N2O是強(qiáng)溫室氣體，同時(shí)也是可再生能源，當(dāng)其替代O2與甲烷燃燒時(shí)可以提高熱值，還可以用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及半導(dǎo)體行業(yè)等。由于污水處理過程是N2O釋放的重要人為來(lái)源，因此生物脫氮過程中N2O的富集成為研究熱點(diǎn)之一。食品加工、制造及釀酒等行業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量酸性有機(jī)含氮廢水，在反硝化脫氮之前，常需加堿進(jìn)行預(yù)處理，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性與運(yùn)行費(fèi)用。研究酸性條件下反硝化的性能，可為此類廢水的直接處理提供依據(jù)。已有研究表明，酸性條件和游離亞硝酸（FNA）濃度是影響反硝化過程中N2O產(chǎn)率的重要因素。Thörn等研究發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下，40%以上的NOx-會(huì)以N2O的形式積累。Pan等研究恒定pH對(duì)反硝化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH為6.0時(shí)，N2O的釋放率高達(dá)40%。有學(xué)者推測(cè)酸性條件下產(chǎn)生的FNA通過抑制N2O還原酶的活性增加N2O的釋放。由于FNA是酸性條件下NO2-質(zhì)子化的結(jié)果，真正的抑制劑仍需進(jìn)一步明確。

NO2-型反硝化是順序反應(yīng)的過程，依次由亞硝酸鹽還原酶（NIR）、NO還原酶（NOR）和N2O還原酶（NOS）將NO2-還原為NO、N2O和N2。作為中間產(chǎn)物，N2O的凈產(chǎn)率同時(shí)受其產(chǎn)生和還原的影響，研究酸性條件下N2O的還原特性可為其富集機(jī)理提供依據(jù)。由于N2O是溶解性氣體，傳統(tǒng)測(cè)定方法存在困難，而微電極可連續(xù)測(cè)定其濃度的變化，這就為其檢測(cè)提供了有效手段。

筆者以NO2-型反硝化活性污泥為研究對(duì)象，分析了SBR系統(tǒng)在酸性進(jìn)水條件下的反硝化運(yùn)行特征和N2O釋放行為，并探討了影響N2O還原速率的因素，旨在揭示酸性條件下N2O積累的機(jī)理，并為生物反硝化過程中N2O的富集回收提供依據(jù)。

1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

連續(xù)試驗(yàn)采用SBR裝置，其有效容積為0.6L，排水比為0.33。每天運(yùn)行4個(gè)周期，單周期為6h，即進(jìn)水5min、攪拌240min、沉淀60min、排水5min、閑置50min。采用磁力攪拌方式，在室溫條件下運(yùn)行，水溫為20~25℃。

批式試驗(yàn)反應(yīng)器的有效容積為0.6L，使用N2進(jìn)行吹脫（氮?dú)饬魉贋?/span>0.2L/min）以實(shí)現(xiàn)泥水完全混合，并將產(chǎn)生的N2O吹脫出來(lái)。

1.2 污泥來(lái)源和試驗(yàn)用水

試驗(yàn)所用污泥為課題組前期馴化完成的NO2-型反硝化污泥，其整體為黃褐色絮體，MLVSS/MLSS約為0.8，采用酸性廢水進(jìn)行馴化，進(jìn)入反應(yīng)器污泥的初始pH為5.5，反應(yīng)器中污泥濃度約為4000mg/L，每天排混合液，控制泥齡約為15d。

采用人工配制試驗(yàn)用水，其由乙酸鈉、亞硝酸鈉和微量元素組成，微量元素按文獻(xiàn)配制，投加量為1mL/L。運(yùn)行階段NO2--N濃度控制在100~120mg/L，保持C/N為3。

1.3 試驗(yàn)方案

連續(xù)運(yùn)行及典型周期試驗(yàn)：SBR正常運(yùn)行過程中，連續(xù)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水COD、NO2-的濃度及N2O釋放量。定期分析典型周期碳、氮轉(zhuǎn)化及N2O釋放特性。

酸性pH及FNA對(duì)N2O釋放的影響：取0.2LSBR中的污泥，洗泥3次后置于批式反應(yīng)系統(tǒng)中，采用人工配水進(jìn)行試驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)間為4h，反應(yīng)溫度控制在22℃。每10min采集一次氣體測(cè)定N2O濃度，每30min采集一次液體測(cè)定NO2-和COD濃度，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定MLSS和MLVSS濃度。pH影響試驗(yàn)中，初始NO2--N濃度為80mg/L，以0.2mol/L的HCl或NaOH保持系統(tǒng)內(nèi)pH恒定，分別在pH為5.0、5.5、5.8、6.0、6.5、7.0的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，pH的變化幅度不超過±0.1。FNA影響試驗(yàn)中，控制反應(yīng)中pH恒定為5.8，通過添加不同濃度的NO2（-10、30、40、50、70、90mg/L）使FNA的初始濃度分別為0.16、0.44、0.68、0.84、1.16、1.54mg/L。

