（环境工程专业论文）缺氧好氧生物脱氮过程中Nlt2gtO的逸出规律研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 n 2 0 不仅是一种重要的温室气体，还参与平流层中臭氧的破坏，已成为影响 自然生态系统、威胁人类生存基础的重大问题。废水处理过程是n 2 0 的重要排 放源之一，n 2 0 既产生于硝化过程也产生于反硝化过程。因此，积极的研究生物 脱氮过程中n 2 0 的产生机制及控制具有重要的现实意义。本论文基于缺氧一好氧 s b r 反应器，研究了硝化和反硝化过程中n 2 0 的释放规律，并建立了与n 2 0 释 放关系密切的功能基因的克隆文库，为从微生物种群结构方面调控n 2 0 的逸出 提供了基础数据。一 试验结果表明，缺氧好氧s b r 反应器稳定运行期间，污泥沉降性能良好， 沉降比为1 8 2 0 ；系统对污染物的去除效果良好，c o d 、氨氮、总氮和总磷的 平均去除率分别为9 3 6 、9 6 、4 7 8 和8 5 2 。 典型周期内，c o d 的降解主要发生在搅拌阶段的前6 0 m i n 内，搅拌阶段前 3 0 r a i n ，反硝化反应迅速，至搅拌第3 0 m i n ，n 0 3 。- n 降至o 4 4 m g l ，而n 0 2 - n 浓度达到最大值为4 3 0 m g l 。搅拌末期，混合液中几乎监测不到n 0 2 - n 。n 阻+ n 的降解主要发生在好氧阶段，经过1 5 0 m i n 的好氧硝化，氨氮的浓度降至o ，n 0 2 - n 在曝气段的第1 2 0 m i n 达到最大值( o 8 2 m g l ) ，周期第3 1 0 m i n 时，混合液中 n 0 2 n 几乎被完全氧化，此时n 0 3 - n 的浓度达到最大。 d o 、p h 和o r p 三者的变化与污染物浓度的变化在时间上基本吻合呈对应 关系，可作为以后研究中搅拌、曝气反应控制参考时间。 n 2 0 的释放主要发生于曝气阶段，即好氧硝化作用过程。搅拌阶段，即缺氧 反硝化过程释放的n 2 0 远远小于曝气阶段的释放量。s p s s 统计软件分析表明好 氧硝化阶段混合液中n 0 2 - n 的浓度和n 2 0 的释放量之间具有显著的正相关性， 相关系数的s 遍为0 0 1 7 。搅拌阶段n 2 0 的释放速率在o 0 1 - 0 2 0 m gm i n 1m 。之间， 曝气阶段n 2 0 的释放速率在0 1 7 5 2 6 m gm i n dm 刁之间。 对六种d n a 提取方法进行了评价，结果显示，不同的提取方法得到的d n a 的浓度和纯度各不相同，其中方法i i i 得到的d n a 的a 2 6 0 a 2 8 0 接近1 8 0 ，纯 度最高。对其d g g e 图谱进行聚类分析发现六种提取方法之间的相似性均达到 7 4 以上。 山东大学硕士学位论文 引物浓度、t a q 酶量、m 9 2 + 浓度、d n a 模板稀释倍数、退火温度和循环次 数对p c r 扩增的特异性影响较大。对p c r 扩增体系和条件进行了优化：引物浓 度0 3 i t m ，t a q 酶o 5 u ，m 9 2 + 浓度2 m m ，d n a 稀释倍数5 ，退火温度5 2 。c ，3 4 个循环。 克隆文库分析结果显示，a m o a 基因文库绝大多数序列归为d 变形菌纲，所 占比例为9 1 3 。n i t r o s o m o n a ss p 为系统中含有a m o a 功能基因的优势菌种，在 氨氮转化为羟胺的过程中起着主导作用。n o s z 基因多样性较为丰富，含有 a - p r o t e o b a c t e r i a 纲的红杆菌属( r h o d o b a c t e r ) 和固氮螺茵属( a z o s p i r i l h t m ) 、 f l - p r o t e o b a c t e r i a 纲的纤发菌属( l e p t o t h r i x ) 和固氮弓菌属( a z o a r c u s ) 及 y - p r o t e o b a c t e r i a 纲的假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) ，最大的细菌类群归属为 f l - p r o t e o b a c t e r i a 纲的丛毛单胞菌科( c o m a m o n a d a c e a e ) 。 