污水土地處理系統(tǒng)氧化亞氮的產(chǎn)生特征

1、污水土地處理系統(tǒng)氧化亞氮的產(chǎn)生特征 學(xué) 校： 學(xué) 院： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 摘要 氧化亞氮(N20)是大氣中的一種痕量氣體,也是一種重要的溫室效應(yīng)氣體,還可使臭氧層遭到破壞。大氣N2O濃度呈不斷上升趨勢(shì),其上升與人類活動(dòng)關(guān)系極大,對(duì)環(huán)境的潛在破壞性也愈加嚴(yán)重。土壤是N2O的重要產(chǎn)生源,污水土地中的硝化作用和反硝化作用是N2O的主要生成過程。本文介紹了污水土地處理過程中 N2O的產(chǎn)生途徑、機(jī)理、影響因素以及特征，并對(duì)今后N2O減排趨勢(shì)提出建議措施。關(guān)鍵字 污水 土地處理 氧化亞氮 特征 1引言氧化亞氮(N2O)是大氣溫室效應(yīng)氣體之一,對(duì)環(huán)境有著多方面的影響。N2O在對(duì)流層中可以吸收來自

2、陸地的熱輻射,減少地表向外層空間的熱幅射,從而產(chǎn)生溫室效應(yīng); N2O還可以破壞同溫層中的臭氧,大氣中N2O濃度增加一倍,臭氧層中的臭氧將減少10%,而到達(dá)地面的紫外線輻射強(qiáng)度會(huì)增加20%,導(dǎo)致人類皮膚癌和其他疾病的發(fā)病率迅速上升,并帶來其它的健康問題1,2。因此人們?cè)絹碓疥P(guān)注N2O濃度升高對(duì)全球氣候變暖和臭氧層的影響。2土地處理系統(tǒng)中 N2O排放的研究進(jìn)展20世紀(jì)70年代，國(guó)外開始展開溫室氣體源、匯和輸送規(guī)律的研究，世界氣象組（WMO）、世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃屬（UNEP）等發(fā)起和組織了“ 大 氣 本 底 污 染 監(jiān) 測(cè) 網(wǎng) （ Background Air Pollution

3、 Monitoring Network, BAPMON）”，對(duì)大氣本底及污染狀況急性長(zhǎng)期的全球性監(jiān)測(cè)。大量的研究表明，土壤植物生態(tài)系統(tǒng)是N2O的主要源與匯。90年代，污水以及污水處理過程中產(chǎn)生的溫室氣體問題，成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。以地下滲濾系統(tǒng)和濕地系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)土地處理系統(tǒng)運(yùn)行過程中CH4和N2O等溫室氣體的排放規(guī)律進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明，土地處理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生一定數(shù)量的溫室氣體，但通過相應(yīng)的減排措施，可以大大減少這些溫室氣體，使之不對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。我國(guó)溫室氣體的研究始于20世紀(jì)90年代，對(duì)農(nóng)田土壤排放N2O的研究較多，大多側(cè)重于N2O排放通量的測(cè)定、某些相關(guān)因子對(duì)通量的影響

4、及通量估算模型的建立等方面。目前，土壤植物生態(tài)系統(tǒng)中N2O排放通量呈增加趨勢(shì)。據(jù)報(bào)道，生態(tài)土壤系統(tǒng)N2O排放通量較高。土壤中氮氧化物的排放通量和土壤氮的生物有效性具有正相關(guān)關(guān)系。大氣中65%以上的N2O來自于土壤的硝化、反硝化作用。研究生態(tài)土壤系統(tǒng)中氮素的生物轉(zhuǎn)化、N2O通量預(yù)測(cè)以及排放與氮素去除的關(guān)系對(duì)于正確設(shè)計(jì)、推廣和評(píng)價(jià)生態(tài)土壤系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)際意義。應(yīng)用氮循環(huán)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)生態(tài)土壤系統(tǒng)脫氮效率和N2O排放通量成為提高污水脫氮水平和控制溫室氣體排放的必然要求。 隨著人們對(duì)污水處理效率、出水水質(zhì)以及節(jié)能要求的提高，污水處理將由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析。在對(duì)污水土地處理技術(shù)不斷深入研究的