酸性pH及FNA對(duì)N2O還原速率的影響：通入N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體配制飽和溶液，稀釋65倍，配制初始濃度為10μmol/L的水溶液（a溶液）備用。a溶液在不同pH（5.5~7.0）條件下以N2O為基質(zhì)進(jìn)行批式試驗(yàn)。a溶液中加入少量亞硝酸鹽制成b溶液，在不同pH（5.5~7.0）條件下形成不同FNA濃度進(jìn)行批式試驗(yàn)。反應(yīng)時(shí)間為15min，通過水浴加熱控制溫度為（20±1）℃。用N2O微電極測(cè)定N2O濃度，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定MLSS和MLVSS，并計(jì)算還原速率。

1.4 分析項(xiàng)目及方法

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；亞硝酸鹽采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測(cè)定；硝酸鹽采用紫外分光光度法測(cè)定；MLSS、MLVSS采用重量法測(cè)定；溶解性N2O利用微電極測(cè)定，測(cè)定前進(jìn)行校準(zhǔn)。

N2O氣體的采集：批式試驗(yàn)產(chǎn)生的N2O氣體用氮?dú)膺M(jìn)行吹脫，使用50mL注射器在反應(yīng)器上部集氣區(qū)采集氣體樣品，用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。氣體分析與計(jì)算：利用PE600氣相色譜儀對(duì)樣品中的N2O濃度進(jìn)行分析。N2O的釋放速率和釋放量參考Kong等、Kimochi等的方法進(jìn)行計(jì)算。

2、結(jié)果與討論

2.1 酸性進(jìn)水條件下NO2-型反硝化的運(yùn)行特性

課題組前期馴化得到適應(yīng)酸性條件（pH=5.5）的NO2-型反硝化活性污泥，接種后再次降低進(jìn)水pH至5.0并使其穩(wěn)定，研究酸性條件下NO2-型反硝化的運(yùn)行特性，并在80d時(shí)分析了SBR反應(yīng)器典型周期內(nèi)C、N轉(zhuǎn)化及N2O釋放特性，結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可以看出，NO2-型反硝化在酸性條件下運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)初始pH為5.0時(shí)，出水NO2--N濃度為0~0.8mg/L，其去除率大于99%；出水COD為33~51mg/L，其去除率為86.1%~90.9%。經(jīng)計(jì)算，去除的C/N在1.98~2.60之間。由圖1（b）可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，NO2-和COD均隨時(shí)間的增加呈降低趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算，NO2-的還原速率為10.88mg/（gMLVSS·h），消耗的C/N為2.28。N2O的釋放主要發(fā)生在前90min，最大釋放速率為58.27μg/（gMLVSS·min），有7.17%的NO2-轉(zhuǎn)化為N2O，釋放速率隨時(shí)間呈先升后降的趨勢(shì)。

2.2 pH對(duì)NO2-型反硝化及N2O轉(zhuǎn)化特性的影響

pH對(duì)C、N轉(zhuǎn)化及N2O釋放速率的影響如圖2所示�？梢钥闯�，在不同pH條件下，NO2-和COD濃度均隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，但反硝化速率不同。當(dāng)pH為7.0時(shí)，60min內(nèi)完成了NO2-的還原，但N2O的釋放主要發(fā)生在前30min。隨著pH由5.8降至5.0，出水NO2-濃度呈升高趨勢(shì)。當(dāng)pH為5.0時(shí)，NO2-去除率僅為43.3%。不同pH條件下，N2O釋放呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。當(dāng)pH分別為7.0、6.5時(shí)，N2O的釋放速率隨時(shí)間呈先升高后降低的趨勢(shì)，且主要發(fā)生在反應(yīng)前期，分別在第10、25分鐘達(dá)到釋放速率峰值。當(dāng)pH為6.0時(shí)，N2O釋放速率呈先升后降的趨勢(shì)，在20~100min保持較高的釋放速率并出現(xiàn)了4個(gè)較明顯的釋放速率峰值。當(dāng)pH≤5.8時(shí)，N2O釋放速率隨時(shí)間增加呈先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

