污水生物脱氮革新工艺中强温室气体N_2O的产生及微观机理

N2O是一种强温室气体,而污水处理已被报道是导致N2O产生的潜在人为源之一,且主要发生在生物脱氮的硝化和反硝化过程.本文立足于当前的污水脱氮热点工艺,如短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷,介绍了这些新工艺的反应机理,描述了它们在非稳态运行过程N2O的释放特征以及溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)、NO 2-、自由氨(Free Ammonia,FA)、自由亚硝酸(Free Nitrous Acid,FNA)和进水COD/N等关键因子的影响作用,并进一步从微生物学和生物化学角度剖析了各工艺脱氮过程产生N2O的可能原因.在全球积极应对气候变暖趋势的大背景下,探明污水脱氮工艺N2O的释放本质,提出有效的减排控制方法,对于防止环境污染问题由水环境转移到大气环境具有重要意义.     

污水生物脱氮过程中N_2O的释放途径和影响因素

为了更好地理解和掌握污水处理过程中N 2O的释放规律,结合近年来已经发表的研究结果,就传统的污水生物脱氮过程(全程硝化反硝化过程)和新型污水生物脱氮过程(同步硝化反硝化、短程硝化反硝化和厌氧氨氧化)中N2O的释放途径以及影响因素进行了综述。通过综述发现,硝化和反硝化过程均有可能导致N2O的释放,且硝化过程更易产生N2O;与传统的脱氮过程相比,同步硝化反硝化等新型脱氮过程产生N2O的概率更大;影响N2O释放的因素主要有DO浓度、NO-2浓度、进水氨氮负荷、SRT和COD/N等运行工况和细菌种类及其活性。最后,展望了该领域的研究方向。     

污水处理厂N2O的释放特征和减排途径研究

温室气体N2O含量的增加对气候变化产生显著影响,针对污水处理行业N2O减排控制的发展趋势与需求,以典型污水生物处理工艺为对象,对N2O产生机理、释放特征和核算、影响因素进行了综述和分析.研究表明,污水处理厂N2O的释放主要来自生物脱氮过程的硝化阶段和反硝化阶段,不同污水处理厂的N2O释放因子和释放特征不同.DO、温度和C/N是影响N2O释放的主要因素,最后从污水处理厂工艺运行和水质调控角度提出了具有可操作性的N2O减排途径与方法.     

控制污水生物处理过程中N_2O的释放

文章通过对国内外污水生物脱氮过程中氧化亚氮(N2O)产生途径最新研究成果的总结,着重讨论了污水生物处理过程中N2O释放的控制措施。在硝化过程中,N2O由氨氧化菌(AOB)的中间产物羟胺(NH2OH)和硝酰基(NOH)的分解以及AOB还原亚硝酸盐的过程产生;反硝化过程中,N2O还原酶(N2OR)的活性受到抑制,使得N2O不能被及时被还原而导致N2O积累。基于上述N2O产生途径提出了控制N2O释放量的控制措施:控制曝气量避免好氧硝化过程中DO浓度过低和缺氧反硝化过程中存在DO;通过延长污泥龄、增大内回流比和分段进水等措施控制硝化和反硝化过程中的亚硝酸盐浓度:缩短初沉池停留时间或投加外碳源,并选取甲醇或乙醇等易降解有机物作为碳源。今后可通过深入研究N2O产生机理和优化污水处理厂N2O释放量的准确检测,充分认识污水处理厂中N2O的产生环节,进一步指导污水厂N2O的释放控制。     

硝化类型对污水脱氮过程中N2O产生量的影响

采用好氧-缺氧SBR系统,研究实际生活污水脱氮过程中N2O的产生与释放情况,重点考察硝化类型对脱氮过程中N2O产生量的影响.结果表明,实际生活污水脱氮过程中N2O主要产生于硝化阶段,而反硝化阶段有利于降低N2O产生量.硝化类型对脱氮过程中N2O产生量有显著影响.全程硝化和短程硝化过程中N2O-N产生量分别为1.87,0.90mg/L,短程硝化过程中N2O产生量远低于全程硝化过程中N2O产生量.在DO浓度不受限制的情况下,应用实时过程控制,实现短程硝化反硝化,可降低污水脱氮过程中N2O产生量.     

同步硝化反硝化过程中污染物的去除及温室气体的释放

采用缺氧-好氧SBR反应器,研究了同步硝化反硝化(SND)工艺污水生物脱氮过程中污染物去除效果和温室气体(N2O,CH4和CO2)的释放情况.结果表明,与顺序式硝化反硝化工艺(SQND)的总氮去除率63.78%相比,SND大大地提高了总氮的去除,去除率达90.39%.同时,SND过程刺激了温室气体的释放,其温室气体释放总量为SQND的4.5倍.SND反应器N2O每周期释放量为34.28 mg,且主要集中于曝气阶段.而SQND过程N2O释放量仅为6.89mg,为SND过程的1/5.SND过程和SQND过程,每周期CO2的释放量分别为493.52,320.28mg.两反应器中CH4的释放量都很低,接近于零.     

