N2O的排放以及影响因素

污水生物脱氮中N2O的产生及影响因素李晓玲(上海师范大学生命与环境学院,上海200234)摘要：研究发现，在污水生物脱氮的过程会产生一定量的N2O。N2O是一种强温室气体，对温室效应的贡献率远远大于传统温室气体CO2和CH4。为了防止在水处理中产生对大气具有二次污染的气体，有必要对污水的脱氮过程进行研究。本文立足于研究新型生物脱氮工艺中会影响N2O的产生的各个因素（pH、DO、盐度、菌种），力求通过控制工艺条件将N2O的产生量控制在最小的范围。关键字：生物脱氮、pH、DO、盐度、菌种。N2OproductionandcontroltechnologyinbiologicalnitrogenremovalprocessesXiaolingLi(TheSchoolofLifeandEnvironmentalScience,ShanghainormalUniversity,200234)Abstract:Accordingtosomeinvestigations,N2Owouldbeproducedinbiologicalnitrogenremovalprocesses.N2O,akindofgreenhousegas,hadfarmoreinfluencethanCO2andCH4ongreenhouseeffect.It’snecessarytostudythebiologicalnitrogenremovalprocessesinordertoavoidthatthegasemissionfromtheseprocesseswouldpollutetheair.pH、DO、salinity、bacteriumwereconsideredinthisthesisastheinfluentfactorsinbiologicalnitrogenremovalprocesses.ThepurposewastominimizetheproductionofN2Obycontrollingtheconditionsintheartsandcrafts.Keywords:biologicalnitrogenremoval、pH、DO、salinity、bacterium0概述N2O，俗称笑气，已经被《京都议定书》认定为一种强温室气体，其对全球增温潜势分别为CO2和CH4的190～270倍和4～21倍。大气中N2O的体积分数每增加一倍,将会使全球地表气温平均上升1。C,并导致大气层中不同高度的臭氧体积分数减少10%~16%.有学者曾经计算过国内N2O的排放量，发现N2O释放量正以每年3%的速度增长，其对全球温室效应的贡献已达5%～6%[1]。N2O的排放源可以分为天然源和人为源[2]，污水生物脱氮是N2O产生的重要人为源之一[3]。1生物脱氮污水生物脱氮的目的是将水中的NO3－-N、NO2－-N和NH4+-N转化成N2，从而降低水体中的氮素含量。但是在氮素循环的过程会有少量的N2O产生，一般的的生物脱氮过程如下图1所示[4]。大量研究表明，在生物脱氮工艺中，硝化、反硝化代谢过程是N2O的主要产生源[5]-[8]。图1生物脱氮的过程硝化和反硝化过程产生N2O的机理不同。在硝化过程中，N2O视为硝化过程中第一个阶段的中间产物出现，可能生成的途径有两个，一个是由于亚硝酸盐的累积导致硝化菌利用氨氮氧化所提供的电子经异化还原产生N2O而释放。另一个是由于亚硝酸盐或氨氧化的中间产物由于羟胺的作用而导致的化学分解[9]。在反硝化过程中N2O的产生主要取决于NOS酶的活性。2影响因素在污水生物脱氮的过程中，很多因素会影响N2O的产生量，其中包括一些外部实验条件因素和内部因素。下面将列举几个公认的影响因子。2.1pH1998年，DiemoDaum等人在无土培养黄瓜的实验中发现pH值在不同的范围内，反应器中产生和排放的N2O的含量也不同[10]。研究发现，当pH值有4变化到7时，系统中氮素的损失率也从1.6%上升到了21.1%，同时N2O/N2的比率关系和氮素的损失率成正相关。研究发现，在pH为中性的条件下，氮素主要以N2的形式损失，而当pH为酸性时，氮素主要以N2O的形式损失，结果见图2-1和图2-2。图2-1氮素损失和pH之间的关系图2-2氮素损失和pH之间的关系2.2溶解氧张静蓉等利用控制系统中溶解氧的方法控制系统中NO2-N的含量来研究DO对N2O产生的影响[11]。研究发现，N2O的释放量随着溶解氧含量的变化而变化。不同的溶解氧条件下，N2O的产生和释放量也不同，出现一个先上升后下降的趋势，见图3。综合考虑后发现，当溶解氧水平分别在1.5和1mg/l的时候，短程硝化反硝化和同步硝化反硝化中N2O的释放量最低。而这个实验结果刚好也符合刘秀红等在2008年所做的DO对生活污水硝化过程中N2O产生的影响的实验中所作出的当溶解氧水平保持在1.5mg/l的水平N2O产量尽可能的最低和脱氮和工艺效率尽可能最大化的预计[12]-[14]。图3不同溶解度条件下短程硝化反硝化脱氮过程中N2O的释放量2.3盐度尚会来等在生活污水生物脱氮过程中N2O产生的研究中发现当系统中盐度不同的候，系统产生的N2O的释放量也不同[15]。研究发现，盐度越大，N2O的产生量越大，转化率也越大，与此同时比氨氧化速率就越小。同时发现，在同一盐度下，释放的N2O的量会增大而溶解的N2O的量会减小，见图4。研究者对此现象做出的解释是盐度会抑制硝化作用，导致系统硝化不完全，引起亚硝酸盐的积累而导致N2O产量的增加。另一方面，高盐度会抑制细菌体内N2O还原酶NOS酶的活性，引发N2O产量和转化率的升高。而Weissenbacher等（2007）在同步硝化反硝化的研究中也发现，当NO2－-N积累达到5mg/l时，N2O的释放和亚硝酸盐的积累呈很好的相关性．他们认为在常规反硝化过程产生的N2O量是比较少的，只有当反硝化反应链由于NO2－-N的积累而被抑制阻断时，才会产生大量的N2O。