5、基礎(chǔ)上，生態(tài)土壤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行必將從簡(jiǎn)單地采用經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范發(fā)展到使用數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)建設(shè)和生產(chǎn)。由于水生植物的種屬、栽種方式和生態(tài)土壤系統(tǒng)運(yùn)行方式的不同，生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)存在一定的差異。以往的氮循環(huán)模型只考慮了特定系統(tǒng)在特定條件下氮素的去除，不能反映生態(tài)土壤系統(tǒng)的許多典型工藝特點(diǎn)，因而使其適用范圍受到限制。 基于對(duì)污水深度脫氮的迫切要求及我國(guó)的具體情況，有必要開發(fā)高效低能的污水處理工藝并以此為基礎(chǔ)建立一套完整的數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)生態(tài)土壤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。3污水土地處理系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生3.1N2O的產(chǎn)生機(jī)理N2O主要產(chǎn)生于污水生物處理的脫氮過程。硝化過程和反硝化過程是生物脫氮的兩個(gè)主要過程，分別由

6、硝化菌和反硝化菌作用完成。生物脫氮的原理就是在這兩種微生物的作用下，將氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，從而達(dá)到脫氮的目的，而這兩個(gè)過程都可以誘發(fā)N2O的產(chǎn)生。（）硝化過程的產(chǎn)生機(jī)理硝化作用主要是指污水中的氨氮在好氧條件下被硝化菌氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽的反應(yīng)，主要包含氨氧化和亞硝酸鹽氧化兩個(gè)階段。氨氧化階段，即氨氮氧化為亞硝酸鹽的階段，由AOB完成，催化此過程的酶為胺氨單加氧酶(AMO)和羥胺氧化還原酶(HAO)。亞硝酸鹽氧化階段，即亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的階段，由NOB完成，催化此過程的酶為亞硝酸鹽氧化還原酶(NOR)。硝化過程中產(chǎn)生N2O的原因主要是由于亞硝酸鹽的積累，在亞硝酸鹽積累的條件下，AOB為避免亞

7、硝酸鹽對(duì)細(xì)菌的毒性作用，利用胞內(nèi)誘發(fā)產(chǎn)生的異構(gòu)亞硝酸鹽還原酶，將亞硝酸鹽作為電子受體產(chǎn)生N2O。低溶解氧和短污泥齡均會(huì)導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累，進(jìn)而導(dǎo)致N2O的產(chǎn)生。也有研宄表明，一些好氧硝化菌（如AOB）在低溶解氧條件下可以進(jìn)行反硝化反應(yīng)，即利用氨氮氧化過程產(chǎn)生的電子將亞硝酸鹽異化還原為N2O。另外，目前己有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化菌的存在，異養(yǎng)硝化過程也可產(chǎn)生N2O。因此，亞硝酸鹽的積累是硝化過程產(chǎn)生N2O的最主要原因。低溶解氧，低pH均是通過影響業(yè)硝酸鹽的積累來導(dǎo)致的產(chǎn)生。（）反硝化過程的產(chǎn)生機(jī)理反硝化作用主要是指污水中的硝酸鹽在反硝化菌作用下還原為氮?dú)獾倪^程，主要涉及四個(gè)階段，分別由四種酶催化完成

8、.這四種酶分別為：硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和氧化亞氮還原酶。N2O是反硝化過程的中間產(chǎn)物，其產(chǎn)生途徑主要有兩種：外界因素抑制Nos 的活性，使產(chǎn)生的N2O不能夠進(jìn)一步還原為氮?dú)?，?dǎo)致N2O累計(jì)。污水處理系統(tǒng)中影響Nos 活性的因素較多，如過高的DO濃度、低的pH，低的C/N以及有毒物質(zhì)（金屬離子、H2S等，這些因素的都能影響N2O的產(chǎn)生；一些反硝化菌不具有Nos，其反硝化產(chǎn)物為N2O。另外，在曝氣硝化階段，一些反硝化細(xì)菌可以利用包內(nèi)聚合物為碳源進(jìn)行反硝化，將硝化過程產(chǎn)生的亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為N2和N2O。3.2N2O的影響因素主要產(chǎn)生于污水處理過程中的硝化和反硝化過程，其

