摘要

本研究的目的是評估在兩種不同的進(jìn)水氨氮濃度下，活性污泥序批式反應器（ASSBR）和序批式生物膜反應器（SBBR）處理富含氨氮廢水時(shí)硝化過(guò)程中的氧化亞氮（N2O）排放。在穩定運行期間，兩個(gè)反應器的NH4+-N去除效率沒(méi)有顯著(zhù)差異。在硝化作用結束時(shí)，亞硝酸鹽的累積率均在85%以上。SBBR對總氮的去除率（81.7%±1.5%）高于A(yíng)SSBR（66.5%±5.7%）。根據典型循環(huán)，當進(jìn)水NH4+-N濃度為120 mg/L和240 mg/L時(shí)，SBBR硝化過(guò)程中的N2O排放量分別占TN去除量的2.3%±0.4%和6.5%±0.9%，為ASSBR（6.6%±0.6%，14.1%±1.6%）的1/3-1/2。此外，兩種反應器中的N2O產(chǎn)量均隨進(jìn)料氨濃度的增加而增加。這些結果有助于進(jìn)一步了解部分硝化系統中N2O的排放。

介紹

亞硝酸鹽法脫氮被認為是一種經(jīng)濟、可持續的生物脫氮工藝。通過(guò)限制氨氧化為亞硝酸鹽而非硝酸鹽，部分硝化系統的能量和碳節約得以實(shí)現（Wei等人，2014）。因此，它具有巨大的潛力，尤其是在含氨廢水處理方面，其中有機物是缺氧反硝化的限制基質(zhì)（Wei等人，2013）。

到目前為止，大多數影響因素包括溶解氧（DO）、固體保留時(shí)間、溫度、游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）都進(jìn)行了研究，以降低亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）的活性，而不影響氨氧化細菌（AOB）（郭等人，2010）。人們認為DO是實(shí)現和維持硝化作用的關(guān)鍵參數之一，因為AOB（0.3 mg/L）的氧親和力常數低于NOB（1.1 mg/L）（Ciudad等人，2005年）。

通過(guò)亞硝酸鹽工藝進(jìn)行同步硝化反硝化（SND）也是一種很有前途的工藝，因為它具有較高的營(yíng)養物去除效率和較低的能耗（Zeng等人，2004年）。序批式生物膜反應器（SBBR）可以在好氧條件下創(chuàng )造有利的缺氧微環(huán)境，并具有更好的同步硝化和反硝化性能（Rong等人，2008年）。

然而，懸浮活性污泥或生物膜反應器中的亞硝酸鹽積累通常被認為是導致氧化亞氮（N2O）產(chǎn)生的一個(gè)重要因素（Kong等人，2013年）。N2O是一種有效的溫室氣體，也是平流層臭氧的主要匯（IPCC，2007），AOB可通過(guò)兩種主要途徑產(chǎn)生：（1）通過(guò)一氧化氮（NO）將NO2作為末端電子受體還原為N2O，被稱(chēng)為AOB反硝化（Kim等人，2010年）和（2）在羥胺（NH2OH）不完全氧化為NO2期間作為副產(chǎn)物的N2O，這是氨氧化過(guò)程中涉及的關(guān)鍵步驟之一（Law等人，2012年）。在處理低C/N比廢水時(shí)，利用細胞內儲存化合物作為碳源，在反硝化過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生更多的N2O（Jia等人，2012年）。

近年來(lái)，許多研究集中于研究通常與硝化過(guò)程相關(guān)的N2O生成。已經(jīng)發(fā)現，通過(guò)亞硝酸鹽去除氮過(guò)程中產(chǎn)生的N2O是通過(guò)硝酸鹽去除氮過(guò)程中產(chǎn)生的N2O的1.5倍（Yang等人，2009年）。Zhang et al.（2009）比較了活性污泥系統硝化過(guò)程中的N2O排放量和脈沖進(jìn)料（每2h添加乙醇作為碳源）填充碳纖維SBBR中的SND，表明SND過(guò)程中N2O的產(chǎn)生量占活性污泥系統硝化過(guò)程中N2O產(chǎn)生量的1/3。然而，與脈沖進(jìn)料SBBR相比，在不添加外部碳源的情況下，SBBR的N2O生成和養分去除有很大不同。反應器內充足的碳源導致脈沖進(jìn)料SBBR中NO2-N的低積累（影響N2O生成的一個(gè)重要因素）。因此，脈沖進(jìn)料SBBR中的N2O產(chǎn)量相對較低。有必要探討活性污泥系統和SBBR在無(wú)外部碳源的硝化模式下運行時(shí)N2O排放的差異。但關(guān)于這方面的信息很少。

基于上述討論，本研究的目的是評估活性污泥序批式反應器（ASSBR）和SBBR的脫氮和N2O排放特性。預期所得結果將有助于進(jìn)一步了解部分硝化系統中N2O的排放。

材料和方法

反應堆設置和運行

使用兩個(gè)工作容積分別為5 L和13 L的SBR（ASSBR和SBBR）進(jìn)行本研究（圖1）。ASSBR和SBBR中的生物量來(lái)源于西安市長(cháng)安區污水處理廠(chǎng)。兩個(gè)反應器中混合液懸浮固體（MLSS）的初始濃度為3000 mg/L。ASSBR的TSS中VSS的百分比為80%±2%。SBBR是一種填充塑料纖維的固定床序批式反應器。填充率為12%。兩個(gè)反應器的體積交換率為36%，循環(huán)時(shí)間為12小時(shí)。通過(guò)反應器底部的細空氣擴散器引入恒定的通風(fēng)氣流，所有試驗的通風(fēng)速率均保持在20 L/h（ASSBR中DO濃度為0.10–0.25 mg/L，SBBR中DO濃度為1.50–2.00 mg/L）。采用時(shí)間控制器實(shí)現兩臺SBR的自動(dòng)運行。使用水浴中的恒溫加熱器將兩個(gè)SBR的溫度保持在30℃–2℃。通過(guò)排放剩余污泥，固體保留時(shí)間保持在15天。

