5影響城鎮污水廠N2 O排放量產生因素

大多數對于污水廠N2 O排放的監測需要理清處理過程中N2 O觸發與排放機制。但由于現實中實際污水廠具有較高的處理能力，對于水質水量波動的耐沖擊性強，同時其水質成分與水質參數變化極其復雜，而全或反硝化過程不徹底的產物8-8。因此可從碳源，溶解氧濃度，溫度以及磁場強度4個影響因素進行分析。

5.1碳源

碳源種類對于異養反硝化過程非常重要，碳源主要為甲醇、乙酸以及乙酸鈉。Park等研究表明，采用甲醇作為外部碳源，可以顯著降低污水處理中N2 O的排放比例，從原本總氮的4.5%下降到0.2%的低水平。然而，當進水中的化學需氧量與氮比率超過10，會刺激好氧反硝化細菌的增殖以甲醇作為外加碳源，從而提高N2 O的產率。Song等以乙酸鈉作為碳源的系統，發現其N2 O的生成速率低于使用甲醇的系統，但這種差異主要歸因于不同碳源對微生物群落結構的影響，使得在乙酸鈉系統內的菌群具有更高的N2 O轉化速率，即更傾向于將其轉化為無害的N2。碳源會通過影響酶的基因序列，使N2 O產量出現差異。

Zhang等分別以乙酸鈉和甘露醇作為碳源，對比亞硝化過程N2 O釋放量，發現以乙酸鈉為碳源時N2 O的轉化因子(N2 O總釋放量/TN去除量)高于甘露醇，發現甘露醇反應器，Nos酶數量明顯高。由此推測，甘露醇可以降低高濃度亞硝酸積累對Nos酶的抑制作用，進而減少N2 O產生。在反硝化過程中碳源缺乏會引起NO-2-N濃度的升高，進而引起N2 O產生量的增加。

5.2溶解氧濃度

N2 O的排放量在硝化和反硝化過程中都受到溶解氧濃度的顯著影響。在傳統的生物脫氮工藝中，環境從好氧狀態快速轉變為厭氧狀態時，會導致N2 O產量驟增。在高溶解氧水平下，N2 O主要通過羥胺氧化途徑形成，在溶解氧含量較低的情況下，N2 O的生成常常通過促進反硝化反應來實現。當溶解氧濃度上升時，將進行硝化反應，N2 O產生量減少。Wang等確認了異養反硝化是主要的N2 O排放途徑，但也指出當溶解氧超過1.0 mg/L時，會通過遏制亞硝酸鹽的還原速率，從而有效地控制N2 O的排放。在低溶解氧水平條件下，亞硝酸鹽氧化菌的代謝活性受限，為了防止體內亞硝酸鹽氮的過度積累，細胞會激活異構亞硝酸鹽還原酶，將其作為電子受體，從而促使N2 O的形成。Gong等研究發現，溶解氧對反硝化過程中N2 O的釋放影響顯著，當溶解氧濃度低于0.7 mg/L時，N2 O的生成量呈現出明顯的氧氣濃度依賴性，但隨著溶解氧濃度的增加，N2 O的產量也隨之上升。

5.3溫度

溫度變化對污水處理中的N2 O排放具有顯著影響，多數研究表明，這種排放量往往隨溫度升高而增加，且敞開式污水廠較封閉式污水廠水溫升高4.5℃，因此可通過璃鋼蓋板、反吊膜等輕質材料加蓋加罩實現處理系統保溫提效。王金鶴通過對山東三座應用MBR技術的污水處理設施進行全年的監測分析，發現在水溫上沒有明顯的N2 O排放關聯，不過冬季的排放量明顯超過其他季節，這說明低溫環境可能阻礙了硝化反硝化的進程，從而促進了N2 O氣體的生成和逸出。

同時，溫度的提高會擾亂硝化與反硝化的動態平衡，造成亞硝酸鹽水平上升。例如，當污水廠水溫從25℃升高約10℃時，N2 O還原反應得到促進，但由于隨著溫度升高，N2 O的溶解度急劇降低，從而使氣態和液態N2 O一起排出。另外，升溫也會打破硝化反硝化的平衡，造成NO-2的積累，會在硝化和反硝化反應中積累N2 O。Castro-Barros等研究發現，亞硝酸鹽在硝化體系內的積聚會加劇N2 O的排放。

