NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响

吕永涛, 党文娟, 周亦桥, 廖正伟, 贺酰淑, 王磊. NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193
引用本文: 吕永涛, 党文娟, 周亦桥, 廖正伟, 贺酰淑, 王磊. NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193
LYU Yongtao, DANG Wenjuan, ZHOU Yiqiao, LIAO Zhengwei, HE Xianshu, WANG Lei. Effects of nitrite and salinity on efficiency of denitrification phosphorus removal system and nitrous oxide emissions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193
Citation: LYU Yongtao, DANG Wenjuan, ZHOU Yiqiao, LIAO Zhengwei, HE Xianshu, WANG Lei. Effects of nitrite and salinity on efficiency of denitrification phosphorus removal system and nitrous oxide emissions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193

NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响

  • 基金项目:

    国家自然科学基金资助项目(51108367)

    陕西省建设厅科技发展计划项目(2015-K61)

Effects of nitrite and salinity on efficiency of denitrification phosphorus removal system and nitrous oxide emissions

  • Fund Project:
  • 摘要: 以驯化好的反硝化除磷污泥为研究对象,通过批式实验考察了NO2--N和NaCl浓度对反硝化除磷率及N2O释放的影响。当进水亚硝酸盐的浓度由15 mg·L-1升高至25和40 mg·L-1时,除磷率由68.81%±0.5%降至66.25%±1%和62.88%±0.8%,TN的去除率由90.6%±0.7%降至74.55%±1.5%和51.65%±2%,N2O释放量分别为4.82、13.83和17.06 mg。当NaCl质量分数为0%、0.5%、1%和2%时,TN的去除率由74.55%±1%降至68%±2%、64.2%±1%和54.3%±2.5%,除磷率由66.37%±1.5%降至61.29%±1%、50.47%±2%和36.7%±0.5%,N2O-N转化率为41.1%±2%、41.4%±2.5%、48.94%±0.6%和51.03%±2%。因此,NO2--N和NaCl质量分数的升高均会降低脱氮除磷效率,但增加了N2O释放量;兼顾脱氮除磷效率前提下,NO2--N为25 mg·L-1、NaCl质量分数为1%是N2O释放量增加的优化条件。
  • N2O是一种强温室气体,其温室效应是CO2的300倍[1],且容易产生破坏臭氧层和光化学烟雾等次生环境危害。污水生物脱氮过程是产生N2O的重要来源之一,因此,N2O的产生和释放控制成为本领域的研究热点之一。研究发现,基于NO2的短程生物脱氮过程是N2O释放的主要来源[2],且C/N、NO2浓度和pH等是影响N2O释放的重要因素[3]
    近年来,水环境研究组委会(Water Environment Research Federation,WERT)报道,N2O是一种潜在的可再生能源,当代替氧气作为CH4的助燃剂时,可提高37%的热值[4],具体反应见式(1)和式(2)。这一报道为污水处理过程中氮的能源化提供了新思路[5]
    CH4 + 4N2O → CO2 + 2H2O + 4N2 ΔHCO = −1 219 kJ·mol−1
    (1)
    CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O ΔHCO = −890 kJ·mol−1
    (2)
    研究发现,利用内碳源进行反硝化可显著增加N2O的释放量[5-6]。SCHERSON等[7]研究发现,当脉冲式添加NO2进行内源反硝化时,获得高达75%~80%的N2O-N转化率。反硝化除磷也是典型的内源反硝化过程,通过影响因子控制能否实现反硝化除磷过程中N2O的高度富集尚不明确。此外,盐度也是生物反应的重要影响因素之一[8],通过抑制脱氮过程酶的活性影响其脱氮性能和产物。以往国内外研究多集中在反硝化脱氮过程中[9],但对反硝化除磷系统的脱氮除磷效果以及N2O释放的研究尚未见报道。
    本研究通过批式实验研究NO2-N和盐度对反硝化除磷效率及N2O释放的影响,旨在为N2O的富集及氮的资源化利用提供一定的理论依据。