关键词：废水生物脱氮，n 2 0 ，p c r 扩增，功能基因，克隆文库 2 山东大学硕士学位论文 ab s t r a c t n 2 0i sn o to n l ya l li m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s ，a n da l s oc o n t r i b u t et oo z o n e d e s t r u c t i o ni nt h es t r a t o s p h e r e ，a n di th a sb e c o m et h em a j o ri s s u ei n f l u e n c i n gt h e n a t u r a le c o s y s t e ma n dt h r e a t e n i n gt h es u r v i v a lo fm a n k i n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s sp o t e n t i a l l yc o n t r i b u t e st on 2 0e m i s s i o n ，w h i c hc 孤b ep r o d u c e di nt h ep r o c e s s o fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n 勰w e l l t h e r e f o r e ，a c t i v es t u d yo np r o d u c t i o n m e c h a n i s ma n dc o n t r o lo fn 2 0i nb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s si so fi m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i ss t u d y , a n o x i c a e r o b i cs b rr e a c t o rw a ss e tu pt 0 i n v e s t i g a t et h ee m i s s i o no fn 2 0i nn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s c o l o n y l i b r a r yo ff u n c t i o n a lg e n ei n c l o s e r e l a t i o n s h i p w i t hn 2 0e m i s s i o nw a sa l s o c o n s t r u c t e d ，w h i c hp r o v i d e df u n d a m e n t a ld a t af o rt h er e g u l a t i o na n dc o n t r o lo fn 2 0 r e l e a s ei nt h ew a yo fm i c r o b i a lp o p u l a t i o ns t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c t i v a t e ds l u d g ei na n o x i c - a e r o b i cs b rr e a c t o rh a sa g o o ds e t t l e m e n td u r i n gs t a b l eo p e r a t i o nw i t hs v 3 018 2 0 t h es y s t e mw a se f f e c t i v e t or e m o v ep o l l u t a n ta n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t e sf o r fc o d ，a m m o n i an i t r o g e n ，t o t a l n i t r o g e na n d t o t a lp h o s p h o r u sw e r e9 3 6 、9 6 、4 7 8 a n d8 5 2 ，r e s p e c t i v e l y i nt h es t i r r i n gp h a s eo fat y p i c a lc y c l e ，c o dd e g r a d a t i o nm a i n l yo c c u r r e di nt h e f i r s t6 0 m i na n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e e d e df a s ti nt h ef i r s t3 0 m i n a tt h e3 0 t hm i n ， n 0 3 。- nc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dt oo 4 4 m g l ；a n dn 0 2 - nc o n c e n t r a t i o nr e a c h e dt h e m a x i m u mo f4 3 0 m # l ，w h i l ea l m o s tc o u l dn o tb em o n i t o r e da tt h ee n do ft h ep h a s e n t - h + - nw a sm o s t l yd e g r a d e di nt h ea e r o b i cn i t r i f i c a t i o na n di t sc o n c e n t r a t i o nf e l lt o0 a f t e r1 5 0r a i n i nt h ea e r o b i cp h r a s e ，n 0 2 - nr e a c h e dt h em a x i m u mc o n c e n t r a t i o no f o 8 2 m g la tt h e1 2 0 t hm i na n da tt h e31 0 t hm i n t h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 3 。