杨庆团队：城镇污水处理生物滤池工艺中一氧化二氮释放问题的研究新进展

近日，《净水技术》小编关注到，北京工业大学杨庆教授团队在城镇污水处理生物滤池工艺中N₂O释放问题的研究上取得了新的进展，成果以“Impact of gas-water ratios on N₂O emissions in biological aerated filters and analysis of N₂O emissions pathways”发表于Science of the Total Environment期刊（IF：6.551）。净水技术特邀请杨庆教授结合以往团队研究进行整理，分享城镇污水处理生物滤池工艺中N₂O释放问题研究成果，以期为今后N₂O的解决技术提供理论基础。

研究背景简介

一氧化二氮（N₂O）作为一种典型的温室气体，会引起全球变暖和臭氧层破坏。对全球N₂O释放进行核算发现，全球3.4%的N₂O来源于污水生物处理过程，因此有必要深入探究污水生物处理过程中N₂O的释放途径，优化工艺运行减缓温室效应。

如图1所示，在污水生物脱氮过程中，N₂O产生途径主要包括硝化细菌的反硝化作用和羟胺氧化作用，以及异养反硝化菌的不完全反硝化。在生物膜内部，氮素和溶解氧等反应基质分布不均匀，导致好氧菌和厌氧菌通常分布在生物膜的不同厚度上。因此，与活性污泥相比，生物膜中N₂O的释放机制更加复杂。目前，普遍采用模型预测生物膜系统中N2O的释放量，但是模型预测得到的结果可能会与实际系统测定的结果存在差异，因此通过试验探究生物膜系统中的N₂O释放情况、解析N₂O生成途径是十分必要的。

好氧生物滤池（BAF）是一种典型的生物膜工艺，其具有占地面积小、处理水量大以及抗冲击负荷能力强等优势。气水比是调控好氧生物滤池的基本运行参数之一。因此，本文探究了不同气水比下BAF中N₂O的释放量变化，并解析了N2O生成途径，为BAF工艺在城市污水处理中的优化运行提供理论参考。

主要研究内容

在实验室内构建了两个有效容积为18.4 L的BAF（图2），其中BAF1主要发生硝化反硝化反应，BAF2主要发生硝化厌氧氨氧化（Anammox）反应。两个系统串联处理实际生活污水，调控不同的气水比长期运行。每天监测两个系统的进出水水质，定期测定气态N2O和滤池沿程不同高度出水的溶解态N2O浓度变化。设置不同底物和不同溶解氧浓度条件下的间歇试验，采用稳定比同位素、NO和N2O微电极在线监测与实时荧光定量PCR技术，开展了以下三方面内容的探究：

（1） 揭示气水比对不同BAF中N2O释放量的影响；

（2） 解析两个不同BAF中N2O的生成途径；

（3） 比较不同BAF中N2O释放量的差异。

重点亮点简介

3.1 不同气水比条件下BAF的脱氮效果

控制BAF1的气水比分别为10:1、5:1和2.5:1，BAF2的气水比分别为5:1和1.5:1。图3表明对于BAF1，在气水比为10:1和5:1时，氨氮去除率（ARE）均达到53.0%，而在气水比为2.5:1时仅有19.4%。在气水比为5:1时，总无机氮去除率（TINRE）最高，达到35.7%。对于BAF2，两个气水比下ARE均达到90%以上，而在气水比为1.5:1时，TINRE较高，达到23.2%。

3.2 气水比对BAF中气态N2O释放量的影响

通过长期监测发现，BAF1和BAF2中气态N₂O释放量均随气水比的降低而下降。在BAF1中，气水比为10:1时，气态N2O浓度达到32.1~45.7 ppm，在气水比为10:1和5:1时ARE相近，气水比为5:1时TINRE较高，但是在气水比为10:1时，N₂O/ΔNH4+-N和N₂O/ΔTIN 却最高，说明气水比会影响系统的反应活性和N₂O释放途径。在BAF2中，气水比从5:1下降至1.5:1，N₂O/ΔNH4+-N从1.22%下降至0.35%，N₂O/ΔTIN从4.78%下降至1.16%，且几乎无反硝化作用发生，说明气水比影响硝化细菌的反硝化作用和羟胺氧化作用从而影响N₂O释放。

