王书杰 吴彦宏

（东莞市碧江源环保科技有限公司，广东 东莞 523000）

同步硝化反硝化工艺和传统的生物脱氮工艺相比，可节约氧和碳源的消耗量，降低生产运行费用，具有很大的发展前途。但是，由于同步硝化反硝化工艺的运行条件苛刻，因此大大增加了N2O 释放的可能性。N2O 是最重要的三种温室气体之一，其致温室效应为CO2的300 倍[1]。因此，要使同步硝化反硝化脱氮工艺成为一种解决氮污染的清洁处理方法，脱氮过程中N2O 释放特征的研究就尤为重要。

在生物形成N2O 的过程中，微生物的硝化和反硝化作用被认为是最基本的机理。国外学者的试验室研究[2]表明，在硝化及反硝化过程中，N2O 的释放量很大程度上依赖于该环境的物理及化学条件，有利于降低N2O 排放量的条件包括DO 较高、SRT 较长和pH 值较高等。因此，研究不同碳源、碳氮比、碳源投加方式条件下N2O 的释放特性对其减量化具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试剂：葡萄糖（食品级）；淀粉、NH4Cl、NaHCO3、Na2CO3、K2HPO4、MgSO4·7H2O、FeSO4·7H2O、（NH4）2Mo2O7·4H2O、CaCl2·2H2O、CoCl2、H3BO3均购自广州化学试剂厂。

材料：试验采用自制气升环流式反应器，有效容积5.7L，内径0.14m，高0.45m，排水后剩余容积1.5L，排水有效容积为4.2L。

同步硝化反硝化反应过程中所需空气由空气泵经底部曝气头泵入反应器中。气路安装转子流量计以控制反应器中溶解氧。空气泵、进水计量泵、出水口电磁阀和加热棒均与程序控制器相连，由微电脑控制运行方式。反应器中插入加热棒维持体系恒温在25℃。SBR 反应器内部结构如图1 所示。

图1 试验装置

1.2 试验方法

接种污泥取自广州大坦沙污水处理厂二沉池，用人工配制废水进行驯化。每天循环运行四周期，每周期时间为360min，其中进水5min，曝气330min，静置沉淀20min，排水5min。由程序控制器实现精密控制。人工废水成分见表1。

表1 人工废水成分表

不同碳源试验采用葡萄糖、淀粉作为碳源，试验时碳源一次性投加，碳氮比固定为7。不同碳氮比试验投加碳源为葡萄糖，碳源一次性投加。不同碳源投加方式如下。

碳源（葡萄糖）一次性投加：SBR 反应器进水时投加碳源，使COD/N 为7；碳源（葡萄糖）二次投加：SBR 反应器进水时投加碳源，使COD/N 为7。然后在反应进行2h 后，根据反应器剩余总氮的量投加1g 葡萄糖，使反应器的COD/N 重新达到7；碳源（葡萄糖）连续性投加：SBR 反应器进水时投加碳源，使COD/N 为7。然后将配制的100mL 浓度10g/L 葡萄糖溶液在反应的2h～5h 均匀连续加入反应器。

1.3 分析方法

NH3-N 采用纳氏试剂光度法；TN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；pH 采用PHS-3C 精密pH 计测定；DO 采用YSI-550A 溶氧仪测定；COD 采用分光光度计测定。

气体采样与分析：自制顶部可密封SBR 反应器，预留可拆卸取气口。试验时密封反应器顶部，从启动曝气开始每30min 用100mL 玻璃注射器在采气口取样，气体通过反应器曝气产生的压力恒压进入注射器内，再用玻璃进样器取注射器内气样1ml，并注入色谱进样口进行分析。N2O 的分析采用气相色谱法，检测器为含63Ni 的电子捕获检测器（ECD），色谱柱采用Porapak Q。色谱柱、进样口和检测器工作温度分别为45℃、130℃及280℃，载气为高纯氮气，流速为30mL/min。

SND 效率（即同步硝化反硝化效率）计算方法如公式（1）所示。

N2O 释放总量计算方法如公式（2）所示。

式中：n为取样时间点；Navg为周期内N2O 释放速率；t为反应周期的曝气时间；Q为N2O 释放总量（mg）。

2 结果分析与讨论

2.1 不同碳氮比、碳源、碳源投加方式条件下SBR反应器的脱氮特性

有机碳源作为异养好氧菌和反硝化过程的电子受体，在污水生物脱氮处理中具有重要的作用，它是细菌代谢必需的物质和能量来源，是反硝化反应得以有效进行的必备条件。

周丹丹等人[3]利用SBR 反应器研究C/N 比对SND 的影响，结果显示：总氮去除率随着进水C/N 比的增加而增加。不同碳源、碳氮比和投加方式下脱氮效率如图2 所示。图2中，当COD/N 为3 时，硝化效率即氨氮去除率最高达78%，SND 效率为47%。当COD/N 为9 时，氨氮去除率为75%，SND 效率最高达84%。随着COD/N 比的增大，氨氮去除率没有明显的变化，总氮去除率和SND 效率增大。这与周丹丹等人的研究结果一致。