这个结论与实验所得的N2O和盐度之间的关系图也有一定的关系，图四显示，当盐度在2.5-7.5mg/l时，N2O的产生量基本不变而盐度从5mg/l变化到7mg/l时，比氨氧化速率明显降低，N2O转化率明显上升，说明在该过程中，NO2－-N积累过多而抑制氨氮氧化。同时，许多研究土壤中N素循环的学者发现，当土壤中N素含量较多是，产生的N2O量也会随之增加[16]-[19]。图4不同盐度下N2O的产量、转化率和比氮氧化速率2.4菌种很多研究通过调节工艺参数来提高脱氮菌群中N2O还原酶NOS酶的活性，但是，工艺参数的控制不能从根本上解决某些脱氮菌群中缺少氧化亚氮还原酶的事实，所以很难从根本上实现控制N2O的排放问题。只有通过筛选出具有高氧化亚氮还原活性的微生物才能从根本上解决这个问题。尹明锐等通过筛选发现一种WYLW1-6的菌株具有反映启动快，氨氮去除速率大，总氮去除率高，N2O释放量小的特点。研究发现，WYLW1-6菌株的氧化亚氮逸出率仅占总氮的0.598%[20]。3结论经过大量的研究发现，影响硝化、反硝化代谢过程中N2O产生的因素主要为以上四个方面。因此，通过控制工艺参数和选用高性能的微生物可以降低系统N2O的逸出。（1）将实验条件控制在pH为中性，溶解氧控制在1-1.5mg/l，控制盐度小于5mg/l，污水生物脱氮中产生的N2O量最少。（2）通过实验筛选出具有更高还原N2O的性能的菌株才能从根本上解决N2O的逸出问题。4展望在许多实验中发现N2O的产生可能于NO2－-N的积累有关，但是都是一些假设，没有明确提出两者间的关系。在后期的探索中可以朝建立N2O逸出量和亚硝酸盐量之间的函数模型发展，探索是否可以定量的确定出两者之间的关系。其次，N2O的产生是由于NOS酶受到抑制或不足，可以考虑在质粒上加上一段NOS酶显示基因后培养观察是否可以增加NOS酶量以及活性。5参考文献[1]SuWeihan,SongWenghi,1990.AprimaystudyofnitrousoxideemissioninagricultureregionofNorthernChina.Journalofenvironmentsciences,2(4):85-94.[2]王少彬,苏维瀚,1992.中国地区氧化亚氮排放量及其变化的估算.环境科学,14(3):44-46.[3]Liuxiuhong,PengYi,2007.Nitrousoxideproductionduringnitrogenremovalformdomesticwastewaterinlab-scalesequencingbatchreactor.Journalofenvironmentsciences,20(6):641-645.[4]耿军军,王亚宜等,2010.污水生物脱氮革新工艺中强温室气体N2O的产生及微观机理.环境科学学报,30(9):1729-1737.[5]林琳,堵国成等,2003.厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展.工业微生物,32(2):51-54.[6]刘俊女,汪萍等.废水脱氮过程中N2O的控逸理论及研究进展.北京工商大学学报（自然科学版）,2005,23(6):14-19.[7]江德爱,唐懿达等,1987.不同条件对土壤反硝化作用的影响.环境科学,10(3):13-17.[8]Hee-LaLee,Jar-HoBae,Kwang-MyeungCho,2001.Simultaneousnitrificationanddenitrificationinamixedmethanotrophicculture.BiotechnologyLetters,23(3):935-941.[9]王赛，王淑莹等,2010.新型生物脱氮工艺中N2O产生及释放研究进展.水处理技术,36(3):5-9.[10]DiemoDaum,ManfredKSchenk,1998.InfluenceofnutrientsolutionpHonN2OandN2fromasoillessculturesystem.PlantandSoil,203(1):279-287.[11]张静蓉,王淑莹等,2009.污水短程硝化反硝化和同步硝化反硝化生物脱氮中N2O释放量及控制策略.环境科学,30(12):3624-3629.[12]刘秀红,彭轶等,2008.DO浓度对生物污水硝化过程中N2O产生量的影响.环境科学,39(3):660-664.[13]朱萍萍,李平等,2010.SBR生物脱氮过程中N2O释放的影响因素研究.中国给水排水,26(9):18-21.[14]NMorley,EMBaggers,2010.CarbonandoxygencontrolsonN2OandN2productionduringnitratereduction.SoilBiologyandBiochemistry,42:1864-1871.[15]尚会来,彭永臻等,2009.盐度对污水硝化过程中N2O产量的影响[J].环境科学,30(4):1079-1083.[16]P.B.Mcmahon,K.F.Dennkhy,1999.N2Oemissionsfromanitrogenenrichedriver.EnvironmentScienceTechnology,33(4):21-25.[17]FinnpVinther,1984.TotaldenitrificationandratiobetweenN2OandN2duringthegrowthofspringbaley.PlantandSoil,76(4):227-232.[18]WangShaobing,SongWenzhi,1995.Nitrousoxideevolutionfromagriculturesoil:aregressionapproach.AdvanceinatmosphericSciences,12(1):114-120.[19]FanXiaohui,2004.N2O