污水处理中温室气体的排放与控制

2011-06-06郭莉娜王伯铎

地下水 2011年6期

郭莉娜，王伯铎，郭蓉，贺亮

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127;2.陕西省子长县水政水资源管理办公室，陕西延安 717300;3.核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000)

0 引言

污水处理的目的是去除排放后可能危害水环境的污染物，传统上的污水处理比较重视那些消耗水体溶解氧的污染物的去除。当今建立的许多污水处理系统仍以去除有机物质为目的，在处理过程中含碳有机物转化为CO2和CH4，含氮有机物质转化为NH4+、NOX、N2O。目前污水处理工程的研究和设计很少考虑温室气体的排放，这些气体不可避免地排放到大气中去，使污水处理工程成为一个连续的温室气体发生器［1］。

全球气候变暖这一不争的事实说明温室气体的减排已刻不容缓，必须加强污水处理技术在温室气体减排方向的改进，提高污水处理领域以温室气体减排为目标的新技术的研究与开发。本文阐述了污水处理过程中产生温室气体(主要针对CO2、CH4、N2O)的过程，计算总结了污水处理厂典型处理工艺中温室气体的理论排放量，并根据目前研究状况提出适用于污水处理领域温室气体减排的控制技术。

1 污水处理过程温室气体产生过程

1.1 污水处理中有机碳的转化

目前，污水中有机碳的去除普遍采用好氧或厌氧生物工艺，以实现生活污水中碳素由液相(污水)向气相(空气)的流动过程。

1.1.1 好氧处理过程

好氧处理过程中，污水中的有机碳被微生物通过分解代谢、合成代谢和物质矿物化，在把有机物氧化分解成CO2和H2O等，以满足自身生长和繁殖过程对物质和能量的需要。应该指出，在新细胞合成与微生物增长过程中，除氧化一部分有机物外，还有一部分细胞物质也被氧化分解以供应能量，即进行内源呼吸，内源呼吸也排放 H2O、CO2、NH3等气体。微生物代谢有机物的过程及其生成产物如图1所示。由图可知，无论是分解代谢还是合成代谢，都能去除污水中的有机碳，但产物有所不同:分解代谢的产物是H2O和CO2，直接排入环境，而合成代谢的产物则是新生的微生物细胞，一般以污泥的形式排出污水处理系统，需对其进行妥善处理，否则可能造成二次污染，因为污泥的处理过程，如脱水-填埋.生物堆肥、厌氧消化、干化焚烧等同样会排放温室气体［3］。

图1 好氧微生物代谢有机物及其生成产物［2］

1.2.2 厌氧处理过程

有机物的厌氧分解过程可划分为两个阶段:酸性发酵阶段和碱性发酵阶段，分别由两类微生物群体完成。有机物厌氧发酵过程及其生成产物如图2所示。

图2 有机物厌氧发酵过程及其生成产物［4］

厌氧发酵具有两个主要特点:①有机物一旦转化为气态产物后，污液中构成BOD和COD的化学物质(主要是有机碳)即转变为CH4和CO2，仅积蓄少量的微生物细胞;②由于有机物最终的转化产物中含有大量的CH4，一方面它是一种温室气体，应尽量避免排入大气环境;另一方面它是一种高热值气体，可采取措施回收利用。

1.2 污水处理中脱氮过程

污水生物脱氮的基本原理是在硝化菌及反硝化菌的作用下，将污水中的含氮化合物转化为气态氮化物的过程，其中包括硝化作用和反硝化作用两个反应过程。N2O通常被认为是不完全硝化作用或不完全反硝化作用的产物，如图3～4所示［5］。