图2 不同碳源、碳氮比和投加方式下的脱氮效率

葡萄糖二次投加和连续投加的总氮去除率、SND 效率比较理想，分别约为65%、95%，总氮去除率高于葡萄糖一次投加15%，SND 效率高于葡萄糖一次投加18%至20%。

以葡萄糖为碳源时，氨氮、总氮去除率分别为71%、52%，低于以淀粉为碳源时的氨氮去除率86%、总氮去除率74%。以淀粉为碳源的总氮去除率比以葡萄糖为碳源的总氮去除率高约20%。

分析原因为葡萄糖是易生物降解的有机物，较易被微生物利用，这也使以葡萄糖为碳源时的反应器内丝状菌较多，与硝化菌竞争溶解氧，与反硝化菌竞争碳源。因此，以葡萄糖为碳源时，反应器的氨氮、总氮去除率、SND 效率均不高。以淀粉为碳源时则不存在上述情况。

2.2 不同碳氮比对N2O 释放的影响

为研究不同COD/N 比下N2O 释放规律，监测不同COD/N 比SBR 反应器脱氮效果，同时记录N2O 释放浓度的变化。

不同碳氮比下N2O 释放曲线如图3 所示。由图3 可知，当COD/N 为3 和5 时，N2O 的释放量先上升，在反应进行1.5h 达到峰值，分别为26μL/L 和89μL/L，然后开始下降。反应进行1.5h 时N2O 峰值的出现是由于当COD/N 为3 和5 时碳源不足，可供N2O 还原酶利用的电子不足，导致N2O 大量积累、释放。在3.0h 至周期结束，N2O 释放浓度均很低，COD/N 为3 和5 时，N2O 释放浓度分别在10μL/L 和20μL/L以下。

不同碳氮比下溶解氧变化曲线如图4 所示。根据图3、图4 可知，COD/N 为3 和5 时，反应器溶解氧在反应进行3h后开始明显上升（≥2.5mg/L），N2O 释放量明显下降。此时溶解氧能完全穿透颗粒污泥，进入污泥内部，与N2O 还原酶和NO3

图3 不同碳氮比下N2O 释放曲线

图4 不同碳氮比下溶解氧变化曲线

-还原酶竞争电子，N2O 释放量降低至峰值的38%以下。当COD/N 为7 和9 时，反应器溶解氧始终维持在较低浓度（≤1.5mg/L），不存在溶解氧穿透颗粒污泥的现象，且反应初期碳源充足，N2O 还原酶可利用的电子充足，N2O 的释放量在反应初期时很小。反应后期碳源不足，可供N2O 还原酶利用的电子不足，N2O 释放峰值出现在反应后期，即反应进行5.0h 后。

由以上分析可知，同步硝化反硝化过程中溶解氧浓度高于2.5mg/L 时，溶解氧能完全穿透颗粒污泥。N2O 释放峰值出现在溶解氧低于1.5mg/L 且碳源不充足时。

SBR 反应器在一个周期内的不同碳氮比时，N2O 释放量和N2O 占总氮去除百分比的变化见表2。COD/N 为3 时N2O的释放量最小，这是由于此碳氮比下碳源不足，反硝化反应效果差，导致硝态氮和总氮去除率均较低。

表2 不同碳氮比下m（N2O）、N2O/TN 的变化

COD/N 为5、7、9 时，随着COD/N 的提高，TN 去除率提高，N2O 的释放量降低。根据OTTE 等人[4]的研究，在反硝化过程中，各种还原酶对电子的竞争能力不同，其中N2O还原酶竞争电子的能力最弱。当环境中电子供体不足时，各还原酶间开始竞争电子，N2O 还原酶的活性受到抑制，引起N2O 的累积，进而导致反硝化过程中N2O 的逸出。而当外界电子供体充足时，N2O 还原酶的活性得到恢复，生成的N2O顺利转化成N2，避免了N2O 的逸出。在同步硝化反硝化过程中，COD/N 为5、7、9 时，COD/N 每提高2 个单位，N2O还原酶可利用电子增多，N2O 的释放量减少20%～40%。