不同pH條件下N2O的釋放特性見圖3。

從圖3可知，酸性條件對(duì)NO2-還原速率及N2O釋放量與轉(zhuǎn)化率的影響顯著。經(jīng)計(jì)算，隨著pH的降低，NO2-還原速率明顯下降，pH為7.0時(shí)NO2-還原速率是pH為6.5的2.3倍。當(dāng)pH降至5.0時(shí)，還原速率僅為7.0時(shí)的11.67%，表明酸性環(huán)境對(duì)反硝化具有抑制作用。由圖3可知，隨著pH的降低，N2O轉(zhuǎn)化率和釋放量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，N2O轉(zhuǎn)化率在pH為5.8時(shí)達(dá)到最大，為26.26%；當(dāng)pH降至5.0時(shí)，N2O轉(zhuǎn)化率降至5.78%。呈現(xiàn)這種規(guī)律的原因可能是，以NO2-為電子受體時(shí)，較低的pH對(duì)系統(tǒng)中NIR、NOR、NOS的活性產(chǎn)生了不同程度的影響。

彭永臻等的研究表明，pH對(duì)于以NO2-為電子受體的反硝化過程影響顯著，除pH本身外，產(chǎn)生的FNA也會(huì)影響C、N的轉(zhuǎn)化特性。由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH由7.0降至5.0時(shí)，NO2-還原速率大幅降低，表明在酸性條件下NIR活性受到抑制，且pH越低抑制程度越嚴(yán)重。同時(shí)，酸性條件下NO2-的積累產(chǎn)生了較高濃度的FNA，然而N2O的釋放量和轉(zhuǎn)化率并未隨著pH的降低呈單向升高的趨勢(shì)，因此pH低于5.8時(shí)，很可能是pH及FNA對(duì)NOR的抑制更嚴(yán)重，導(dǎo)致N2O凈產(chǎn)量下降。有研究報(bào)道，在以NO2-為電子受體時(shí)，FNA是N2O還原酶的主要抑制劑。因此，分析相同pH、不同FNA濃度條件下NO2-還原及N2O釋放特征有助于探明FNA對(duì)NO2-型反硝化的影響。

2.3 FNA對(duì)NO2-型反硝化及N2O轉(zhuǎn)化特性的影響

FNA對(duì)C、N轉(zhuǎn)化及N2O釋放速率的影響如圖4所示�？芍�，隨著FNA濃度的升高，COD和NO2-濃度均隨反應(yīng)時(shí)間呈下降趨勢(shì)，但NO2-還原速率呈先升后降的趨勢(shì)，由4.03mg/（gMLVSS·h）（FNA濃度為0.16mg/L）升至5.34mg/（gMLVSS·h）（FNA濃度為0.44mg/L），然后逐漸降至2.30mg/（gMLVSS·h）（FNA濃度為1.54mg/L）。此外，不同FNA濃度下的N2O釋放速率不同。低FNA濃度（0.16~0.68mg/L）時(shí)，N2O釋放速率隨時(shí)間的增加整體呈先升高后降低的趨勢(shì)，且N2O的釋放時(shí)間隨FNA的升高而增加。高FNA濃度（0.84~1.54mg/L）時(shí)，N2O釋放速率在整個(gè)反應(yīng)過程中均維持較高水平。經(jīng)計(jì)算，N2O轉(zhuǎn)化率隨FNA的升高呈先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)FNA=0.84mg/L時(shí)，達(dá)到最大值42.56%。

FNA是NO2-質(zhì)子化的結(jié)果，改變pH或NO2-濃度均影響FNA濃度。將兩種條件下（酸性pH和NO2-濃度的變化）的FNA濃度與NO2-還原速率和N2O轉(zhuǎn)化率進(jìn)行了線性擬合，結(jié)果如圖5所示�？芍�，FNA濃度在特定區(qū)間內(nèi)與NO2-還原速率具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，與N2O轉(zhuǎn)化率具有線性正相關(guān)關(guān)系，但是進(jìn)一步升高FNA濃度則降低了N2O產(chǎn)率。由圖5（a）可知，pH改變時(shí)FNA濃度在0.169~1.641mg/L區(qū)間與NO2-還原速率具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9833。當(dāng)初始FNA濃度為0.052、5.26mg/L時(shí)，NO2-的還原速率分別為25.28、2.95mg/（gMLVSS·h），表明FNA濃度低于一定水平，即pH較高時(shí)，其對(duì)NO2-還原速率的抑制作用微弱；當(dāng)FNA濃度高出某一閾值，即pH較低時(shí)，其對(duì)NO2-還原速率的抑制作用增長(zhǎng)不明顯。當(dāng)FNA濃度處于0.052~1.031mg/L區(qū)間時(shí)，N2O轉(zhuǎn)化率與FNA濃度具有線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9977，N2O轉(zhuǎn)化率在FNA為1.03mg/L時(shí)達(dá)到最大值26.26%；當(dāng)FNA濃度繼續(xù)增至1.64、5.26mg/L（即pH分別為5.5和5.0）時(shí)，N2O轉(zhuǎn)化率降至13.54%、5.78%，表明過低的pH不利于N2O的富集。