    1 材料与方法

    1.1 反应器及其运行

    实验采用圆柱形SBR,内径15 cm,高34 cm,有效容积5 L,排水比为0.6。每天运行4个周期,每个周期运行6 h,其中厌氧进水3 min,搅拌90 min,沉淀20 min,排水10 min;缺氧进水3 min,搅拌210 min,沉淀20 min,排水10 min。厌氧段与缺氧段之间设置沉淀排水,目的是排除厌氧段剩余的COD,以便使缺氧段利用内碳源进行反硝化除磷,从而为DPAOs提供良好环境。

    1.2 实验用水和污泥特性

    实验所用污泥为驯化完成的以硝酸盐为电子受体的反硝化除磷污泥,脱氮率和除磷率分别达到99.95%和95.23%,单周期N2O释放量为7.48 mg,N2O-N转化率达到16.41%。稳定运行期间,反应器内污泥浓度维持在(3 000±200) mg·L−1,SVI为48.5 mL·g−1,污泥沉降性能良好,SRT约为20 d。
    实验用水人工配制。厌氧段进水:CH3COONa 250 mg·L−1,NH4Cl 40 mg·L−1,CaCl2 10 mg·L−1,NaHCO3 200 mg·L−1,MgSO4 40 mg·L−1,FeSO4 10 mg·L−1;缺氧段进水:KNO3 40 mg·L−1,KH2PO4 30 mg·L−1,CaCl2 10 mg·L−1,NaHCO3 200 mg·L−1,MgSO4 40 mg·L−1,FeSO4 10 mg·L−1。厌氧段和缺氧段各添加1 g·L−1微量元素,组成[10]表1
    表1 微量元素组成
    Table 1 Trace element composition
    表1 微量元素组成
    Table 1 Trace element composition
    微量元素配方
    浓度/(g·L−1)
    FeCl3·6H2O
    1.5
    H3BO3
    0.15
    CuSO4·5H2O
    0.03
    KI
    0.18
    MnCl2·4H2O
    0.12
    NaMoO4·2H2O
    0.06
    ZnSO4·7H2O
    0.12
    CoCl2·6H2O
    0.15
    EDTA
    10

    1.3 水质及N2O分析

    NH4+-N、NO2-N、NO3-N、PO43−-P均按照标准方法[11]进行测定,其中NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法,NO3-N采用紫外分光光度法,PO43−-P用钼睇抗分光光度法,pH用精密酸度(PHM210, HACH, USA)测定。N2O用气相色谱法(PE600)测定。

    1.4 实验方案

    批式实验1。分别取厌氧末的泥水混合液400 mL,沉淀排除上清液后用蒸馏水清洗3~4次,备用。用去离子水反复清洗后将反应器污泥定容到0.15 L,加入0.85 L人工配水(批式反应器总体积为1 L),使3个反应器内反应初期NO2-N浓度分别为15、25和40 mg·L−1,用0.1 mol·L−1的HCl和NaOH调节初始pH=7左右,缺氧反应210 min。每10 min取1次水样,测定水样中NO3-N、NO2-N和PO43−-P的浓度,水样测定前先经0.45 µm滤纸过滤;实验过程中通入高纯氮气使污泥混合同时吹脱出反应产生的N2O,在曝氮气第0、0.5、1、3、5、8、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、11、120、130、140、150、160、180和210分钟能够采集气样并测定N2O;批式实验重复3次,结果取平均值。
    批式实验2。预处理步骤同批式实验1所述,控制初始NO2-N浓度均为25 mg·L−1,PO43−-P浓度为30 mg·L−1,分别投加0%、0.5%、1%和2%NaCl,缺氧反应210 min,反应过程中通入恒定流量的高纯氮气,用取样针取气样5 mL进行N2O的测定,取样方式同批式实验1所述;批式实验重复3次,结果取平均值。