图3 硝化过程中N2O的生成

图4 反硝化过程中N2O的生成

2 污水处理中温室气体的排放情况

2.1 污水处理中CO2和CH4释放情况

研究表明:通过好氧(曝气)作用，污水中大部分有机物被氧化为CO2，每去除1g BOD5约产生1.375 g CO2;厌氧消化所产生的CH4和 CO2的体积比大致为(1.44～1.8)∶1，为计算方便取1.5∶1，质量比为6∶11;污水的发酵产氢中，除产生H2和CO2外，还会产生大量挥发性脂肪酸(VFA)，这些VFA最终仍然会以CO2或 CH4的形式被去除。表1［6］的数据为生活污水处理碳素流中的温室气体理论产生量，且由于转化为生物细胞的碳源仅占总碳源很少一部分，故将有机碳源转化为生物细胞的部分忽略不计。

2.2 污水处理中N2O释放情况

全球污水处理过程N2O释放量为0.3～3.0 Tg/a(1Tg=1×1 012 kg)，占全球 N2O总释放量的2.5% ～25%，是 N2O的一个重要产生源。刘秀红等［7］总结了英国某污水处理厂1993年各反应池中N2O的释放情况。该水厂N2O年释放通量为4.7×10-6g/L，其中一级处理系统和二级处理系统分别为1.6×10-6g/L和3.1×10-6g/L;根据该地区人口当量数亦可估算出，以人口为基准的N2O年释放通量为3.2 g/人。

近年来，许多新型生物脱氮工艺:同步硝化一反硝化，短程硝化一反硝化及厌氧氨氧化等工艺的研究与开发，虽然在脱氮效率，运行费用上较传统工艺占优势，但在N2O产生方面却不容乐观。王赛［8］等对不同脱氮工艺N2O产生情况进行了分析，见表2。

表1 生活污水处理碳素流中的温室气体理论产生量 g

表2 不同脱氮工艺N2O产生情况

由表2可知，在不降低脱氮效率的前提下，新型生物脱氮工艺可能会导致N2O产量的增加。因此，研究及实际应用过程中应避免一味追求高脱氮效率，在关注新技术、新工艺脱氮效率的同时，也应该关注其排放产物对大气环境的影响。

3 污水处理中温室气体减排的控制

3.1 好氧处理过程中温室气体的控制

从理论上讲，污水中的有机碳素物质均能被强氧化剂氧化成CO2的形式排入空气中，因此，好氧处理中温室气体减排实质就是减少或固定污水处理中CO2。

CO2的固定方法主要有物理法、化学法和生物法［9］。大多数物理法和化学法能量消耗较大，而且物理法固定的CO2最终都需结合生物法将其转化为有机碳;生物法固定CO2主要是依靠植物和微生物，在污水处理中植物生长一般受到限制;微生物固定CO2的研究目前主要集中在光能自养型微生物(微藻类和光合细菌)和化能自养型微生物(氢-氧化细菌)对CO2固定与转化［10］，但通常具有较高固碳能力的光合细菌和氢-氧化细菌由于需要光照或严格厌氧和供氢，限制了其在反应器或水中的应用。

李艳丽等［11］通过生物技术手段从海水及其沉积物中选育到在普通好氧条件下具有固碳能力的非光合微生物菌群，并通过电子供体和无机碳源结构的优化，显著提高了其对无机碳的同化能力，好氧条件下固碳菌液的最高碳同化效率可达110 mgCO2/L·d;同时，通过分子生物学手段研究发现在不同培养条件下，菌群的群落结构发生很大改变。经过测序、序列比对及构建系统发育树后发现，在已测序的16个显著条带中，11个是不可培养微生物，即其只能以共生方式存在，混合培养时，固定CO2的效果可能是多种菌共同作用的结果。

