升后降规律,在布水渠处N₂O释放通量最大,为51.92 mg/(m2·d);而6#溢流堰处CH₄释放通量最大,为182.03 mg/(m2·d). 人工湿地中温室气体释放亦具有明显的季节变化规律,表现为春夏季高于秋冬季.      

氨氧化过程中稻壳生物炭抑制酸性农田土壤N2O排放

为探明在土壤环境有利于氨氧化作用发生的条件下,稻壳生物炭对酸性农田土壤N₂O排放的影响,将生物炭分别按质量比0%（对照）、2%、5%和10%与土壤充分混匀,开展为期17d的室内静态土壤培养实验,研究土壤N₂O排放速率的日变化以及整个培养期间的N₂O累积排放量.同时,测定了培养终态土壤样品的pH值、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N和溶解性有机碳（DOC）含量,分析稻壳生物炭对土壤N₂O排放影响的机理.结果表明,不同稻壳生物炭添加量均显著抑制了酸性农田土壤的N₂O排放（P<0.001）,且以5%和10%处理的抑制作用最明显;与对照处理相比,2%、5%和10%处理的N₂O累积排放量分别减少了87.68%、94.59%和96.90%.培养前后土壤pH值、NH₄⁺-N和NO₃^--N含量的变化表明,稻壳生物炭显著促进了土壤的硝化作用,尤其是5%和10%处理.线性回归分析表明,土壤N₂O排放速率与NO₂^--N含量显著正相关（P<0.01）,且NO₂^--N含量对N₂O排放速率的解释程度为45%.由于稻壳生物炭促进了土壤的硝化作用,使NO₂^-更易转化为NO₃^-,减少了NO₂^-积累,进而减少了通过硝化菌反硝化作用途径产生的N₂O.培养结束时,5%和10%处理的DOC含量显著高于对照处理,但培养过程中,稻壳生物炭并未显著促进土壤有机碳矿化.     

渤海湾典型闸控入海河流水体N2O释放研究

为探究弱水动力条件下, 典型滨海地区水体N₂O释放通量及其主控因素, 于2019年7月和8月(夏季)和11月(冬季初期)对以大清河-独流减河-北大港湿地为代表的渤海湾弱水动力条件河流开展水样采集与分析工作.结果表明: N₂O浓度变化范围为0.4~184.5nmol/L, N₂O饱和度的变化范围为7.2%~2740%, 其中近90%的样品处于过饱和状态, 表明该研究区是潜在的N₂O释放源.N₂O水-气界面释放通量为-0.3~6.7μmol/(m²·h), 夏季水体N₂O的释放通量高于冬季.降雨前后N₂O浓度出现明显波动, 相同点位降雨前后N₂O浓度的变化值为-15.2~63.9nmol/L, 独流减河上游农业区N₂O浓度的平均增加量(22.1nmol/L)显著高于下游(1.3nmol/L), 降雨驱动了流域氮素的运移, 促进了水体N₂O释放.相关性分析表明, 水体N₂O的浓度受反应物浓度、水体盐度共同调控.通过计算得到该滨海地区弱水动力条件下河流N₂O的排放因子为0.0073, 表明气候变化委员会(IPCC)默认值0.0026可能低估了该地区间接N₂O释放.