    2 结果与分析

    2.1 NO2-N浓度对反硝化除磷率及N2O释放的影响

    2.1.1 不同进水NO2-N浓度对氮去除率的影响

    投加不同浓度的亚硝酸盐,系统内氮的去除情况见图1,可知,系统中存在一定浓度的NO3-N,且随进水NO2-N浓度同步升高,可能的原因是污泥在清洗后含有一定的NO3-N及试剂纯度不够。整个反应过程NO3-N和NO2-N均呈缓慢下降的趋势。当进水NO2-N浓度为15 mg·L−1时,NO2-N和NO3-N在210 min时基本反应完全,平均反硝化速率(以NO2-N计)为0.695 mg·(g·min)−1(SS),TN(在本实验中未投加氨氮,TN近似为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的加和)的去除率为90.6%±0.7%;当进水NO2-N浓度为25和40 mg·L−1时,平均反硝化速率分别为0.69和0.67 mg·(g·min)−1(SS),TN的去除率分别为74.55%±1.5%和51.65%±2%。可以看出,随着NO2-N浓度的增大,反硝化速率和TN的去除率均下降。反硝化速率的下降可能是因为将电子受体由NO3-N改为NO2-N后对DPAOs产生了抑制作用[12-13]
    图1 不同进水NO2-N浓度条件下NO2-N和NO3-N浓度变化
    Fig. 1 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different concentration of NO2-N
    图1 不同进水NO2-N浓度条件下NO2-N和NO3-N浓度变化
    Fig. 1 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different concentration of NO2-N
    Cjee 201711193 t1

    2.1.2 不同进水NO2-N浓度对磷去除率的影响

    图2为在不同进水NO2-N浓度条件下PO43−-P的变化情况。可知,PO43−-P浓度呈下降趋势,当进水NO2-N浓度为15、25和40 mg·L−1时,前90 min PO43−-P的去除速率分别为0.118、0.115和0.113 mg·(g·min)−1(SS),除磷率分别为68.81%±0.5%、66.25%±1%和62.88%±0.8%。结果表明,随着NO2-N浓度由15 mg·L−1升高至25和40 mg·L−1时,高浓度NO2-N会抑制DPAOs的吸磷作用,且浓度越高对吸磷的抑制作用越明显。与WANG等[14]和苗志加等[15]的研究结果相似。王亚宜等[16]发现当NO2-N⩾15 mg·L−1时,反硝化反应和缺氧吸磷反应均受到了抑制作用。苗志加等[15]发现初始NO2-N最高浓度为112.36 mg·L−1时,反硝化除磷代谢并未停止。但刘建广等[17]研究表明当NO2-N⩾35 mg·L−1时,抑制了反硝化除磷菌活性,缺氧吸磷反应基本完全停止。
    图2 不同进水NO2-N浓度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 2 Concentration change of PO43−-P at different concentration of NO2-N
    图2 不同进水NO2-N浓度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 2 Concentration change of PO43−-P at different concentration of NO2-N
    Cjee 201711193 t2

    2.1.3 不同进水NO2-N浓度对N2O释放的影响

    图3为不同进水NO2-N浓度条件下N2O释放速率的变化情况。可知,N2O释放速率呈先升高后降低的趋势,当进水浓度为15 mg·L−1时,在30 min时N2O释放速率达到最大值81.82 µg·(g·min)−1(SS),N2O释放量为4.82 mg,N2O-N转化率为24.5%±3.5%。反应初始阶段较高的FNA对氧化亚氮还原酶产生了抑制作用,N2O还原速率下降,导致N2O积累[18]。当反应进行到110 min时,因NO2-N反应完全,不存在FNA抑制作用,使N2O被彻底还原成N2
    当进水浓度为25和40 mg·L−1时,均在60 min时N2O释放速率达到最大值,二者分别为105.33和120.39 µg·(g·min)−1(SS);反应结束时N2O释放速率分别是14.08和14.81 µg·(g·min)−1(SS),N2O释放量分别为13.83和17.06 mg,N2O-N转化率分别为46.1%±1%和41.5%±3%。根据FNA浓度计算公式,当NO2-N浓度为25和40 mg·L−1时,反应结束时,出水pH分别为8.5±0.3和9.0±0.2,pH的升高及NO2-N浓度的降低使FNA浓度减小,FNA浓度分别为5.17和17 µg·L−1。ZHOU等[19]发现,当FNA浓度高于10 µg·L−1时缺氧代谢受到严重的抑制,抑制了氧化亚氮的还原能力。这也是本研究中当NO2-N的浓度为25 mg·L−1时,反硝化除磷系统可以获得较高N2O-N转化率的原因。
    图3 不同进水NO2-N浓度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 3 Concentration change of N2O at different concentration of NO2-N
    图3 不同进水NO2-N浓度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 3 Concentration change of N2O at different concentration of NO2-N
    Cjee 201711193 t3