由圖5（b）可知，隨著FNA濃度的升高，N2O轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)FNA處于0.44~0.84mg/L區(qū)間時(shí)，FNA濃度與NO2-還原速率具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9884；當(dāng)FNA濃度繼續(xù)增至1.16、1.54mg/L時(shí)，NO2-還原速率緩慢降至2.98、2.76mg/（gMLVSS·h），FNA濃度與NO2-還原速率突破原有的線性關(guān)系，表明過高的FNA濃度對(duì)NO2-還原的抑制作用快速減弱。當(dāng)初始FNA濃度為0.16mg/L時(shí)，NO2-還原速率低于濃度為0.44mg/L時(shí)的還原速率6.26mg/（gMLVSS·h），推測(cè)原因是初始NO2-基質(zhì)濃度過低所致。當(dāng)FNA處于0.16~0.84mg/L區(qū)間時(shí)，FNA濃度與N2O轉(zhuǎn)化率具有線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9955，因?yàn)?/span>FNA抑制NOS活性，導(dǎo)致N2O還原速率下降。當(dāng)FNA濃度為0.84mg/L時(shí)，N2O轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值42.56%。當(dāng)FNA濃度繼續(xù)增至1.16、1.54mg/L時(shí)，N2O轉(zhuǎn)化率降至36.20%、35.29%。

綜上所述，基于酸性pH或NO2-濃度改變所得FNA濃度均在一定區(qū)間內(nèi)與N2O轉(zhuǎn)化率具有正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.9977和0.9955，進(jìn)一步證明了酸性條件下FNA是NOS的主要抑制劑，與現(xiàn)有研究結(jié)論相一致。當(dāng)FNA超過一定濃度或pH低于5.8時(shí)，N2O轉(zhuǎn)化率下降，表明過高的FNA濃度及過低的pH不利于N2O的富集。

2.4 pH和FNA對(duì)N2O還原速率的影響

pH和FNA對(duì)N2O還原速率的影響如圖6所示。從圖6（a）可以看出，當(dāng)pH由7.0降至5.5時(shí)，N2O的濃度均呈降低趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)pH為7.0和5.5時(shí)，N2O的還原速率分別為4.78×10-5和3.58×10-5g/（gMLVSS·min），后者較前者降低了25.1%。由圖6（b）可知，隨著pH從7.0降至5.5，N2O的還原速率同樣逐漸降低，由4.74×10-5g/（gMLVSS·min）降至3.01×10-5g/（gMLVSS·min），降低了36.5%。當(dāng)加入少量NO2-，即存在FNA時(shí)，N2O還原速率均低于無(wú)FNA存在時(shí)的，當(dāng)pH為6.0和5.5時(shí)尤為顯著。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，pH和FNA都會(huì)抑制N2O還原酶的活性，且存在FNA時(shí)，抑制程度增強(qiáng)。而以單一N2O作為基質(zhì)時(shí)，N2O消耗速率受影響較小，當(dāng)添加了一定量NO2-后，隨pH的降低N2O消耗速率大幅下降，因此FNA濃度是NOS活性的主要抑制劑。

由圖3可知，隨著pH的降低，N2O轉(zhuǎn)化率和釋放量均呈先升高后下降的趨勢(shì)。由圖6（a）可知，以N2O為電子受體時(shí)，隨著pH的降低，N2O還原速率逐漸下降，因此當(dāng)pH低于5.8時(shí)，N2O釋放量降低是pH抑制NOR所致，即過低的pH降低了N2O的產(chǎn)生。Field等發(fā)現(xiàn)，N2O合成酶的最適pH為6.0，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。同理，FNA濃度對(duì)N2O轉(zhuǎn)化率和釋放量的影響類似，較高FNA濃度下，N2O釋放量降低也是因FNA抑制NOR所致。

3、結(jié)論

①利用微電極研究了酸性條件（5.5~7.0）對(duì)N2O還原的影響，發(fā)現(xiàn)N2O的還原速率隨pH的下降及FNA濃度的升高呈降低趨勢(shì)，且存在FNA時(shí)降低幅度增大，表明酸性條件及FNA均可抑制NOS活性，且后者是主要抑制劑。

②NO2-還原速率隨pH降低而下降，而N2O轉(zhuǎn)化率先升后降，當(dāng)pH為5.8時(shí)可獲得最大轉(zhuǎn)化率，證明過低的pH會(huì)抑制NOR活性，導(dǎo)致N2O產(chǎn)量減少。

③在pH為5.8、FNA為0.16~0.84mg/L條件下，N2O轉(zhuǎn)化率與FNA濃度具有正相關(guān)關(guān)系，而過高的FNA濃度會(huì)抑NOR活性，導(dǎo)致N2O產(chǎn)量下降。（來(lái)源：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司西安分公司，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，、陜西省膜分離技術(shù)研究院陜西省膜分離重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）