- nw a s m a x i m u mw h e nn 0 2 - nw a sa l m o s tc o m p l e t e l yo x i d i z e d t h ev a r i a t i o n so fd o ，p ha n do r pw e r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ec h a n g e so f p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n sw i t hc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s ，w h i c h c o u l db eu s e d 弱 r e f e r e n c eo fs t i r r i n ga n da e r o b i cr e a c t i o nt i m ei nt h ef o r t h c o m i n gs t u d y n 2 0m a i n l ye m i t t e di nt h ea e r o b i cn i t r i f i c a t i o np h r a s ea n dt h ee m i s s i o ni nt h e 3 山东大学硕士学位论文 a n o x i cd e n i t r i f i c a t i o np h r a s ew a sf a rl e s st h a nt h a tf r o ma e r a t i o n s p s ss t a t i s t i c a l a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 f - na n dt h ee m i s s i o no fn 2 0h a sa s i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h es i g o fc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to 0 1 7 t h e e m i s s i o nr a t ew a s0 0 1 0 2 0 m gr a i n lm 。3i ns t i r r i n gp h r a s ea n d0 1 7 5 2 6 m gm i n tm 3 i na e r o b i cp h r a s e s i xd n ae x - t r a c t i o nm e t h o d sw e r ee v a l u a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e c o n c e n t r a t i o na n dp u r i t yo fd n ae x t r a c tf r o md i f f e r e n tm e t h o d sw e r ed i f f e r e n t a 2 6 0 a 2 8 0o ft h ed n ae x t r a c t e db ym e t h o d1 1 1w a sc l o s et o1 8 0w i t ht h eh i g h e s t p u r i t y t h ec l u s t e ra n a l y s i so fd g g ep a t t e m sf o rt h es i xm e t h o d ss h o w e dt h a tt h e s i m i l a r i t i e sb e t w e e nt h e ma l eu pt o7 4 p r i m e rc o n c e n t r a t i o n ，t a qe n z y m e ，m 9 2 + c o n c e n t r a t i o n ，d n at e m p l a t ed i l u t i o n a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n dc y c l en u m b e ra l lh a v e s p e c i f i ci m p a c t o np c r a m p l i f i c a t i o n t h eo p t i m i z e ds y s t e ma