pH值对短程反硝化及N2O释放特性影响

2019-10-10廖正伟贺酰淑吕永涛2王旭东2

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年4期

廖正伟，贺酰淑，陈宣，吕永涛2,，王旭东2,

(1.陕西省水务集团水务科技有限公司，陕西西安 710000；2.陕西省膜分离技术研究院，陕西西安 710055;3.西安建筑科技大学环境与市政工程学院、陕西省膜分离重点实验室，陕西西安 710055)

pH值是生物脱氮过程的重要环境因子，不仅影响反硝化速率与效率，还影响N2O释放，但pH值影响短程反硝化过程N2O释放的机理尚不清楚.本研究采用人工合成废水，在小试SBR系统中成功实现了高浓度亚硝酸盐的短程反硝化，在此基础上，研究了不同初始pH值对短程反硝化效率、速率及N2O释放特性的影响，探讨了N2O释放与微生物活性间的关系，旨在为短程反硝化脱氮的高效运行及N2O的减量释放提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行方案

试验采用高径比为25:3的小试SBR反应器，有效容积为4 L；采用变频搅拌器进行搅拌，转速控制为200 rpm.该反应器每天运行3个周期，单周期时长为8 h，其中进水、搅拌、沉淀和排水的时间分别为9、420、50和1 min，排水比设定为50%.通过PLC自动控制器控制SBR反应器的连续运行.

1.2 接种污泥与试验用水

试验所用种泥取自西安市某A2/O污水厂回流污泥，反应器中污泥浓度约为4 200 mg/L，SVI为98 mL/g，污泥沉降性能良好.

实验用水人工配制，其成分为NaNO2，CH3COONa及MgSO40.1 g/L，KH2PO40.1 g/L，无水CaCl20.3 g/L，NaHCO31 g/L，实验阶段始终控制进水COD/N为2:1.另外，每升进水中加入1 mL微量元素Ⅰ及1 mL微量元素Ⅱ.其中微量元素Ⅰ溶液成分为：CuSO4·5H2O 0.02 g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.05 g/L，ZnSO4·7H2O 0.1 g/L，CoCl2·6H2O 0.002 g/L，MnCl2·4H2O 0.100 g/L；微量元素Ⅱ溶液成分为：FeSO4·7H2O 0.05 mol/L，EDTA 0.026 mol/L.

1.3 批式试验方案

采用批试试验研究pH值对SBR短程反硝化及N2O释放特性的影响，试验装置为3个相同的圆柱形反应器，内径6 cm，高50 cm，有效容积1.0 L；试验在室温25～27 ℃进行.

1.4 分析方法

1.4.1 水质分析

游离亚硝酸(free nitrous acid, FNA)质量浓度通过下式进行计算.

(1)

1.4.2 N2O分析方法及计算

气态N2O样品的采集、测定及其释放浓度、释放速率与释放量计算参考Ju等.[10]的方法，所有气态样品均测定3次计算平均值.

溶解态N2O的测定参考Kimochi等[11]提出的顶空法并进行了适当改进，计算见式(2).

cN2O,dis=(1+β/22.4)ωN2O,disMN2O
P/(R·T)

(2)

其中，cN2O,dis是单位体积水样中溶解的浓度；ωN2O,dis是在上部空间的浓度；β是广口瓶上部空间体积与水样体积的比值.

2 实验结果

2.1 SBR短程反硝化的启动与运行

图1 SBR反应器启动与稳定运行期间进出水水质变化特性Fig.1 The influent and effluent nitrogen compounds in SBR during the start-up and stabilization stage

图2 小试SBR单周期短程反硝化过程氮素与环境因子变化情况Fig.2 Thevariation of the nitrogen compounds and parameters during shortcut denitrification in a single cycle

2.2 pH值对短程反硝化及N2O释放特性影响

当pH值分别7.1、8.2和9.3时，整个反应过程的平均反硝化速率分别为0.087 9、0.094 1和0.107 2 mg/(min·gSS)；平均反硝化效率分别为98.70、96.52和99.10 %.以上试验结果显示，初始pH值维持在7.1 ～ 9.3时，平均反硝化速率和反硝化脱氮效率受pH值影响不大.

图3 不同初始pH条件下单周期SBR系统pH变化情况Fig.3 pH change of single-cycle SBR system under different initial pH conditions

以上试验结果显示，在以亚硝酸盐为电子受体的短程反硝化SBR系统中维持适当的碱性条件，可在系统维持较高反硝化脱氮效率的前提下有效控制N2O的释放.

3 讨论

研究表明，在反硝化过程中，N2O的释放主要有以下原因[12]：(1)受外界因素的影响，氧化亚氮还原酶(nitrous oxide reductase, Nos)受到抑制或失活，N2O无法被还原为N2，造成N2O的累积；(2)Nos竞争电子能力较弱，当电子供体不足时，Nos无法竞争到电子，从而使得N2O无法被还原；(3)存在一类反硝化菌，其还原产物为N2O.

当pH分别为7.1、8.2及9.3时，根据公式计算可得，单周期N2O释放量依次为0.564、0.200和0.070 mg，N2O-N转化率分别为0.66、0.27和0.074%，pH值为7.1时的释放量分别是8.2为9.3时的2.82和8.04倍，表明适当提高pH值可大幅降低N2O的释放.同时，在本试验研究的pH范围内，N2O主要释放在反应初始20 min，分别占各自总释放量的86.54、68.58和37.42%(见表1).该结果与Bo等[13]研究结果一致，可能是由于低pH值下形成的FNA对Nos的抑制作用造成的.Zhou等[14]揭示了FNA对N2O还原的抑制浓度为0.000 7 ～ 0.001 mg/L.经计算，当pH分别为7.1、8.2及9.3时，系统中FNA的质量浓度变化范围分别为0.054 9 ～ 0.026 5×10-4、0.003 9 ～ 0.081 2×10-4和0.000 4 ～ 0.010 5×10-4mg/L，可见pH为9.3时已经超出了FNA的抑制浓度范围.

图4 不同初始pH条件下单周期SBR系统氮素转化及N2O释放浓度变化情况Fig.4 The concentration curves of and N2O at different pH values

此外，N2O的释放主要发生在反应初期，其释放量受其产生速率和还原速率两方面因素共同影响.从试验结果看，反应初期，pH值为7.1时的短程反硝化速率低于pH为8.2时，意味着前者N2O的产生速率低于后者，然而释放量却高于后者.由此可见，短程反硝化速率虽然也是影响N2O产生与释放的因素，但FNA是更重要的因素.