所以，利用非光合微生物菌群控制好氧处理中的CO2减排这可通过如下途径来实现:

a.通过生物技术分离或长期驯化得到在普通好氧条件下具有固碳能力的非光合微生物菌群，通过电子供体和碳源结构的优化，提高其在污水处理中的固碳效率。

b.研究与优化固碳微生物菌群的结构和配比，提升固碳效率。

3.2 厌氧处理过程中温室气体的控制

厌氧过程其实质是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某些中间产物，同时释放能量并产生不同的代谢产物。所以，在污水达标排放的前提下，厌氧处理中的温室气体减排这可通过如下途径来实现:

a.将厌氧反应所产生的CO2引入固碳系统，通过微生物的作用固定CO2。

b.强化乙酸的产生而减少CH4的产生。

通过产氢产酸微生物对污水进行厌氧发酵，可将其中的有机成分尽可能转化成乙酸，在达到污染控制目标的同时，为二阶段发酵法生产高附加值的生化产品提供给足够的可溶性碳源。

c.强化H2的产生而减少CH4的产生。

目前国内外在厌氧产氢污泥驯化、不同基质的产氢潜能、厌氧发酵产氢的影响因素和厌氧发酵产氢数学模式等方面的研究已取得了一定进展［12］，但尚有许多理论和技术难题需要解决。应加大在该方向的研究力度，尽早实现厌氧发醉产氢工业化应用。

d.强化厌氧过程中CH4的产生，发展沼气工程。

一般污水厂厌氧消化气中CH4的含量约为60%～65%，燃烧热值约为21～23MJ/m3，是优良的燃料。污水厂可利用沼气烧锅炉，为污泥消化池加热或者为污水厂生活提供炊事、采暖、洗浴的热源;沼气发电机发电［13］和沼气燃料电池发电［14］以其低排放，低污染，节约能源，废物资源再利用等优点而倍受各国政府的关注，开发沼气发电成为CH4减排的一项重要措施。

3.3 污水脱氮过程中N2O的控制

目前对不同污水处理工艺过程中N2O的释放情况缺乏系统的研究资料，很难优选出一种N2O释放量低的工艺;且污水种类多样、成分复杂，为降低N2O释放量而对污水的水质进行调控存在着较大的难度。因此，N2O的减排及控制问题主要从以下两方面进行:

a.运行工况的优化。根据污水处理中N2O产生与释放的主要影响因素分析［15］，得出控制N2O减量的策略:保证污水处理中硝化系统有较高的DO(＞0.5 mg/L)，反硝化系统尽量避免溶解氧的存在;保证高C/N(＞3.5)、较大的 SRT(＞10 d)和适当的pH值(6.8～8);尽量避免系统中NO2—N等物质的积累，减轻某些化学物质(如H2S、甲醛、乙烯、重金属离子等)对硝化及反硝化菌酶系统的毒性作用等。

b.微生物种群的优化与调控。污水生物脱氮过程中微生物种群及关键酶活性影响和决定了N2O的产生［16］。可应用分子生物学手段确定出污水生物脱氮体系中硝化菌及反硝化菌的主要种群及关键酶的活性，然后通过投加或固定N2O释放量低的基因工程菌的方式进一步优化污水处理系统中的微生物种群结构，从而控制N2O的产生和排放。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)污水处理中温室气体的主要产生环节有:好氧处理中有机碳氧化分解为CO2;厌氧处理中有机物酸性发酵产生少量CO2，碱性发酵最终转化产物中含有大量CH4;脱氮处理中不完全硝化作用或不完全反硝化作用产生N2O。

(2)分析好氧和厌氧处理污水时CO2和CH4的理论排放量，并对不同脱氮工艺中N2O产生情况进行了分析总结，经修正后可估计和预测污水处理厂温室气体的实际排放量。

(3)基于目前的研究情况，适用于污水处理中的温室气体减排及控制技术可以总结为:好氧处理——非光合固碳微生物技术;厌氧处理——强化中间产物(乙酸或 H2)的产生或发展沼气工程;脱氮过程——工优化艺运行工况和调控微生物种群等。

4.2 讨论

污水处理过程并不是以单纯的有机碳去除或脱氮为目的，还存在着脱磷或脱硫等综合去除过程;在工艺上，好氧、厌氧及脱氮往往是同时存在的，以温室气体减排为对象的各类污染物质的去除之间常常存在着矛盾;且污水处理中温室气体的收集也存在一定困难。因此，如何综合衡量污水处理中的温室气体的减排与利用还有待进一步的研究。

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