    2.2 盐度对反硝化除磷效率及N2O释放的影响

    由批式实验1可知,当进水NO2-N浓度为25 mg·L−1时,反应器会表现出良好的脱氮除磷效果,同时也有较高的N2O释放量,因此,批式实验2固定NO2-N浓度为25 mg·L−1以研究盐度对反硝化除磷效率及N2O释放的影响。

    2.2.1 盐度对氮去除效率的影响

    不同进水盐度条件下NO2-N和NO3-N的变化情况如图4所示。可知,当投加不同浓度的NaCl时,NO2-N都均有剩余,这是因为反硝化除磷系统对亚硝酸盐的耐受力小[12]。当未投加NaCl时,TN的去除率为74.55%±1%,平均反硝化速率为0.069 mg·(g·min)−1(SS);当投加0.5%、1%和2%NaCl时,TN的去除率分别为68%±2%、64.2%±1%和54.3%±2.5%,平均反硝化速率分别为0.048、0.044和0.037 mg·(g·min)−1(SS)。结果表明,随着NaCl质量分数的增加,TN的去除率和反硝化速率都明显减小。这主要是因为盐浓度的增加,对微生物抑制作用增强,导致其活性逐渐降低[8]
    图4 不同进水盐度条件下NO2-N 和 NO3-N浓度变化
    Fig. 4 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different salinity
    图4 不同进水盐度条件下NO2-N 和 NO3-N浓度变化
    Fig. 4 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different salinity
    Cjee 201711193 t4

    2.2.2 盐度对磷去除效率的影响

    图5为不同进水盐度条件下PO43−-P的变化情况,可知,PO43−-P浓度均呈下降趋势,当投加0.5%、1%和2%NaCl时,除磷率由未投加NaCl的66.37%±1.5%降至61.29%±1%、50.47%±2%和36.7%±0.5%,由于过高的盐度对微生物的抑制作用大,降低了除磷效率。结果表明,高浓度的NaCl会对DPAOs产生抑制作用,降低除磷效率。
    图5 不同进水盐度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 5 Concentration change of PO43−-P at different salinity
    图5 不同进水盐度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 5 Concentration change of PO43−-P at different salinity
    Cjee 201711193 t5

    2.2.3 盐度对N2O释放的影响

    图6为不同进水盐度条件下N2O释放速率的变化情况。可见,N2O的释放速率均呈先升高后降低的趋势。当未投加NaCl时,N2O的释放量为12.38 mg,N2O-N转化率为41.1%±2%;当投加0.5%、1%和2%的NaCl时,N2O的释放量分别为12.44、12.71和13.87 mg,N2O-N转化率分别为41.4%±2.5%、48.94%±0.6%和51.03%±2%。结果表明,随着盐浓度的增大,N2O-N的转化率增大。一方面主要是因为系统对过高盐度不适应,对反硝化菌的活性有抑制作用,导致N2O释放量和N2O-N转化率均有所增加[8,20];另一方面是因为盐度对氧化亚氮还原酶有抑制作用,导致N2O释放量和N2O-N转化率进一步增加[8]
    图6 不同进水盐度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 6 Concentration change of N2O at different salinity
    图6 不同进水盐度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 6 Concentration change of N2O at different salinity
    Cjee 201711193 t6

    3 结论

    1)升高进水NO2-N浓度会降低脱氮除磷率,增加N2O释放量。当进水NO2-N浓度为25 mg·L−1时,脱氮除磷率分别维持在74.55%±1.5%和66.25%±1%,可获得较高的N2O-N转化率,达到46.1%±1%。
    2)在低盐度(0%~2%)条件下,随着盐浓度的增加,会抑制微生物的活性,进而降低TN的去除率和除磷率,但提高了N2O释放量和转化率。NaCl质量分数增加到1%时,N2O-N转化率由41.1%±1.5%升至48.94%±0.6%。
    3)在兼顾脱氮除磷性能的条件下,NO2-N为25 mg·L−1、NaCl为1%是获得N2O增量释放的优化条件。