在COD/N 为5 时，以N2O 形式去除氮占总氮去除量的百分比最高为8.4%。其后，在同步硝化反硝化过程中，COD/N 为5、7、9 时COD/N 每提高2 个单位，以N2O 形式去除氮占总氮去除量的百分比减少2%～3%。

2.3 不同的碳源投加方式对N2O 释放的影响

本节研究不同碳源投加方式对N2O 释放的影响。同步硝化反硝化过程中葡萄糖一次性加、葡萄糖二次投加和葡萄糖连续投加3种投加方式系统在一个反应周期内N2O释放曲线如图5 所示。

由图5 可知，一次性投加葡萄糖时，N2O 的释放有两个峰。在0.5h 时出现第一个峰，峰值为20μL/L；在5h 时出现第二个峰，峰值为50μL/L。在1.5h 至4.5h 间，N2O 的释放量逐渐增大。

图5 不同投加方式条件下N2O 的变化曲线

二次投加葡萄糖的N2O 的释放有两个峰。在1.0h 时出现第一个峰，峰值为47μL/L；第二个峰出现在2.5h，即二次投加葡萄糖的0.5h 后，峰值为69μL/L，说明在同步硝化反硝化过程中，二次投加碳源会使N2O 的释放量迅速上升。其原因可能是，在二次投加碳源后，反应器内碳源大幅增加即电子供体充足，而NO3-还原酶的催化反应速度高于N2O 还原酶的催化反应速度，造成N2O 大量积累、释放。

连续投加葡萄糖时，随着反应的进行，N2O 释放量逐渐增加。在反应开始的0.5h 内基本检测不到N2O；在0.5h 至2h 间，N2O 释放量上升至37μL/L，然后维持在35μL/L 左右；在5h 时出现一个较小的N2O 峰，峰值为49μL/L。

根据图2 可知，一次性投加的总氮去除率为51%，明显低于二次投加和连续投加的65%。二次投加和连续投机的总氮去除率相近。在不同碳源投加方式下，N2O 释放量和N2O占总氮去除百分比的变化见表3。表3 中，连续投加的N2O释放量和N2O 释放量占总氮去除量百分比均低于二次投机。葡萄糖连续投加的N2O 释放量占总氮去除量百分比仅为二次投加的75%。可见葡萄糖连续投加脱氮效果好，且有利于N2O 的减量化控制。

表3 不同碳源投加方式m（N2O）、N2O/TN 的变化

2.4 不同碳源对N2O 释放的影响

不同碳源下N2O 释放的变化规律如图6 所示。以葡萄糖为碳源时，N2O 的释放有两个峰。在0.5h 时出现第一个峰，峰值为20μL/L；在5h 时出现第二个峰，峰值为50μL/L；在1.5h～4.5h，N2O 的释放量逐渐增大。

图6 不同碳源条件下N2O 的释放曲线

以淀粉为碳源时，N2O 的释放只有一个峰，为4.5h 时的峰，且峰值为38μL/L。在反应开始的0.25h 时为22μL/L，然后降至1h 时的6μL/L，再逐渐上升至5.5h 的38μL/L。

不同碳源下，N2O 释放量和N2O 占总氮去除百分比的变化见表4。表4 中，以淀粉为碳源时总氮去除率比以淀粉为碳源时高20%，且以淀粉为碳源反应器的N2O 释放量比以葡萄糖为碳源的释放量低0.0028mol，N2O 释放量占总氮去除量的百分比也低.2.4%。可见以淀粉为碳源，其提高碳源利用率、降低N2O 释放量的效果优于葡萄糖。

表4 不同碳源下m（N2O）、N2O/TN 的变化

3 结论

该文通过研究外源有机碳对同步硝化反硝化过程中N2O 释放的影响，得出的结论如下：1）同步硝化反硝化过程中溶解氧浓度高于2.5mg/L 时，溶解氧能完全穿透颗粒污泥。N2O 释放峰值出现在溶解氧低于1.5mg/L 且碳源不充足时。2）COD/N 为5、7、9 时，随着COD/N 的提高，TN 去除率提高，N2O 还原酶可利用电子增多，N2O 的释放量降低，以N2O 形式去除氮占总氮去除量的百分比由8.4%降至2.5%。3）碳源连续投加、以淀粉作为碳源的运行方式脱氮率、N2O 的减量化效果优于间歇式投加和葡萄糖碳源。