委燕等研究表明，高濃度的亞硝酸鹽是反硝化過程中N2 O生成和蓄積的關鍵因素。由此可知，亞硝酸鹽的積累會刺激N2 O的釋放行為。

5.4磁場強度

研究表明，在低溫度條件下，磁場對生物活性污泥的生長有顯著的促進作用。對廢水生化性能的作用體現在顯著提高了廢水的生化性能，這是因為提高了化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)和總氮(total nitrogen，TN)的去除率，從而降低N2 O的釋放。其作用原理涉及磁場如何改變微生物細胞膜的特性、影響細胞內的磁力和電流傳導，進而調控微生物的生命過程。Wang等運用48.0 mT的靜態磁場，加速了污泥凝聚，增強了亞硝酸鹽氧化菌的活性及增殖。

Niu等的實驗指出，磁場能夠提升微生物的耐寒能力，在低溫條件下，20~40 mT的磁場對細菌不飽和脂肪酸有促進作用從而增強微生物活性。因此，利用外部磁場提高低溫條件下的微生物活性污泥比好氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR)和活性污泥氨氮化速率(ammonia nitriding rate of activated sludge，AOR)活性，以及增強氨氮化微生物(ammonia oxidi-zing bacteria，AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(nitrite oxi-dizing bacteria，NOB)的功能，對減少低溫下的N2 O排放具有潛力。此外，磁場還被證實能有效增強低溫下硝化和反硝化酶的活性，有利于總氮和氨氮的去除。

6工程研究案例應用

生化法處理城市污水N2 O排放在中國部分地區得到廣泛應用。西安的第四污水處理廠采用了先進的ANNMOX技術，通過高精度的群落分析和定量PCR技術，從遺傳層面確認了缺氧區NO2-N的主要去向源于短程反硝化過程。令人關注的是，亞硝酸鹽氧化菌的基因多樣性相較于氨氧化菌稍顯豐富，顯示該工藝在氮去除上的顯著效果。北京一家污水廠采用CANON工藝，針對城市生活污水進行了中試。初始階段，80%的污水被送入序列間歇式活性污泥法(sequencing batch reactor，SBR1)進行硝化步驟，隨后，經過硝化處理的水與原水混合后再輸入SBR2，實施DEAMOX工藝。初期階段，隨著底物濃度的提升，NO2-N的積累率呈上升趨勢;然而在后期階段，短程反硝化的動態受底物供應影響顯著。通過調整底物供應策略，能夠快速恢復這一過程的效能。實驗結果顯示，NO2-N的累積峰值達到85%，同時，對NH+4-N的去除率超過95%，最終出水的總氮含量達到了準四類水體排放標準，展現了該工藝的有效性和環保性。

7結論

中國對于處理污水廠N2 O起步較晚，且對于污水廠產生污泥利用率低于美國等發達國家;氨氮化古菌和氨氧化細菌通過硝化反應氧化生成N2 O，而反硝化過程中兼性厭氧菌將NO-2-N和NO-3-N還原成N2 O和N2。不同工藝在硝化和反硝化處理過程中排放N2 O存在較大差異，CANON工藝是目前生化法脫氮效率最高的工藝;碳源、溶解氧濃度、溫度、磁場強度均會影響污水廠N2 O產生，通過研究N2 O產生機理，典型工藝及影響因素3個方面為未來優化污水處理廠處理排放產生的N2 O提供參考。中國城鎮污水處理行業對于排放出的N2 O研究內容可以從以下方面加強。

(1)溫度影響N2 O的產生機理沒有準確定論，無法確定溫度改變是改變了酶活性還是硝化反硝化反應平衡;此外可通過物理方法:如混凝土澆筑封閉，水源加熱等方式降低N2 O排放強度，但需注意安全性。

(2)實驗室中碳源對N2 O排放產生的影響可能不適用于全面實踐工程，有待于在工程實踐中進一步研究;此外研究新型復合型碳源也是未來實驗技術需要突破的方向。

(3)CANON工藝對于去除N2 O有較好的效果，但需要防止反應中pH過低使NH2 OH和HNO2反應生成N2 O，也可通過門控神經單元(gated recurrentunit，GRU)、人工神經網絡(artificial neural network，ANN)等模型預測優化工藝，為污水處理廠實際生產中的N2 O排放減量提供理論支撐。

(4)目前，針對污水處理廠N2 O排放的研究多基于N2 O自身性質和生物脫氮過程，鮮少與其他因素協同考慮，城鎮污水廠N2 O減排可從優化工藝流程，精細化運營管理等多方面實行，此外副產物處理以及N2 O再利用亦可作為未來研究方向。