兩個(gè)反應器在交替厭氧/好氧/缺氧條件下連續運行12小時(shí)。ASSBR和SBBR的每個(gè)循環(huán)包括進(jìn)料（10分鐘）、厭氧反應（50分鐘）、好氧和缺氧反應（好氧階段的長(cháng)度由DO和pH的變化確定：在DO和pH曲線(xiàn)上出現“氨谷”點(diǎn)后，再提供空氣0.5小時(shí)（圖2），然后缺氧反應階段開(kāi)始，沉淀（40分鐘）和傾析（10分鐘）。

圖1。實(shí)驗系統的示意圖說(shuō)明：（a）為ASSBR，（b）為SBBR。ASSBR，活性污泥序批式反應器；SBBR，序批式生物膜反應器。

在前置毒性系統中，缺氧階段置于好氧階段之前，含有亞硝酸鹽的混合液從好氧階段循環(huán)至缺氧階段，在這種過(guò)程中，總氮（TN）幾乎無(wú)法完全去除。相反，在中毒后過(guò)程中，缺氧階段置于好氧階段之后，不需要混合液再循環(huán)。在缺氧條件下，前一反應中儲存的內部碳源可用于反硝化。此外，此處采用的厭氧/好氧/缺氧工藝是一種新的氧化亞氮回收工藝，趙等人（2015）對此進(jìn)行了報道。本文研究了序批式活性污泥反應器和序批式生物膜反應器中兩種厭氧/好氧/缺氧過(guò)程的厭氧/好氧階段，以比較兩種反應器硝化過(guò)程中N2O排放的特征。

圖2。在兩個(gè)SBR循環(huán)中，低氨氮（120 mg/L）的氮化合物和控制參數的典型變化：（a1、b1、c1）是ASSBR中的COD、氮化合物、pH、DO和N2O；（a2、b2、c2）是SBBR中的COD、N-化合物、pH、DO和N2O。溶解氧；FA，游離氨。

運行3個(gè)多月后，在兩個(gè)反應器中成功實(shí)現了曝氣過(guò)程中的硝化。硝化過(guò)程中N2O的產(chǎn)生量被測量了三次以上。同時(shí)，還采集了液體樣品以測量水質(zhì)（NH4+-N、NO2-N、NO3-N和COD）。

SBBR循環(huán)結束時(shí)（厭氧/好氧/缺氧），NO2濃度（<5 mg/L）較低；因此，參與下一反應階段的NO2較少。然而，ASSBR在一個(gè)完整循環(huán)結束時(shí)的NO2濃度（>20 mg/L）顯著(zhù)高于SBBR。在典型循環(huán)（對比試驗）之前，使用蒸餾水沖洗循環(huán)結束時(shí)ASSBR中殘留的較高NO2，以避免殘留的高NO2對下一個(gè)循環(huán)的N2O生成的影響，以便在相似的初始條件下對兩個(gè)反應器進(jìn)行比較。

富銨廢水

合成富銨廢水的組成如下（mg/L）：COD（葡萄糖），500mg/L；NH4+-N（作為碳酸氫銨），120和240 mg/L；KH2PO4，330 mg/L；氯化鈣，16毫克/升；NaHCO3，1500 mg/L；硫酸鎂。7-水，50 mg/L，微量元素溶液1 mL/L（Lovley和Phillips，1988年）。

分析方法

NH4+-N、NO2-N、NO3-N、COD、VSS、TSS和MLSS根據中國國家環(huán)境保護局（SEPA）標準方法（中國SEPA，2002）進(jìn)行測量。TN基于NH4+-N、NO2-N、NO3-N的總和，而不是獨立的TN測試。通過(guò)探針收集pH值、DO濃度和溫度的在線(xiàn)數據。

根據Anthonisen等人（1976年）計算FA濃度。使用N2O微型傳感器（丹麥Unisense）測量溶解的N2O濃度。根據Zeng等人（2014）計算亞硝酸鹽累積率（NAR）。

N2O的產(chǎn)生和排放

N2O生成[rg；mg N/（L$s）；等式（1）]、累積[ra；mg N/（L$s）；等式（2）]和排放[re；mg N/（L$s）；等式（3）]率是使用基于在線(xiàn)N2O液體濃度測量的余額計算的（J.Gabarro等人，2014年）。

當N2O從水中擴散到空氣中時(shí)，N2O排放率可通過(guò)方程式（3）計算得出（Hu等人，2014）。

式中，KLaN2O是N2O從水到空氣的體積傳質(zhì)系數（s-1）；CN2O為液體中的N2O濃度（mg N/L）；CS為與空氣平衡的液體中的N2O飽和濃度（mg N/L；假設為0）；t是時(shí)間（秒）。方程式（3）改寫(xiě)為：

通過(guò)以下實(shí)驗測定KLaN2O：首先，使用蒸餾水將處于沉淀階段結束的反應器稀釋數次，以去除背景組分；然后，將適量的N2O氣體吸入反應器的液體中，并測量N2O濃度的降低。通過(guò)計算每秒N2O的減少量，得到了一定曝氣條件下的re；最后，通過(guò)re和CN2O的線(xiàn)性擬合得到KLaN2O。通過(guò)對反應時(shí)間內N2O生成速率的積分計算，得到了N2O的總生成量。