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出版历程
  • 刊出日期:  2018-06-18
吕永涛, 党文娟, 周亦桥, 廖正伟, 贺酰淑, 王磊. NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193
引用本文: 吕永涛, 党文娟, 周亦桥, 廖正伟, 贺酰淑, 王磊. NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193
LYU Yongtao, DANG Wenjuan, ZHOU Yiqiao, LIAO Zhengwei, HE Xianshu, WANG Lei. Effects of nitrite and salinity on efficiency of denitrification phosphorus removal system and nitrous oxide emissions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193
Citation: LYU Yongtao, DANG Wenjuan, ZHOU Yiqiao, LIAO Zhengwei, HE Xianshu, WANG Lei. Effects of nitrite and salinity on efficiency of denitrification phosphorus removal system and nitrous oxide emissions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(6): 1651-1656. doi: 10.12030/j.cjee.201711193

NO2--N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响

  • 1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安 710055
  • 2. 陕西省水务集团水务科技有限公司,西安 710000
基金项目:

国家自然科学基金资助项目(51108367)

陕西省建设厅科技发展计划项目(2015-K61)

摘要: 以驯化好的反硝化除磷污泥为研究对象,通过批式实验考察了NO2--N和NaCl浓度对反硝化除磷率及N2O释放的影响。当进水亚硝酸盐的浓度由15 mg·L-1升高至25和40 mg·L-1时,除磷率由68.81%±0.5%降至66.25%±1%和62.88%±0.8%,TN的去除率由90.6%±0.7%降至74.55%±1.5%和51.65%±2%,N2O释放量分别为4.82、13.83和17.06 mg。当NaCl质量分数为0%、0.5%、1%和2%时,TN的去除率由74.55%±1%降至68%±2%、64.2%±1%和54.3%±2.5%,除磷率由66.37%±1.5%降至61.29%±1%、50.47%±2%和36.7%±0.5%,N2O-N转化率为41.1%±2%、41.4%±2.5%、48.94%±0.6%和51.03%±2%。因此,NO2--N和NaCl质量分数的升高均会降低脱氮除磷效率,但增加了N2O释放量;兼顾脱氮除磷效率前提下,NO2--N为25 mg·L-1、NaCl质量分数为1%是N2O释放量增加的优化条件。

English Abstract

    N2O是一种强温室气体,其温室效应是CO2的300倍[1],且容易产生破坏臭氧层和光化学烟雾等次生环境危害。污水生物脱氮过程是产生N2O的重要来源之一,因此,N2O的产生和释放控制成为本领域的研究热点之一。研究发现,基于NO2的短程生物脱氮过程是N2O释放的主要来源[2],且C/N、NO2浓度和pH等是影响N2O释放的重要因素[3]
    近年来,水环境研究组委会(Water Environment Research Federation,WERT)报道,N2O是一种潜在的可再生能源,当代替氧气作为CH4的助燃剂时,可提高37%的热值[4],具体反应见式(1)和式(2)。这一报道为污水处理过程中氮的能源化提供了新思路[5]
    CH4 + 4N2O → CO2 + 2H2O + 4N2 ΔHCO = −1 219 kJ·mol−1
    (1)
    CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O ΔHCO = −890 kJ·mol−1
    (2)
    研究发现,利用内碳源进行反硝化可显著增加N2O的释放量[5-6]。SCHERSON等[7]研究发现,当脉冲式添加NO2进行内源反硝化时,获得高达75%~80%的N2O-N转化率。反硝化除磷也是典型的内源反硝化过程,通过影响因子控制能否实现反硝化除磷过程中N2O的高度富集尚不明确。此外,盐度也是生物反应的重要影响因素之一[8],通过抑制脱氮过程酶的活性影响其脱氮性能和产物。以往国内外研究多集中在反硝化脱氮过程中[9],但对反硝化除磷系统的脱氮除磷效果以及N2O释放的研究尚未见报道。
    本研究通过批式实验研究NO2-N和盐度对反硝化除磷效率及N2O释放的影响,旨在为N2O的富集及氮的资源化利用提供一定的理论依据。