3.3 N2O释放途径分析

间歇试验结果如图5所示，在BAF1中羟胺氧化过程和好氧氨氧化过程会释放大量的N₂O，稳定比同位素结果也验证了这两条产生途径（表1）。间歇试验（d）和（e）均有N2O的释放，且间歇试验（e）测定的N₂O sp值为-0.604，说明异养反硝化作用也会生成N₂O。此外，间歇试验（d）和（e）中的N2O变化趋势显示，当N2O累积至一定浓度时会被还原，说明在BAF1中异养反硝化作用也能够还原N₂O。虽然在不同间歇试验中，反应的初始氮素浓度存在差异，但是通过计算间歇试验反应至120 min时的ΔN2O/ΔN发现（表2），间歇试验（b）的ΔN₂O/ΔN值高于间歇试验（d）、（e）和（g），说明硝化细菌的反硝化作用会比异养反硝化作用释放更多的N₂O。另外，通过比较间歇试验（b）和（f）中溶解态N₂O浓度的变化趋势发现，即使在好氧条件下异养反硝化作用也会产生N₂O。所以，BAF1中N₂O来源于硝化细菌的反硝化作用，羟胺氧化作用以及异养反硝化作用。

在BAF2中，间歇试验结果显示N₂O来源于硝化细菌的反硝化作用和羟胺氧化作用，在好氧条件下几乎不发生异养反硝化作用。对BAF2中生成的气态产物直接进行N2O稳定比同位素分析表明（表1），在气水比为5:1时，53.7%的N₂O来源于硝化细菌的反硝化作用，46.3%的N₂O来源于羟胺氧化作用，而当气水比下降至1.5:1时，羟胺氧化作用释放的N₂O的比例下降至12.2%，说明气水比会影响BAF2中N2O的生成途径。但是，气水比为1.5:1时N₂O的生成浓度仅为气水比为5:1时N₂O生成浓度的50%，说明在气水比下降时源于硝化细菌反硝化作用的N2O生成量也有所下降。

前期有报道发现，较高的好氧氨氧化速率会诱导较高的N₂O产生速率，此外，在BAF2中，提高曝气量会促进NH₄⁺-N向生物膜内部扩散，而生物膜内部的低DO环境亦会促进硝化细菌的反硝化作用产生N₂O。所以，在BAF2中高气水比下N2O释放量较高。对氮素转化功能基因进行定量发现（图6），在BAF2中气水比为1.5:1时，参与Anammox反应的功能基因hzsB的丰度明显上升，单位质量生物膜中基因拷贝数超过107，说明低气水比有利于提高Anammox反应活性，提高系统的自养脱氮能力，而厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌对NH4+-N的竞争也会削弱硝化细菌的反硝化作用，降低N2O排放。所以，通过强化BAF中的Anammox作用既可以提高脱氮效果，又可以实现N2O减排。

3.4 不同BAF中N2O释放的比较

在气水比均为5:1时，BAF1和BAF2中的氨氮去除量相近，但是BAF2中气态N₂O释放量更高，说明在BAF2中，高DO浓度导致好氧氨氧化速率更高，N₂O释放量更高，而在BAF1中，异养反硝化作用会还原N₂O，导致系统N₂O释放量下降。对于溶解态N₂O，在BAF1的整个滤层中都存在硝化反应，并伴随着N₂O的产生。BAF1的出水是BAF2的进水，在BAF2中反应主要发生在滤层下部40 cm范围内，生成大量的N₂O，所以BAF2下部的溶解态N₂O浓度高于BAF1。而在曝气吹脱作用下，在滤池上部的部分溶解态N₂O会转变为气态N₂O，最终导致BAF2出水中溶解态N₂O浓度低于BAF1。

结论

1、在硝化反硝化生物滤池和好氧自养脱氮生物滤池处理生活污水时，N₂O释放量均随气水比的升高而上升。

2、在BAF1中，N₂O产生于硝化细菌的反硝化作用、羟胺氧化作用和异养反硝化作用，气水比为5:1有利于系统脱氮和N₂O减排。

3、在BAF2中，N₂O产生于硝化细菌的反硝化作用和羟胺氧化作用，在气水比为1.5:1时，87.8%的N₂O来源于硝化细菌的反硝化作用。

4、硝化细菌的反硝化作用比异养反硝化作用更容易诱导N₂O的释放，导致在相同气水比下BAF2中N₂O释放量高于BAF1.