n dc o n d i t i o n sw e r e ：p r i m e rc o n c e n t r a t i o n 0 3 9 m ，t a qe n z y m e0 5 u ，m 9 2 + c o n c e n t r a t i o n2 m m ，m u l t i p l eo fd n ad i l u t i o n5 ， a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e5 2o ca n d3 4c y c l e s c l o n el i b r a r ya n a l y s i ss h o w e dt h a t9 1 3 o fa m o ag e n ec l o n e sw e r ec l a s s i f i e d a sf l - p r o t e o b a c t e r i aa n dn i t r o s o m o n a ss p w a st h ed o m i n a n tb a c t e r i ac o n t a i n i n ga m o a f u n c t i o n a lg e n ew h i c hm a y p l a yal e a d i n gr o l ei nt h ec o n v e r s i o no fa m m o n i an i t r o g e n i n t o h y d r o x y l a m i n e t h ed i v e r s i t yo fn o s zg e n ew a sa b u n d a n tw h i c hi n c l u d e d r h o d o b a c t e ra n da z o s p i r i l l u mo fa - p r o t e o b a c t e r i a ，l e p t o t h r i xa n da z o a r c u so f 妒r o t e o b a c t e r i a ，a n dp s e u d o m o n a so fy - p r o t e o b a c t e r i a t h el a 玛e s tg r o u pc o u l db e c l a s s i f i e da sc o m a m o n a d a c e a eo fb - p r o t e o b a c t e r i a k e y w o r d s ：b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lo fw a s t e w a t e r , n 2 0 ，p c ra m p l i f i c a t i o n ， f u n c t i o n a lg e n e ，c o l o n yl i b r a r y 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鸯垃 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 窑嵌导师签名： 期： 山东大学硕士学位论文 1 1n 2 0 及其环境效应 第一章绪论 n 2 0 是大气中一种重要的痕量气体，对全球环境及气候变化具有重要的影 响，主要体现在能使全球气候变暖和臭氧层破坏两个方面。 n 2 0 是大气中仅次于c 0 2 和c h 4 的重要的温室气体，能够强烈的吸收红外 线，减少地表通过大气向外空的热辐射，从而导致温室效应。n 2 0 在对流层中性 质稳定，滞留时间可达1 5 0 年，增温潜力巨大f 。其增温作用约为c 0 2 的1 9 0 3 0 0 倍，c h 4 的4 2 l 倍，n 2 0 对全球温室效应的贡献约占5 - 6 。大气中n 2 0 的浓 度每增加一倍，将导致全球升温0 3 c 1 2 1 。 n 2 0 还是破坏臭氧层、导致臭氧层空洞的因素之一。n 2 0 一旦进入平流层就 会经过一系列的光化学反应生成n o ，消耗0 3 ，影响0 3 的光化学平衡，从而导 致臭氧层破坏和消耗3 1 ，使人类的生存健康受到威胁。研究发现，大气中n 2 0 的 体积分数每增加一倍，将使大气层中臭氧体积分数减少1 0 ，且到达地面的紫外 线辐射强度会增加2 0 4 1 。 此外，在平流层底部，n 2 0 受太阳能辐射生成的n o x 在一定条件下产生光 化学烟雾和酸雨。 由此可见，n 2 0 与全球变暖、臭氧层破坏和酸雨三大环境问题息息相关。 i p c c ( 世界各国政府间气候变化委员会) 已将其列为影响自然生态系统、威胁 人类生存基础的重大问题。资料显示，自工业革命以来，由于人类活动的影响， 大气中n 2 0 的浓度急剧增加，已由工业革命前的2 8 0 n l l 增至3 1 0 n l l 左右， 至今仍以每年o 2 0 3 的速率增长【5 1 。大气中n 2 0 含量的上升已经成为特别关注 的全球环境问题，积极的研究n 2 0 的产生机制及控制具有重要的现实意义。 