    1 材料与方法

    1.1 反应器及其运行

    实验采用圆柱形SBR,内径15 cm,高34 cm,有效容积5 L,排水比为0.6。每天运行4个周期,每个周期运行6 h,其中厌氧进水3 min,搅拌90 min,沉淀20 min,排水10 min;缺氧进水3 min,搅拌210 min,沉淀20 min,排水10 min。厌氧段与缺氧段之间设置沉淀排水,目的是排除厌氧段剩余的COD,以便使缺氧段利用内碳源进行反硝化除磷,从而为DPAOs提供良好环境。

    1.2 实验用水和污泥特性

    实验所用污泥为驯化完成的以硝酸盐为电子受体的反硝化除磷污泥,脱氮率和除磷率分别达到99.95%和95.23%,单周期N2O释放量为7.48 mg,N2O-N转化率达到16.41%。稳定运行期间,反应器内污泥浓度维持在(3 000±200) mg·L−1,SVI为48.5 mL·g−1,污泥沉降性能良好,SRT约为20 d。
    实验用水人工配制。厌氧段进水:CH3COONa 250 mg·L−1,NH4Cl 40 mg·L−1,CaCl2 10 mg·L−1,NaHCO3 200 mg·L−1,MgSO4 40 mg·L−1,FeSO4 10 mg·L−1;缺氧段进水:KNO3 40 mg·L−1,KH2PO4 30 mg·L−1,CaCl2 10 mg·L−1,NaHCO3 200 mg·L−1,MgSO4 40 mg·L−1,FeSO4 10 mg·L−1。厌氧段和缺氧段各添加1 g·L−1微量元素,组成[10]表1
    表1 微量元素组成
    Table 1 Trace element composition
    表1 微量元素组成
    Table 1 Trace element composition
    微量元素配方
    浓度/(g·L−1)
    FeCl3·6H2O
    1.5
    H3BO3
    0.15
    CuSO4·5H2O
    0.03
    KI
    0.18
    MnCl2·4H2O
    0.12
    NaMoO4·2H2O
    0.06
    ZnSO4·7H2O
    0.12
    CoCl2·6H2O
    0.15
    EDTA
    10

    1.3 水质及N2O分析

    NH4+-N、NO2-N、NO3-N、PO43−-P均按照标准方法[11]进行测定,其中NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法,NO3-N采用紫外分光光度法,PO43−-P用钼睇抗分光光度法,pH用精密酸度(PHM210, HACH, USA)测定。N2O用气相色谱法(PE600)测定。

    1.4 实验方案

    批式实验1。分别取厌氧末的泥水混合液400 mL,沉淀排除上清液后用蒸馏水清洗3~4次,备用。用去离子水反复清洗后将反应器污泥定容到0.15 L,加入0.85 L人工配水(批式反应器总体积为1 L),使3个反应器内反应初期NO2-N浓度分别为15、25和40 mg·L−1,用0.1 mol·L−1的HCl和NaOH调节初始pH=7左右,缺氧反应210 min。每10 min取1次水样,测定水样中NO3-N、NO2-N和PO43−-P的浓度,水样测定前先经0.45 µm滤纸过滤;实验过程中通入高纯氮气使污泥混合同时吹脱出反应产生的N2O,在曝氮气第0、0.5、1、3、5、8、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、11、120、130、140、150、160、180和210分钟能够采集气样并测定N2O;批式实验重复3次,结果取平均值。
    批式实验2。预处理步骤同批式实验1所述,控制初始NO2-N浓度均为25 mg·L−1,PO43−-P浓度为30 mg·L−1,分别投加0%、0.5%、1%和2%NaCl,缺氧反应210 min,反应过程中通入恒定流量的高纯氮气,用取样针取气样5 mL进行N2O的测定,取样方式同批式实验1所述;批式实验重复3次,结果取平均值。

