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.     

同步硝化反硝化处理氨氮废水过程中气态脱氮产物的研究

采用密闭的间歇式反应器对高质量浓度氨氮废水在同步硝化反硝化(SND)生物脱氮过程中产生的3种氮氧化物气体(NO,NO2和N2O)进行跟踪测试.结果表明,在由反应器排出的气体中,ρ(NO2)不高于实验室背景值,在脱氮产物中可忽略不计,而ρ(NO)和ρ(N2O)要高于背景值10倍以上.对于该脱氮系统,在低ρ(DO)和高pH的条件下产生的N2O相对较少.ρ(DO)为1.5～3.0 mg/L时,以NO和N2O形式脱除的氮分别占脱氮总量的0.58%和6.53%;ρ(DO) 为2.5～4.0 mg/L时,分别为0.48%和39.34%.此外,还分析了可实施的N2O控逸途径.      

不同污水处理工艺N_2O减排方法研究进展

污水处理过程中产生强温室气体N_2O的问题已经受到广泛关注,如何在保证处理效率的同时实现N_2O有效减排成为水处理领域面临的重要问题。综述了传统生物脱氮除磷工艺和同步硝化反硝化、反硝化除磷、厌氧氨氧化等新型污水处理工艺运行过程中N_2O的产生机理、减排方法和减排量,为相关领域的研究人员提供参考。     

厌氧条件下砂壤水稻土N2、N2O、NO、CO2和CH4排放特征

了解厌氧条件土壤反硝化气体(N2、N2O和NO)、CO2和CH4排放特征,是认识反硝化过程机制的基础,并有助于制定合理的温室气体减排措施.定量反硝化产物组成,可为氮转化过程模型研发制定正确的关键过程参数选取方法或参数化方案.本研究选取质地相同(砂壤土)的两个水稻土为研究对象,通过添加KNO3和葡萄糖的混合溶液,将培养土壤的初始NO-3和DOC含量分别调节到50 mg·kg-1和300 mg·kg-1,采用氦环境培养-气体及碳氮底物直接同步测定方法,研究完全厌氧条件下土壤N2、N2O、NO、CO2和CH4的排放特征,并获得反硝化气态产物中各组分的比率.结果表明,在整个培养过程中,两个供试土壤的N2、N2O和NO累积排放量分别为6~8、20和15~18 mg·kg-1,这些气体排放量测定结果可回收土壤NO-3变化量的95%~98%,反硝化气态产物以N2O和NO为主,其中3种组分的比率分别为15%~19%(N2)、47%~49%(N2O)和34%~36%(NO);但反硝化气体产物组成的逐日动态均显现为从以NO为主逐渐过渡到以N2O为主,最后才发展到以N2为主.以上结果说明,反硝化气体产物组成是随反硝化进程而变化的,在以气体产物组成比率作为关键参数计算各种反硝化气体产生率或排放率的模型中,很有必要重视这一点.     

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。     

氨氧化菌混培物在微量NO2气氛下的氨代谢特性

用普通活性污泥经120d富集,得到氨氧化菌混培物,氨氧化菌浓度提高300倍.在NO2/O2混合气氛下进行氨氧化试验,结果表明,无分子氧时,氨氧化菌能以NO2为电子受体氧化氨,并产生NO;加入氧气后,氨氧化速率明显提高,最高速率[33(mol NH4 -N/(g MLSS(h)]发生在混合气体中NO2和O2浓度分别为1.79(mol/L和9.38mmol/L时;在NO2浓度为0.89～1.79(mol/L范围内,O2能够强化基于NO2的氨氧化反应,当NO2浓度增大至6.71(mol/L时,氨氧化速率却降低.部分NO被O2氧化,使得反应器出口气体中NO2浓度高于进口.试验过程中产生约20%氮损失,这与氨氧化和厌氧氨氧化相互耦合产生气态含氮产物(N2、NO、N2O)有关.     