1 2 废水生物处理过程中n 2 0 的释放 1 2 1 氮素污染及废水生物脱氮技术 氮是所有生物必需的营养元素，水体中的氮主要以无机氮和有机氮两种形式 存在。无机氮包括氨、硝酸盐和亚硝酸盐，有机氮包括尿素、氨基酸、蛋白质、 山东大学硕士学位论文 核酸等含氮有机物，其中有机氮可通过氨化等作用转化为氨氮。氮的转化主要是 通过生物作用，包括生物固氮、氨的同化、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和 异化性硝酸盐还原作用。随着人们生活水平的提高和城市化进程的加快，废水中 氮的含量不断增加，引起氮素循环的失衡，导致中间产物的积累，从而造成氮素 污染。 大量的氮素随污水进入水体，特别是流动缓慢的湖泊、海湾，可造成水体富 营养化，不仅破坏了水体的生态平衡，使水环境质量恶化，还对水生生物及人类 造成严重的危害。其危害主要体现在以下方面： ( 1 ) 水生植物和藻类过度生长，并覆盖水体表面，造成水体透明度降低， 影响水中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游生物的大量繁殖，消耗了水中 大量的溶解氧，造成水体缺氧状态。 ( 2 ) 水生植物死亡后沉入水底加快了湖底的抬高，造成湖泊的老化。 ( 3 ) 某些藻类能够分泌和释放有毒物质，可使鱼、贝类中毒死亡。 ( 4 ) 此外若以富营养化水体为水源，藻类不仅能堵塞滤池从而影响水厂生 产，而且所产生的毒素和气味物质也会影响饮用水的质量。 对于氮素污染的治理，国内外常见的工程技术有空气吹脱法、选择性离子交 换法、折点氯化法、磷酸氨镁沉淀法、生物脱氮法等。其中物化脱氮法成本较高， 且通常只能去除氨氮。生物脱氮技术是通过微生物的硝化和反硝化作用来实现 的。硝化作用是指在好氧条件下，由氨氧化细菌将氨氮氧化为亚硝氮，再由亚硝 酸盐氧化细菌将亚硝态氮氧化为硝态氮。反硝化作用是指硝态氮、亚硝态氮在反 硝化细菌作用下被还原为氮气并从水中逸出。生物脱氮被证明是最经济有效的治 理技术。 近些年来，水体富营养化已经成为一个全球性的水环境污染问题。据统计， 全球约有7 5 以上的封闭型水体存在富营养化的问题【6 】。随着水体富营养化程度 的加剧，越来越多的国家和地区对脱氮提出了更高的要求，使得生物脱氮的研究 更加深入，不仅产生了许多生物脱氮新工艺，如短程硝化反硝化( s h a r o n ) 工 艺、短程硝化厌氧氨氧化( s h a r o n - a n a m m o x ) 工艺、好氧脱氮工艺、基于亚硝 酸盐的全自养型氮去除( c a n o n ) 工艺、氧限制自养型硝化反硝化( o l a n d ) 工 艺m ，同时还发现污水生物脱氮过程会产生n 2 0 这种温室气体【8 】on 2 0 的问题使 6 山东大学硕士学位论文 得人们在注重生物脱氮的“量”的同时开始逐渐关注生物脱氮的“质。 1 2 2 废水生物脱氮过程中n 2 0 的释放量 污水的生物处理过程被认为是n 2 0 一个重要的人为源。根据k h a l i l 和 r a s m u s s e n 对全球n 2 0 产生源的估计，污水处理过程n 2 0 年释放量为( o 3 3 0 ) 1 0 1 2 k g ，占全球n 2 0 总释放量的2 5 2 5 昭9 】。美国e p a 统计资料表明，1 9 9 9 年美国废水处理过程中n 2 0 排放量达到了1 7 8 1 0 9 k g ，比1 9 9 0 年增nt 1 3 蚶1 们。 c z e p i e l 掣1 1 】对美国新罕布什尔州德尔罕镇污水处理厂的研究发现，该污水 处理厂年处理污水1 1 1 0 9 l ，n 2 0 的年释放总量为3 5 x1 0 4 9 ，据此计算得出，一 级处理系统和二级处理系统n 2 0 年释放通量分别为1 6 1 0 。6 和3 1 l o 。奄l 1 ；根 据该地区的人口亦可估算得到n 2 0 人均年释放量为3 2 9 ( 人a ) 。利用上述的年释 放通量和人均年释放量，可对全国范围内污水处理释放的n 2 0 进行定量。 k i m o e h i 等人【1 2 1 对日本千叶地区的一个的污水处理厂释放的n 2 0 进行了研 究，该厂处理工艺为间歇活性污泥法，结果显示n 2 0 人均年释放量在 o 4 3 - 1 8 9 9 ( 人a ) ，低于c z e p i e l 等人的研究结果，作者人为这可能是由于处理工 艺、设施规模等因素引起的。 日本东京大学h i r o k ii t o k a w a 教授在对粪便污水处理厂排放n 2 0 的研究基础 上，估计日本此类处理排放n 2 0 总量约为( o 1 3 1 3 ) x1 0 6 k g a 1 们。 j u n g - j e n gs u 等人【1 3 1 对位于台湾北部、中部、南部的三个养猪场和奶牛场所 排放的温室气体进行了研究，结果显示，猪和牛排放n 2 0 的平均值分别达到o 0 0 2 和o 0 1 1 k g ( 头a ) ，由此推算出2 0 0 0 年台湾养猪业和奶牛养殖业排放的n 2 0 总 量分别为2 0 x1 0 9 和1 2 1 0 1 。 目前，关于我国实际污水处理厂中n 2 0 的释放问题还未见报道【8 1 。 