以甲醇为碳源生物反硝化过程释放一氧化二氮的试验研究

污水生物反硝化脱氮过程是一氧化二氮(N2O)的重要释放源之一.试验采用序批式反应器以甲醇为碳源(电子供体),硝酸盐(NO3--N)为电子受体驯化反硝化菌,并采用批处理试验研究不同电子受体、不同碳氮(C/N)比和不同初始亚硝酸盐(NO2--N)质量浓度条件下N2O释放情况.在典型周期试验和批处理试验中均能检测到N2O的释放.以NO2--N为电子受体时会释放较多的N2O,而以NO3--N为电子受体时释放的N2O相对较少.不同C/N比通过影响反硝化菌的活性进而影响N2O的释放,反硝化菌的活性和N2O的释放量均随着C/N比的降低而降低.N2O的释放量随着初始NO2--N质量浓度的增加而增加,一定浓度范围内的NO2--N会增强反硝化菌的活性.初始NO2--N质量浓度与N2O的释放量具有较好的指数相关性.     

以化学抑制法研究污水生物处理过程中N2O的释放源

采用化学抑制法,研究了不同曝气量下污水生物处理过程中N2O的释放源.结果表明,缺氧段中, N2O的主要释放源为硝酸盐异化成氨反应,而反硝化反应消耗N2O.好氧段中N2O释放源受曝气量的影响很大,当曝气量适中时(65L/h), N2O释放源主要为硝化细菌反硝化作用;而当曝气量偏高(105L/h)或偏低(25L/h)时,同步硝化-反硝化反应是主要的N2O释放源.同时硝化细菌反硝化反应也能够产生少量N2O.     

生活污水短程生物脱氮过程中N2O的产生与控制方法

 为降低和控制实际污水处理厂中N2O产生量,通过长期试验和间歇试验对SBR法实际生活污水全程及短程脱氮过程中N2O的主要产生源和影响因素进行了研究.结果表明:生活污水短程硝化反硝化过程中有N2O产生,并且N2O主要产生于短程硝化过程中,即氨氧化过程中,而反硝化作用没有N2O产生,且能够将氨氧化结束时,活性污泥中累积的溶解性N2O进一步还原为N2.短程硝化过程中,N2O产生量随进水氨氮浓度的升高而显著增加.DO浓度对N2O的产生与释放有重要的影响,DO浓度高于2mg/L和低于0.5mg/L N2O产生量均较低.DO低于0.5mg/L时,一方面,降低了曝气作用对N2O的吹脱,延长了N2O在活性污泥中的停留时间;另一方面,在活性污泥絮体内部形成缺氧区,促进了同步硝化反硝化,在硝化作用的同时,加强了反硝化作用对N2O的还原作用,利于N2O的减量控制.     

亚硝酸盐对外碳源反硝化过程N2O还原的影响

本试验通过批次试验考察了亚硝酸盐对外碳源反硝化过程N2O还原的影响.结果表明NO2--N初始浓度为5.92~35.23mg/L时,随着NO2--N浓度的增加,反硝化过程中N2O的积累量逐渐增加;当NO2--N浓度为35.23mg/L时,NO2--N还原量的46.26%被转化为N2O.通过对比试验得出,N2O还原酶与亚硝酸盐还原酶对电子的竞争和游离亚硝酸(FNA)对N2O还原酶的抑制会导致N2O比还原速率下降,造成反硝化过程N2O积累.基于上述试验结果提出,污水处理厂可通过调控运行条件控制NO2--N浓度,降低反硝化过程的N2O的产生与释放;也可以通过短程硝化提高NO2--N浓度,促进反硝化过程N2O的积累,再通过N2O氧化甲烷减少N2O排放,同时提高产能37%.     

不同SBR系统N2O排放及微生物群落比较

为了解污水脱氮中微生物群落对N2O排放的影响,在相同的工艺条件下,研究了制药厂(A)和啤酒厂(B)2种不同来源污泥在SBR系统中的N2O排放特性.结果发现:①A和B 2个系统总氮去除率在97.5%和98.6%的情况下,脱氮中N2O态氮所占比例分别为6.35%和2.84%,相差2倍以上.②A系统的N2 O排放时期主要集中在好氧硝化段,而B系统则主要集中在缺氧反硝化段.③在1个脱氮周期内,A系统只有1个N2O排放高峰,出现在好氧硝化段(第3小时);而B系统有2个N2O排放高峰,分别出现在好氧硝化段(第3小时)和缺氧反硝化段(第6小时).采用PCR-DGGE技术分析微生物群落特征发现,A系统和B系统的微生物群落有明显差异,表明污水脱氮中微生物群落是影响N2O排放的重要因素.通过优化微生物群落结构,可有效控制污水脱氮中N2O排放.     