温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N2O释放的影响

污水生物脱氮工艺中通常会释放温室气体N₂O,厌氧氨氧化工艺作为新型生物脱氮工艺,其N₂O的释放规律及机制值得深入研究.本文利用厌氧氨氧化序批试验,研究了不同温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N₂O释放的影响,并探讨了N₂O释放的微生物机制.结果表明,厌氧氨氧化工艺中进水基质浓度的增加会促进N₂O释放,在35℃条件下,当进水亚硝氮从40 mg ·L^-1增加至60 mg ·L^-1和120 mg ·L^-1时,N₂O最高积累浓度从0.5 mg ·L^-1增加至1.5 mg ·L^-1和2.4 mg ·L^-1,分别占总氮去除量的0.85%、1.43%和1.11%.温度降低对厌氧氨氧化活性抑制作用明显,15℃下的比厌氧氨氧化活性仅为30℃时的6%.温度降低导致厌氧氨氧化工艺中N₂O的释放减少,温度降低时反硝化速率的降低是导致N₂O产生速率降低、N₂O积累减少的主要原因.厌氧氨氧化工艺微生物群落中存在丰富的异养反硝化菌,工艺中N₂O积累主要是反硝化菌产生和消耗N₂O的结果.     

生物膜全自养脱氮过程及强化机理研究进展

在限制溶氧的条件下,生物膜表层的好氧氨氧化菌将氨氧化为亚硝酸盐,并传递到生物膜内层缺氧区,厌氧氨氧化菌将氨和亚硝酸盐同步去除。根据生物膜内好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌协作共生开发出的全自养脱氮工艺在生物转盘、SBR及填料床等反应器内实现,大大节省了碳源和曝气量。微量NO2对好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程有明显强化作用,能显著提高基质降解速率、微生物生长速率和细胞密度。数学模型对废水处理工艺开发和运行具有重要意义,通过数学模型对微生物活性、分布以及脱氮过程的主要影响因素进行模拟研究,为全自养脱氮工艺的运行管理和优化控制打下基础。     

自然生态系统中厌氧氨氧化和反硝化耦合反应研究进展

厌氧氨氧化和反硝化反应是氮循环系统的两个关键环节,它们对平衡整个生态系统氮的收支、改善水体氮的污染、减少温室气体的排放均具有重要意义.在阐述厌氧氨氧化和反硝化生物反应及微生物学机理的基础上,着重综述了二者在水生和陆地两个生态系统中的耦合反应:①探讨了厌氧氨氧化和反硝化反应在不同环境背景下发生的介质及N₂的产生速率和贡献比率,发现水生生态系统中厌氧氨氧化对N₂产生的贡献率相对陆地生态系统占有较大比重.②分析了调控厌氧氨氧化和反硝化反应的细菌群落和功能基因,反应系统占主导的微生物种类随环境发生变化,其中厌氧氨氧化菌Candidatus brocadia作为主导细菌出现频率较高.③二者耦合过程中的影响因素包括环境因素与底物因素.其中,环境因素中厌氧氨氧化与反硝化耦合的最适pH为6.7~8.3,且溶解氧含量过高时也会对耦合反应产生抑制作用;在底物环境中,有机物含量或C/N过高会促进反硝化作用,但同时也会抑制厌氧氨氧化的发生.建议以后能够加大对于厌氧氨氧化和反硝化耦合反应全球尺度的研究,特别是对于陆地生态系统,还应加深对厌氧氨氧化反应速率与反硝化反应速率之间关系的理论与应用研究;同时,在实际应用中,需要在确定厌氧氨氧化菌和反硝化菌最佳生长基础上,建立耦合体系理论预测数学模型,量化两类功能性微生物的耦合效果.      

A~2/O工艺中污泥基团内生成N_2O的微生态特性

污水生物脱氮过程中会释放一种强温室气体——N2O,为了从微观层面查明N2O的产生来源,利用N2O微电极对城市污水处理厂A2/O工艺中污泥基团内部N2O的产生特性及微环境条件进行了研究,并辅助利用NH+4、NO-3、NO-2、DO及p H微电极探究氮素迁移转化特征。结果表明,N2O主要是在缺氧池和好氧池释放,在缺氧池最多,且缺氧前段多于后段;好氧池DO浓度越低,污泥基团内部N2O的生成浓度越高,意味着释放的N2O越多;在厌氧池最少,污泥基团内N2O产生浓度仅为25μmol/L。由此可推断缺氧池中进行的反硝化反应和好氧池中的氨氧化作用是A2/O工艺N2O产生的两大来源。     