1 2 3n 2 0 的产生机理 废水生物脱氮包括硝化和反硝化过程。研究证明，n 2 0 既可在硝化过程产生 【1 4 ，1 5 1 ，又可在反硝化过程产生 1 6 , 1 7 】。n 2 0 通常被认为是不完全硝化作用或不完全 反硝化作用的产物 1 8 , 1 9 删。 1 2 3 1 硝化过程n 2 0 的产生途径 传统的硝化反应是n h 4 + 在好氧条件下被氧化为n 0 3 的过程，包括亚硝化和 硝化两步，分别由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌完成。图1 1 显示了硝化反应的主 7 山东大学硕士学位论文 要生物化学过程。过程中参与的酶主要有氨单加氧酶( a m m o n i am o n o o x y g e n a s e ， a m o ) 、羟氨氧化还原酶( h y d r o x y l a m i n eo x i d o r e d u c t a s e ，h a o ) 和亚硝酸氧化 还原酶( n i t r i t eo x i d o r e d u c t a s e ，n o r ) 。 n 2 0 n 2 0 il n i - - 1 4 七竺m 王2 b h n o h 旦坠生n 0 2 塑坠n 0 3 匕- n h 2 0 h n o h 一 = 二：二一 i 鐾金n 2 0 ：h 2 查堡n 2 0 + h 2 0 图1 1 硝化反应的主要生物化学过程 由图可以看出，n 2 0 既不是硝化反应的中间产物也不是最终产物，因此推测 它应该是这一过程的副产物，而且n 2 0 的生成主要集中在亚硝化过程。目前普 遍认为在硝化过程中通过以下几种方式 ( 1 ) 羟胺( n h 2 0 h ) 的氧化过程：在好氧条件下，当系统中n i - 1 3 n h 4 + 浓 度过高或p h 过高时，亚硝化过程的第一个中间体n h 2 0 h 就会发生累积，进而 在羟胺氧化还原酶的作用下氧化生成n 2 0 。但目前还缺乏对这一生物化学过程的 确切描述。 ( 2 ) 硝酰基( n o h ) 的非生物反应：在好氧条件下，亚硝化过程的第二个 中间体n o h 通过双分子聚合反应生成次亚硝酸盐，进而水解生成n 2 0 逸出。但 在缺氧条件下这个过程不会发生，因为在缺氧条件下不存在分子态氧，n h 4 不 能被氧化生成n o h ，因而也就无法生成n 2 0 。 ( 3 ) 自养硝化菌的反硝化作用：硝化菌的反硝化过程，首次在1 9 8 5 年被证 实。当系统中的分子氧作为限制性因素存在时，硝化过程无法彻底进行，由于的 n 0 2 进一步氧化受到抑制，会造成系统中n 0 2 的累积，并对微生物产生毒性效 应。为避免n o r 在细胞内的积累，氨氧化菌在将n h 4 + 氧化为n 0 f 的同时，会产 生异构亚硝酸盐还原酶，利用n 0 2 - 作为电子受体产生n 2 0 1 2 1 盈】。 ( 4 ) 好氧反硝化菌的存在：除了上述硝化菌的反硝化作用外，好氧反硝化 菌的存在也可能是造成好氧条件下n 2 0 产生的原因之一。a n d e r s o n 【2 3 1 和g u p t a 2 4 】 等人研究发现至少有四种菌在好氧条件下能将n 0 3 或n 0 2 。还原成n 2 0 和n 2 。 l l o y d 2 5 】等人发现反硝化菌在好氧条件还原n 0 3 生成的n 2 0 比缺氧条件下多得 多，而产生的n 2 却减少了，这可能是由于氧气对n 2 0 还原酶的抑制造成的。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 异养菌的硝化作用：近年来的研究发现，许多异养型的微生物也可以 进行硝化作用。1 8 9 4 年s t u t z e 2 6 1 首次提出异养硝化过程的存在，从而改变了硝化 过程只是由无机自养菌完成的传统观点。p a p e n 【2 7 】等人研究发现，在可比条件下， 异养硝化释放的n 2 0 要比自养硝化高出两个数量级。a n d e r s o n 2 3 l 和b l a n k r n e r l 2 8 】 研究发现，异养硝化菌的n 2 0 产生量较高，并且部分异养硝化菌适宜的生长环 境，如低d o 、低s r t 及酸性条件等，与硝化过程中n 2 0 释放的环境条件也极 为相似。 1 2 3 2 反硝化过程n 2 0 的产生途径 生物反硝化作用是在缺氧或厌氧条件下，由兼性好养菌和好氧微生物还原氮 氧化物的过程。反硝化的过程如图1 2 所示。 n 0 3 型生n 0 2 l ln o 型生n 2 0 生n 2 图1 2 反硝化过程及参与的酶 由此可见，催化反硝化过程的酶有4 种：硝酸还原酶( n i t r a t er e d u e t a s e ，n a r ) 、 亚硝酸还原酶( n i t r i t er e d u c t a s e ，n i r ) 、一氧化氮还原酶( n i t r i co x i d er e d u e t a s e ， n o r ) 和氧化亚氮还原酶( n i t r o u so x k l e r e d u e t a s e ，n o s ) 。