    2 结果与分析

    2.1 NO2-N浓度对反硝化除磷率及N2O释放的影响

    2.1.1 不同进水NO2-N浓度对氮去除率的影响

    投加不同浓度的亚硝酸盐,系统内氮的去除情况见图1,可知,系统中存在一定浓度的NO3-N,且随进水NO2-N浓度同步升高,可能的原因是污泥在清洗后含有一定的NO3-N及试剂纯度不够。整个反应过程NO3-N和NO2-N均呈缓慢下降的趋势。当进水NO2-N浓度为15 mg·L−1时,NO2-N和NO3-N在210 min时基本反应完全,平均反硝化速率(以NO2-N计)为0.695 mg·(g·min)−1(SS),TN(在本实验中未投加氨氮,TN近似为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的加和)的去除率为90.6%±0.7%;当进水NO2-N浓度为25和40 mg·L−1时,平均反硝化速率分别为0.69和0.67 mg·(g·min)−1(SS),TN的去除率分别为74.55%±1.5%和51.65%±2%。可以看出,随着NO2-N浓度的增大,反硝化速率和TN的去除率均下降。反硝化速率的下降可能是因为将电子受体由NO3-N改为NO2-N后对DPAOs产生了抑制作用[12-13]
    图1 不同进水NO2-N浓度条件下NO2-N和NO3-N浓度变化
    Fig. 1 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different concentration of NO2-N
    图1 不同进水NO2-N浓度条件下NO2-N和NO3-N浓度变化
    Fig. 1 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different concentration of NO2-N
    Cjee 201711193 t1

    2.1.2 不同进水NO2-N浓度对磷去除率的影响

    图2为在不同进水NO2-N浓度条件下PO43−-P的变化情况。可知,PO43−-P浓度呈下降趋势,当进水NO2-N浓度为15、25和40 mg·L−1时,前90 min PO43−-P的去除速率分别为0.118、0.115和0.113 mg·(g·min)−1(SS),除磷率分别为68.81%±0.5%、66.25%±1%和62.88%±0.8%。结果表明,随着NO2-N浓度由15 mg·L−1升高至25和40 mg·L−1时,高浓度NO2-N会抑制DPAOs的吸磷作用,且浓度越高对吸磷的抑制作用越明显。与WANG等[14]和苗志加等[15]的研究结果相似。王亚宜等[16]发现当NO2-N⩾15 mg·L−1时,反硝化反应和缺氧吸磷反应均受到了抑制作用。苗志加等[15]发现初始NO2-N最高浓度为112.36 mg·L−1时,反硝化除磷代谢并未停止。但刘建广等[17]研究表明当NO2-N⩾35 mg·L−1时,抑制了反硝化除磷菌活性,缺氧吸磷反应基本完全停止。
    图2 不同进水NO2-N浓度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 2 Concentration change of PO43−-P at different concentration of NO2-N
    图2 不同进水NO2-N浓度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 2 Concentration change of PO43−-P at different concentration of NO2-N
    Cjee 201711193 t2

    2.1.3 不同进水NO2-N浓度对N2O释放的影响

    图3为不同进水NO2-N浓度条件下N2O释放速率的变化情况。可知,N2O释放速率呈先升高后降低的趋势,当进水浓度为15 mg·L−1时,在30 min时N2O释放速率达到最大值81.82 µg·(g·min)−1(SS),N2O释放量为4.82 mg,N2O-N转化率为24.5%±3.5%。反应初始阶段较高的FNA对氧化亚氮还原酶产生了抑制作用,N2O还原速率下降,导致N2O积累[18]。当反应进行到110 min时,因NO2-N反应完全,不存在FNA抑制作用,使N2O被彻底还原成N2
    当进水浓度为25和40 mg·L−1时,均在60 min时N2O释放速率达到最大值,二者分别为105.33和120.39 µg·(g·min)−1(SS);反应结束时N2O释放速率分别是14.08和14.81 µg·(g·min)−1(SS),N2O释放量分别为13.83和17.06 mg,N2O-N转化率分别为46.1%±1%和41.5%±3%。根据FNA浓度计算公式,当NO2-N浓度为25和40 mg·L−1时,反应结束时,出水pH分别为8.5±0.3和9.0±0.2,pH的升高及NO2-N浓度的降低使FNA浓度减小,FNA浓度分别为5.17和17 µg·L−1。ZHOU等[19]发现,当FNA浓度高于10 µg·L−1时缺氧代谢受到严重的抑制,抑制了氧化亚氮的还原能力。这也是本研究中当NO2-N的浓度为25 mg·L−1时,反硝化除磷系统可以获得较高N2O-N转化率的原因。
    图3 不同进水NO2-N浓度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 3 Concentration change of N2O at different concentration of NO2-N
    图3 不同进水NO2-N浓度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 3 Concentration change of N2O at different concentration of NO2-N
    Cjee 201711193 t3

