CJEE , 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
Effects of nitrite and salinity on efficiency of denitrification phosphorus removal system and nitrous oxide emissions
吕 永涛 1,*, 党 文娟 1, 周 亦桥 1, 廖 正伟 2, 贺 酰淑 2 , 王 磊 1
Yongtao LYU, Wenjuan DANG, Yiqiao ZHOU, Zhengwei LIAO, Xianshu HE , Lei WANG
西安建筑科技大学环境与市政工程学院 西安 710055
School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology Xi'an710055China
陕西省水务集团水务科技有限公司 西安 710000
Shaanxi Water Affair Science and Technology Co. Ltd. Xi'an710000China
第一作者:吕永涛(1980—),男,博士,副教授,研究方向:污水处理与资源化。E-mail: hybos2000@126.com
*
通信作者
Received: 27 November 2017 / Accepted: 26 March 2018 / Published: 1 June 2018

Abstract

:
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。

Trans Abstract

:
The effects of nitrite and salinity on denitrifying phosphorus removal and nitrous oxide emissions were investigated by batch experiments. When the nitrite concentration increased from 15 to 25 and 40 mg·L−1, the phosphorus removal efficiency decreased from 68.81%±0.5% to 66.25%±1% and 62.88%±0.8%, and the total nitrogen removal efficiency decreased from 90.6%±0.7% to 74.55%±1.5% and 51.65%±2%. However, the nitrous oxide emissions increased from 8.82 to 13.83 and 17.06 mg, respectively. With the increase of salinity concentration from 0% to 0.5%, 1% and 2%, the total nitrogen removal efficiency decreased from 74.55%±1% to 68%±2% , 64.2%±1% and 54.3% ± 2.5%, and the phosphorus removal rates decreased from 66.37%±1.5% to 61.29%±1%, 50.47%±2% and 36.7%±0.5%. Correspondingly, 41.1%±1.5%, 41.4%±2.5%, 48.94%± 0.6% and 51.03%±2% of the total nitrogen was converted to nitrous oxide, respectively. In summary, the removal efficiency of nitrogen and phosphorus decreased simultaneously with the increase of the nitrite and salinity concentration, while the nitrous oxide emissions increased. Therefore, the optimum condition was when the nitrite and NaCl concentration were 25 mg·L−1 and 1%, which was better for both the nitrous oxide accumulation and the nitrogen and phosphate removal.
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)

中图分类号 X703
文献标识码 A
Citation 吕永涛,党文娟,周亦桥,等. 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.
Citation-en LYU Yongtao1, DANG Wenjuan, ZHOU Yiqiao, et al. 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
Crossmark 2018-04-27T05:49:58
AuthorMark 吕永涛
AuthorMarkCite 吕永涛,党文娟,周亦桥,廖正伟,贺酰淑,王磊
article-title NO2-N和盐度对反硝化除磷及N2O释放的影响
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。

  1. WARRICK R A, LE C P, MEIER M F, et al.Climate change 1995:The science of climate change[J]. Environment & Planning A,1996,25(5):43-55.
  2. 王淑莹,委燕,彭永臻,等.一种实现污泥消化液短程硝化过程中N2O产生与利用的方法:CN103739086A[P].2014-04-23.
  3. KERRN J P, HENZE M.Biological phosphorus uptake under anoxic and aerobic conditions[J]. Water Research,1993,27(4):617-624. [CrossRef]
  4. 张清华.污水生物脱氮处理工艺中N2O气体的调查与研究[D].西安:陕西科技大学,2016.
  5. THRID K A, BURNETT N, COED R. Simultaneous nitrification and denitrification using stored substrate (PHB)as the electron donor in an SBR[J]. Biotechnology and Bioengineering,2003,83:706-720. [CrossRef]
  6. 郭春艳.不同电子受体及pH值对聚磷菌代谢的影响[D].北京:北京工业大学,2011.
  7. SCHERSON Y D, WOO S G,CRIDDLE C S.Production of nitrous oxide from anaerobic digester centrate and its use as a co-oxidant of biogas to enhance energy recovery[J]. Environmental Science & Technology,2014,48(10):5612-5619. [CrossRef]
  8. 刘甜甜,刘牡,王淑莹,等.盐度耦合 FNA 对短程反硝化过程中 N2O 还原的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(8):3561-3568.
  9. ZHAO W, WANG Y, LIU S, et al. Denitrification activities and N2O production under salt stress with varying COD/N ratios and terminal electron acceptors[J]. Chemical Engineering Journal,2013,215(2):252-260. [CrossRef]
  10. ZHOU Y,PIJUAN M,YUAN Z G.Development of a 2-sludge,3-stage system for nitrogen and phosphorous removal from nutrient-rich wastewater using granular sludge and biofilms[J].Water Research,2008,42(12):3207-3217. [CrossRef]
  11. 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M]. 4版.北京:中国环境科学出版社,2002.
  12. LEMAIRE R, MEYER R, TASKE A, et al. Identifying causes for N2O accumulation in a lab-scale sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification,denitrification and phosphorus removal[J].Journal of Biotechnology,2006,122(1):62-72. [CrossRef]
  13. WANG Y, GENG J, REN Z, et al. Effect of anaerobic reaction time on denitrifying phosphorus removal and N2O production[J]. Bioresource Technology,2011,102(10):5674-5684. [CrossRef]
  14. WANG Y Y, ZHOU S, YE L, et al. Nitrite survival and nitrous oxide production of denitrifying phosphorus removal sludge oxide production of denitrifying phosphorus removal sludge batch reactors[J]. Water Research,2014,67:33-45. [CrossRef]
  15. 苗志加,薛桂松,翁冬晨,等.亚硝酸盐对聚磷茵反硝化除磷代谢及N2O产生的影响[J].化工学报,2013,64(6):2201-2206.
  16. 王亚宜,王淑莹,彭永臻,等.MLSS、pH及NO2-N对反硝化除磷的影响[J].中国给水排水,2005,21(7):47-51.
  17. 刘建广,付昆明,杨义飞,等.不同电子受体对反硝化除磷菌缺氧吸磷的影响[J].环境科学,2007,28(7):1472-1476.
  18. ZHOU Y N, PIJUAN M, ZENG R J, et al. Free nitrous acid inhibition on nitrous oxide reduction by a denitrifying-enhanced biological phosphorus removal sludge[J].Environmental Science & Technology,2008,42(22):8260-8265. [CrossRef]
  19. ZHOU Y, GANDA L, LIM M, et al. Free nitrous acid (FNA) inhibition on denitrifying poly-phosphate accumulating organisms (DPAOs)[J]. Applied Microbiology & Biotechnology,2010,88(1):359-369. [CrossRef]
  20. 尚会来,彭永臻,张静蓉,等.盐度对污水硝化过程中N2O产量的影响[J].环境科学,2009,30(4):1079-1083.