与硝化过程不同，n 2 0 是反硝化过程的中间产物。在上述反硝化过程中，n o r 、n o 、n 2 0 等中间产物 以及n 2 最终产物都有可能出现。 在反硝化过程中，对n 2 0 的产生量起关键作用的酶为n o s 。n o s 是一种可溶 性蛋白质，其活性中心大多数含有铜元素，n o s 含有一个c u a 电子进入位点和 一个c u z 催化中心，其中c u z 中心与n 2 0 还原酶的催化活性密切相关，但活性 中心的结构形式多样，其氧化还原性、光谱特性、酶活性等有较大差异【鸪3 0 1 。生 物反硝化过程产生n 2 0 的原因有可能是，不利的环境条件可影响n o s 的活性， 使得n o s 活性降低或者丧失，从而抑制反硝化过程的完成，使得反硝化过程中 产生的n 2 0 不能被进一步还原，导致n 2 0 的积累。例如，n 2 0 在低d o 浓度下 会取代n 2 成为反硝化的最终产物，这是因为n o s 是反硝化中对氧气最为敏感的 酶，并最终导致n 2 0 的积剥3 1 1 。0 t t e 等人1 3 刁认为，n o s 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，从而使n o s 的活性受到 抑制，引起n 2 0 的积累，而当外界电子供体充足时，n o s 的活性得到恢复，生 成的n 2 0 顺利转化成n 2 ，从而避免了n 2 0 的逸出。 9 山东大学硕士学位论文 此外许多研究发现，部分反硝化微生物，如r o s e o b a c 招，d e n i t r i f i c 删【3 3 1 、 f l u o r e s c e n tp s e u d o m o n a d s 3 4 】、p s e u d o m o n a ss t u t z e r i 和p a r a c o c c 甜sd e n i t r i f i c 死驴疆【3 5 】 不具备n o s 系统，其终产物为n 2 0 ，不具备进一步将n 2 0 还原为n 2 的能力，因 此对这些菌种来说，反硝化过程中n 2 0 的逸出是不可避免的。r o b e r t s o n 3 6 - 1 等人 认为每种反硝化菌不具有完成以上全部过程的酶系统，它们只参与部分反硝化过 程，有的产生n 2 和n 2 0 的混合物，有的只产生n 2 0 。而张朝晖等人【3 7 1 则认为在 反硝化系统中，以n 2 0 作为终产物的反硝化菌很少，大多数菌种都是以n 2 作为 反硝化终产物，菌种的影响不是导致n 2 0 逸出的主要原因，因为在保证反硝化 顺利进行的情况下，n 2 0 的逸出几乎可以完全避免。 1 2 4 影响n 2 0 释放的因素 近年来，国内外开展了一些关于不同因素对n 2 0 释放影响的研究，通过这 些研究，以期能通过选择和控制最佳的环境因素和工艺参数来达到控制n 2 0 逸 出的目的，从而防止污水生物脱氮对大气环境产生的二次污染。 ( 1 ) d o 浓度 d o 是生物脱氮系统的重要因素之一，其浓度直接影响系统的硝化和反硝化 程度，从而对硝化过程及反硝化过程中n 2 0 产生量有较大影响。 参与硝化过程的氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的氧饱和常数不同，前者为 o 2 0 4 m g l ，而后者为1 5 m g l ，因此当d o 1 3 0 m g l ) 容易造成反应过程中n 0 2 。和n 0 3 。的积累，产生较多的n 2 0 ， 而低d o ( 2 0r e # l ) 下反应积累的硝化产物少，有利于氮的去除和n 2 0 排放量 的降低。阮文权等人同样发现，较高的溶解氧减少了同步硝化反硝化颗粒污 泥内部的反硝化区域，产生较多的n 2 0 ，控制d o 在1 - 2 m g l ，有利于减少n 2 0 的排放。 ( 2 ) c n 反硝化过程需要有机碳源提供电子供体，因此，系统的c n 将影响反硝化 进行的程度，进而可能对n 2 0 的释放产生影响。 y o u n gp a r k 等人【4 习发现，在缺氧相中，n 2 0 的平均释放速率随着c n 的增 加而降低。k i s h i d a n a o h i r o 等人 4 0 3 对养猪废水处理系统中c o d n 对n 2 0 逸出量 的影响研究得出，好氧硝化过程c o d n 对n 2 0 逸出量无影响，而反硝化过程 n 2 0 逸出量决定于c o d n ；反硝化过程b o d v q q 为2 6 时，n 2 0 的逸出量大约 是b o d v 2 q 为4 5 时的2 7 0 倍；结果表明通过调整最佳的泥水分离比或外加c 源 来稳定c o d n 是控制n 2 0 的有效方法。a l i n s a f i 等人1 4 7 1 同样发现，在反硝化过 程中，高c o d n 0 3 ( 5 或7 ) 时n 2 0 的产生量低，n o s 到n 2 的转化率高，n 2 0 - n n 与c o d n 0 3 - 成负相关。并认为c o d n 0 3 主要影响了n 0 2 的积累，从而抑制了 n 2 0 还原酶，导致n 2 0 的累积和释放。