微量NO2下完全自营养脱氮动力学及运行优化

采用间歇试验研究了微量NO2氛围下,好氧、厌氧氨氧化复合颗粒污泥动力学特性.结果表明,微量NO2能提高O2反应活性,强化好氧氨氧化过程.反应动力学可用Andrews方程描述,NO2半饱和系数和抑制系数分别为1.32,7.11μmol/L.NO2强化厌氧氨氧化过程动力学模型中最大强化系数为43.5,NO2半饱和系数和抑制系数分别为16.9,0.348μmol/L,基础速率系数为0.024.建立了NO2强化完全自营养脱氮动力学模型,并对EGSB反应器中脱氮过程进行了模拟,当DO为0.6mg/L,NO2为3.0μmol/L时,总氮去除率达最大值.根据模拟结果优化反应器运行条件,总氮去除率由26.86%~31.65%提高到58.83%~63.08%,总氮平均去除速率由0.113 kg/(m3·d)提高到0.234kg/(m3·d).     

碳底物含量对厌氧条件下水稻土N2、N2O、NO、CO2和CH4排放的影响

理解底物碳氮对厌氧条件下水稻土排放氮素气体——氮气(N2)、氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)以及二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的影响,有助于制定合理的温室气体减排措施,定量了解反硝化产物组成对碳底物水平的依赖性,也有助于氮转化过程模型研发中制定正确的关键过程参数选取方法或参数化方案.本研究采用粉砂壤质水稻土为研究对象,设置对照(CK)和加碳(C+)两个处理,前者的初始硝态氮和可溶性有机碳(DOC)含量分别为~50 mg·kg-1和~28 mg·kg-1,后者的分别为~50 mg·kg-1和~300 mg·kg-1.采用氦环境培养-气体及碳氮底物直接同步测定系统,研究了完全厌氧条件下碳底物水平对上述气体排放的影响.结果表明,CK处理无CH4排放,而C+处理可观测到CH4排放;C+处理的综合增温潜势显著高于CK处理(P<0.01);NO、N2O和N2排放量占这3种氮素气体排放总量的比重,在CK处理分别约为9%、35%和56%,在C+处理分别约为31%、50%和19%,处理间差异显著(P<0.01).由此表明,碳底物水平可显著改变所排放氮素气体的组成;对于旱地阶段硝态氮比较丰富的水稻土,避免在淹水前或淹水期间施用有机肥,有利于削减温室气体排放.     

好氧反硝化脱氮气态中间产物的研究分析

对好氧反硝化处理硝氮废水产生的中间气态产物进行了研究。结果发现系统的好氧反硝化会产生一定量的中间气态产物NO、N2O,但逸出量相对较少,在进水COD/N=10时,NO逸出0.43mg,占总脱氮量的0.17%,N2O逸出9.17mg,占总脱氮量的3.55%;进水COD/N=20时,NO逸出0.23mg,占总脱氮量的0.05%,N2O为0.78mg,占总脱氮量的0.17%。同时发现碳源是影响好氧反硝化进程的主要因素。     

UV/H2O2液相氧化净化烟气中NO的实验研究

采用UV/H₂O₂液相氧化技术净化气体中的NO,通过正交实验和单因素实验,研究了H₂O₂浓度、温度、初始pH值、NO浓度、光照条件、O₂含量和气体流量等因素对NO去除率的影响.结果表明,UV/H₂O₂液相氧化体系对NO有良好的净化效果,可以获得80%左右的NO去除率, 温度、H₂O₂浓度和初始pH值对NO去除率具有不同程度的影响,温度和H₂O₂浓度对NO去除率影响较大.单因素实验结果表明, 当H₂O₂浓度为0.2 mol/L、初始pH值为6～7时NO去除率较高;溶液中H₂O₂浓度过高或过低、溶液过酸或过碱均会抑制·OH的产生而不利于NO的去除;净化NO的最佳反应温度为40 ℃,低于一般湿法脱硝温度(50 ℃);NO的去除率随紫外光辐射强度和O₂含量的增加而升高;同时,NO的去除也受气液传质面积和气液传质系数的控制.     

几种生物脱氮新工艺的比较

目前已经发现了2种微生物脱氮新途径:一是根据好氧氨氧化菌具有反硝化能力,从而在一定条件下反硝化脱氮;二是在功能微生物的作用下,亚硝酸盐与氨离子一起厌氧氨氧化,并且发现了厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌能协同耦合在一种有利的微生态环境中.基于以上新途径提出了几种生物脱氮新工艺,包括了:SHARON、ANAMMOX、SHARON-ANAMMOX、CANON、OLAND、NOX工艺、需氧反氨化工艺(Aerobic deammonification)、甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺.     