Effect of phosphogypsum and dicyandiamide as additives on NH3, N2O and CH4 emissions during composting

A laboratory scale experiment of composting in a forced aeration system using pig manure with cornstalks was carried out to investigate the effects of both phosphogypsum and dicyandiamide (DCD, C2H4N4) as additives on gaseous emissions and compost quality. Besides a control, there were three amended treatments with different amounts of additives. The results indicated that the phosphogypsum addition at the rate of 10% of mixture dry weight decreased NH₃ and CH₄ emissions significantly during composting. The addition of DCD at the rate of 0.2% of mixture dry weight together with 10% of phosphogypsum further reduced the N₂O emission by affecting the nitrification process. Reducing the phosphogypsum addition to 5% in the presence of 0.2% DCD moderately increased the NH₃ emissions but not N₂O emission. The additives increased the ammonium content and electrical conductivity significantly in the final compost. No adverse effect on organic matter degradation or the germination index of the compost was found in the amended treatments. It was recommended that phosphogypsum and DCD could be used in composting for the purpose of reducing NH₃, CH₄ and N₂O emissions. Optimal conditions and dose of DCD additive during composting should be determined with different materials and composting systems in further study.     

中国燃煤N2O排放量监测和总量估算

对我国不同行业典型燃煤设备－电站锅炉,工业锅炉,工业窑炉和用民灶具燃煤烟气中Ｎ２Ｏ的排放量进行了实际监测,测定的Ｎ２Ｏ浓度为１．５－５７．４ｍｇ／ｍ＾３,通过对燃煤煤质分析和烟灰,炉渣中Ｃ含量测定,计算了不同炉具燃煤煤的氧化和烟气量,进而得到了各种炉具燃煤Ｎ２Ｏ的排放因子。     

城市生活垃圾与煤流化床混烧过程中氮氧化物排放研究

针对我国城市生活垃圾热值低等特性。在流化装置上进行了城市生活垃圾与煤混燃实验，研究了在混燃过程中城市生活垃圾与煤掺烧比例及床层温度变化对NO和N2O排放浓度的影响。实验结果显示，随掺烧垃圾量逐渐增加时，NO排放浓度降低。而N2O排放浓度先降低然后增加，当城市生活垃圾与煤掺烧比例恒定时，随床温的增加NO排放浓度增加，N2O排放浓度呈下降趋势，采用前向式神经网络，以掺烧比和床温作为输入参数，对NO的排放进行预测。结果显示精度较高。     

SRT对于污水脱氮过程中N2O产生的影响

试验采用经过长期驯化,控制污泥龄分别为9d和15d的活性污泥,以实际生活污水为研究对象,考察了不同污泥龄(SRT)对污水脱氮过程中N2O的产生量和转化率的影响.结果表明N2O主要产生于污水脱氮的硝化过程中,而反硝化过程的贡献较少.较短的污泥龄有利于脱氮过程中N2O的产生,9d污泥龄的活性污泥系统产生N2O量是15d污泥龄污泥系统的1.2倍,分别为4.62mg·L-1和3.8mg·L-1.不同污泥龄条件下产生N2O的转化率也有所差别,污泥龄较短的活性污泥系统产生N2O的转化率也较高,分别为11.2%和7.8%.系统经长期在较短的污泥龄下运行,并没有影响系统的脱氮效果,两种污泥龄条件下系统的脱氮率都在96%以上.为了减少污水脱氮过程中N20的产生量,应避免污水处理系统过短的污泥龄,造成污水脱氮过程N2O的产量和转化率的大幅升高.     

Contributions of biofilm and suspended sludge to nitrogen transformation and nitrous oxide emission in hybrid sequencing batch system

Hybrid system combines the nature of suspended growth and attached growth has been widely applied to wastewater treatment. In this research, the contributions to N transformation and N2O emission by biofilm and suspended sludge in the hybrid sequencingbatch reactor for a simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal process were investigated. For the hybrid system, nitrification occurred mostly in the suspended sludge, while the biofilm played the major role in denitrification. The interaction of the biofilm and the suspended sludge in the same reactor resulted in a better overall nitrogen removal performance with simultaneous nitrification and denitrification. However, N2O emission was the main end product of nitrogen removal for the hybrid system; while it was N2 for the biofilm. The relative low N2O emissions from the pure biofilm and the pure suspended sludge corresponded to the relatively high nitrate at the end of the aeration period compared with the hybrid system.