吕锡武等【艚】对同步硝化反硝化( s n d ) 工艺与顺序式硝化反硝化( s q n d ) 工艺的n 2 0 释放进行了对比研究，发现通过 提高碳氮比可有效地减少n 2 0 的排放。 对于低c n 导致n 2 0 大量逸出，其原因可能是碳源不足导致反硝化过程难 于彻底进行，反硝化菌为防止毒性物质( 如n 0 2 - 、n o 等) 在体内的累积，将 山东大学硕士学位论文 n 0 2 - 或n 0 3 仅还原成无毒的n 2 0 。这样既产生了能量用以维持自身的代谢与生 长，又降低了有毒物质的危害。因此，反硝化的终产物为n 2 的反硝化菌，在低 c n 条件下，也会释放n 2 0 ，而且产生量也较大。 ( 3 ) p h p h 不仅能对某些物质如游离氨和n h 4 + 的存在形态及浓度产生影响，而且还 可改变微生物的代谢途径。某一特定的微生物都对适宜的p h 范围有一定的要求。 t h o r n 等人【例在瑞典的污水处理厂研究得出p h 值的变化直接关系到n 2 0 逸 出量的变化，p h 值在5 - 6 之间对n 2 0 的产生量最大，p h 值在6 8 以上则几乎没 有n 2 0 的产生。h a n a k i 等人【1 8 1 发现在反硝化过程中，当p h 小于6 5 时，n 2 0 释 放量明显升高；而在高p h 值条件下，n 2 0 释放量较低。 对上述现象原因可能是由于p h 值对菌种产生了选择陛，即低p h 值下有利 于以n 2 0 作为反硝化终产物的菌种生长，也可能是p h 值的变化直接改变了反硝 化菌的正常代谢途径，从而导致了n 2 0 的累积【1 扪。而w i c h t l 5 0 1 却认为这种p h 值 和n 2 0 的相关性可能是由于低p h 值下形成的游离h n 0 2 对氧化亚氮还原酶的抑 制作用引起的。 ( 4 ) s r t 污水生物处理的主体是各种各样的微生物，其世代时间各不相同。s r t 对系 统中微生物的种群结构具有重要的影响，长s r t 有利于世代周期长的微生物的 生长，而短s b r 极易将这类微生物从系统中洗脱。 z h e n g 等发现，短s r t 可促进硝化污泥n 2 0 的产生。当系统的s r t 为3 d 时，转化成n 2 0 的比例高达1 6 ，当将污泥龄延长至1 0 d 时，转化成n 2 0 的比 例降至2 3 。 n o d a 等人【5 1 1 研究发现，在低s r t 条件下，硝化效率下降，好氧反应器中 n 2 0 的释放速率增加，s r t 为7 天时n 2 0 的释放速率约是s r t 为2 0 天时n 2 0 释放速率的l o 倍；同样，缺氧反应器中n 2 0 的释放速率随s r t 的减少而增加； 当系统处于长s r t 条件下运行时，进水中只有不到0 2 的氮转化为n 2 0 。 造成上述现象的原因可能是：低s r t 时，处理系统中世代时间较长的硝化 菌被淘汰，世代时间较短的硝化菌存留于系统中。由于硝化菌的生长速率比亚硝 化菌低得多，硝化菌在系统中得不到充分增长，使整个硝化过程的氮平衡遭到破 1 2 山东大学硕士学位论文 坏，导致n 2 0 大量逸出。因此，在污水生物脱氮系统中可通过控制适当的s r t ， 对硝化菌的菌群进行优化，使n 2 0 产生量得到进一步控制。 ( 5 ) n 0 3 。和n 0 2 - 的浓度 阮文权等人研究发现，在好氧颗粒污泥同步硝化反硝化反应2 h 后加入 n 0 2 和n 0 3 均会使反应产生大量的n 2 0 ，且其产量远远大于不加n 0 2 和n 0 3 。 的反应，正常条件下n 2 0 的产生量为s m g l ，而加入n 0 2 和n 0 3 。后在反应3 h 时n 2 0 质量浓度达到了7 5 m g l ：且同样的氮加入量，加入n 0 2 生成的n 2 0 量 要多于加入n 0 3 的反应。 w r a g e 掣明认为，在反硝化中n 0 3 浓度越高，产生的n 2 0 就越多，因为n 0 3 。 比n 2 0 更易于充当电子受体。m u r r a y 等【5 3 】发现，n 0 3 与n 2 0 的产量之间存在极 强的线性关系( r 2 = 0 9 8 5 ) 。a l i n s a f i 等人 4 7 1 发现，在反硝化过程中，n 0 2 的浓度 对n 2 0 的释放有直接的影响。进水中同时含有n 0 3 和n 0 2 时，n 2 0 的转化率最 高，达到1 4 4 。y o u n g 等人【4 5 1 针对间歇曝气的生物废水处理系统研究得出，无 论在好氧阶段还是在缺氧阶段，n 2 0 的产生速度都严重受剩余n o h 的影响。k i m 等【5 4 1 对同时异养自养反硝化作用过程中的n 2 0 进行了研究，发现n 2 0 的产生量 随进水硝酸盐浓度的减少而减少。在硝酸盐浓度为l s 0 0 m g l 的条件下，进水中 有2 5 - 4 0 的硝酸盐转化为n 2 0 ；而当硝酸盐浓度降为7 5 0 m g l 时，反硝化速 率均在9 8 以上，终产物中无n 2 0 ，同时指出，由于自养反硝化作用需消耗碱 度，因此，高硝酸盐浓度导致自养反硝化过程中碱度的不足，反硝化作用不彻底， 使反硝化过程中产生较多的n 2 0 。 ( 6 ) 其他影响因素 除上述研究较多的影响因素