菜地氨氧化微生物驱动的N2O和NO对有机无机肥配施的响应

氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）是驱动土壤氨氧化过程的"引擎".氨氧化过程在土壤氧化亚氮（N₂O）和一氧化氮（NO）排放过程中扮演着重要角色.有机无机肥配施是实现化肥零增长和作物稳产增产的重要途径，但在有机无机肥配施下，菜地土壤AOB和AOA对氨氧化过程的相对贡献仍不清楚.本研究采用选择性抑制的方法（辛炔和乙炔）区分有机肥添加近3年后（2016年10月—2019年5月）AOB和AOA在氨氧化过程中对碱性菜地土壤N₂O和NO产生的相对贡献.试验共设5种施肥处理：不施氮肥（CK）、单施尿素（N）、单施有机肥（M）、50%尿素+50%有机肥（M1N1）和80%尿素+20%有机肥（M1N4）.结果表明，有机无机肥配施（M1N1和M1N4）可显著增加土壤电导率、有机碳和全氮含量.培养试验发现，与N处理相比，M和M1N1处理分别使N₂O排放量增加100.7%和38.8%，NO排放量增加77.9%和42.8%，AOB基因丰度增加16.6%和10.2%，同时，AOB对N₂O排放的相对贡献增加6.5%.相反，M1N4处理分别使N₂O和NO排放量降低19.3%和4.8%，AOB基因丰度降低37.5%，同时，AOB对N₂O及NO排放的相对贡献分别降低7.8%和7.4%.相关分析表明，土壤N₂O和NO累积排放量与土壤AOB基因丰度呈显著正相关（p<0.05），与土壤AOA基因丰度无显著相关性.有机无机肥配施下AOB是氨氧化过程的主要驱动者，适当比例的有机无机肥配施（即M1N4）措施可在一定程度上减弱AOB对碱性菜地土壤N₂O及NO排放的相对贡献.     

城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算方法与案例研究

针对城镇污水处理厂的污染物与温室气体如何实现协同减排核算问题,该研究提出了城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体的核算边界、协同机制和核算方法,并通过实例进行验证分析,给出了如何核算污染物去除的协同控制效应和协同程度.结果表明:①污水处理厂污染物去除与温室气体排放之间存在关联机制,厌氧环境去除COD_Cr会产生CH₄,污泥厌氧消化过程也可产生大量CH₄,硝化和反硝化过程中去除TN会产生N₂O.②城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算可分为确定核算边界、选择核算方法、收集活动水平数据与确定排放因子、质量控制、形成核算报告等步骤.一方面构建了污染物去除量计算公式,去除量涵盖CH₄回收量、COD_Cr和TN去除量、污泥处理量;另一方面构建了温室气体排放量计算公式,排放量涵盖回收CH₄产生的温室气体减排量、去除COD_Cr产生的温室气体排放量、处理污泥产生的温室气体排放量、去除TN产生的温室气体排放量.③案例分析结果表明,该污水处理厂污染物去除并没有协同减排温室气体排放量,从温室气体排放强度来看,单位COD_Cr去除量、单位TN去除量和单位污泥处理量产生的温室气体排放量分别为0.051 3、2.435 6和0.546 0 t,单位TN去除量产生的温室气体量（2.435 6 t）最大,其次为污泥处理（0.546 0 t）;从温室气体排放总量来看,该污水处理厂使用电力间接排放的温室气体量（1 362.68 t）最大.研究提出的城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算方法可行,能够根据污水处理厂相关数据判定污水处理不同环节污染物去除和温室气体减排二者间的关系.针对核算过程中存在的数据不确定性问题、质量控制问题以及如何实现减污降碳协同增效等方面提出了相应的完善方法,如在质量控制中可通过制定核算方案、监测方案与计划,开展核算人员业务培训,进行数据核验,测量仪器校准和调整等提高核算质量.研究显示,在碳达峰碳中和的“双碳”目标约束下,城镇污水处理厂在进行污水处理时需要全面考虑各种因素,建立协同控制的治理体系,实现减污降碳协同增效的最大化.