    2.2 盐度对反硝化除磷效率及N2O释放的影响

    由批式实验1可知,当进水NO2-N浓度为25 mg·L−1时,反应器会表现出良好的脱氮除磷效果,同时也有较高的N2O释放量,因此,批式实验2固定NO2-N浓度为25 mg·L−1以研究盐度对反硝化除磷效率及N2O释放的影响。

    2.2.1 盐度对氮去除效率的影响

    不同进水盐度条件下NO2-N和NO3-N的变化情况如图4所示。可知,当投加不同浓度的NaCl时,NO2-N都均有剩余,这是因为反硝化除磷系统对亚硝酸盐的耐受力小[12]。当未投加NaCl时,TN的去除率为74.55%±1%,平均反硝化速率为0.069 mg·(g·min)−1(SS);当投加0.5%、1%和2%NaCl时,TN的去除率分别为68%±2%、64.2%±1%和54.3%±2.5%,平均反硝化速率分别为0.048、0.044和0.037 mg·(g·min)−1(SS)。结果表明,随着NaCl质量分数的增加,TN的去除率和反硝化速率都明显减小。这主要是因为盐浓度的增加,对微生物抑制作用增强,导致其活性逐渐降低[8]
    图4 不同进水盐度条件下NO2-N 和 NO3-N浓度变化
    Fig. 4 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different salinity
    图4 不同进水盐度条件下NO2-N 和 NO3-N浓度变化
    Fig. 4 Concentration change of NO2-N and NO3-N at different salinity
    Cjee 201711193 t4

    2.2.2 盐度对磷去除效率的影响

    图5为不同进水盐度条件下PO43−-P的变化情况,可知,PO43−-P浓度均呈下降趋势,当投加0.5%、1%和2%NaCl时,除磷率由未投加NaCl的66.37%±1.5%降至61.29%±1%、50.47%±2%和36.7%±0.5%,由于过高的盐度对微生物的抑制作用大,降低了除磷效率。结果表明,高浓度的NaCl会对DPAOs产生抑制作用,降低除磷效率。
    图5 不同进水盐度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 5 Concentration change of PO43−-P at different salinity
    图5 不同进水盐度条件下PO43−-P浓度变化
    Fig. 5 Concentration change of PO43−-P at different salinity
    Cjee 201711193 t5

    2.2.3 盐度对N2O释放的影响

    图6为不同进水盐度条件下N2O释放速率的变化情况。可见,N2O的释放速率均呈先升高后降低的趋势。当未投加NaCl时,N2O的释放量为12.38 mg,N2O-N转化率为41.1%±2%;当投加0.5%、1%和2%的NaCl时,N2O的释放量分别为12.44、12.71和13.87 mg,N2O-N转化率分别为41.4%±2.5%、48.94%±0.6%和51.03%±2%。结果表明,随着盐浓度的增大,N2O-N的转化率增大。一方面主要是因为系统对过高盐度不适应,对反硝化菌的活性有抑制作用,导致N2O释放量和N2O-N转化率均有所增加[8,20];另一方面是因为盐度对氧化亚氮还原酶有抑制作用,导致N2O释放量和N2O-N转化率进一步增加[8]
    图6 不同进水盐度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 6 Concentration change of N2O at different salinity
    图6 不同进水盐度条件下N2O释放速率变化
    Fig. 6 Concentration change of N2O at different salinity
    Cjee 201711193 t6

    3 结论

    1)升高进水NO2-N浓度会降低脱氮除磷率,增加N2O释放量。当进水NO2-N浓度为25 mg·L−1时,脱氮除磷率分别维持在74.55%±1.5%和66.25%±1%,可获得较高的N2O-N转化率,达到46.1%±1%。
    2)在低盐度(0%~2%)条件下,随着盐浓度的增加,会抑制微生物的活性,进而降低TN的去除率和除磷率,但提高了N2O释放量和转化率。NaCl质量分数增加到1%时,N2O-N转化率由41.1%±1.5%升至48.94%±0.6%。
    3)在兼顾脱氮除磷性能的条件下,NO2-N为25 mg·L−1、NaCl为1%是获得N2O增量释放的优化条件。
参考文献 (20)

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