9、影響因素可以歸納為以下四類：污水水質(zhì)、工藝類型、運(yùn)行參數(shù)以及微生物種群結(jié)構(gòu)。（1）污水水質(zhì) = 1 * GB3 COD/NCOD/N決定反硝化進(jìn)行的程度，主要影響反硝化階段的產(chǎn)生。COD/N越高，反硝化程度高，脫氮效果好。當(dāng)外源碳不足，COD/N較低時(shí)，反硝化菌無法獲得足夠的碳源進(jìn)行反硝化，反硝化不徹底，導(dǎo)致亞硝酸鹽積累，N2O釋放量增加。碳源種類碳源的種類對(duì)反硝化過程有重要影響，主要影響反硝化階段N2O的產(chǎn)生。Van Rijin等人研宄了反硝化過程中N2O的產(chǎn)生情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)以乙酸或丙酸為碳源時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)亞硝酸鹽積累，N2O產(chǎn)生量高；而當(dāng)以丁酸或戊酸為碳源時(shí)，亞硝酸鹽積累消失，N2O產(chǎn)生

10、量低。Adouani等人研究了三種不同碳源條件下的產(chǎn)生情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用乙酸為碳源時(shí)N2O的產(chǎn)生量占反硝化氮去除的74%。鹽度很多城市污水由于包含大量的工業(yè)廢水，導(dǎo)致其較高的鹽度。較高的鹽度不但影響氮的去除，而且也影響N2O的產(chǎn)生。Tsuneda等人研宄了不同鹽度下污水處理工藝中的產(chǎn)生量。結(jié)果表明：曝氣硝化階段，隨著鹽度的增加，N2O產(chǎn)生量升高；缺氧反銷化階段，鹽度對(duì)N2O的產(chǎn)生量影響不大。有毒有害物質(zhì)城市污水，尤其是工業(yè)廢水中經(jīng)常含有一些有毒有害物質(zhì)，例如鹽，H2S，甲酸，乙稀，重金屬離子等。Nos容易受這些物質(zhì)的影響，導(dǎo)致活性受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致N2O產(chǎn)生。Schnharting等人研

11、究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H2S濃度高于0.32mg/L時(shí)，Nos活性受到強(qiáng)烈抑制，污水處理廠有大量N2O產(chǎn)生。Garrido等人向生物濾池中投加甲醛，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲酸投加量超過一定濃度時(shí)，N2O釋放量急劇升高，停止投加后，幾乎沒有N2O的釋放。（2）工藝類型不同污水處理工藝過程中N2O的產(chǎn)生量明顯不同。Jia等人研究了同步硝化反硝化工藝（SND）和常規(guī)硝化反銷化工藝（SQND）中N2O的產(chǎn)生情況，結(jié)果表明，SND中的產(chǎn)生量明顯高于SQND。此外，呂錫武等人也得到同樣結(jié)論。Park等人認(rèn)為附著生長(zhǎng)系統(tǒng)中的產(chǎn)生量明顯低于懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)，主要是由于載體或填料上可以固著對(duì)產(chǎn)生起控制作用的菌種。造成不同工藝類型中產(chǎn)生量明顯不

12、同的原閩，主要就是因?yàn)橥に囶愋瓦\(yùn)行條件不同，富集了不同的微生物類群。（3）微生物種群微生物種群結(jié)構(gòu)決定著污水生物脫氮過程的代謝途徑和代謝產(chǎn)物。隨著微生物學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展，在污水生物處理系統(tǒng)中分離和鑒定出了許多新的菌種，不同菌種的產(chǎn)出能力不同。Kim等發(fā)現(xiàn)，投加糞大腸桿菌的生物流化床不但具有較好的脫氮效果，同時(shí)N2O釋放量較低。Noda等從A/O工藝的缺氧池中分離得到了22種含有的基因序列，如使這一類反硝化菌成為污水處理系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌群將有利于減少反硝化過程中的釋放量。此外，Chen等人從豬場(chǎng)廢水中分離出其能進(jìn)行同步硝化反確化反應(yīng)，并且反硝化產(chǎn)物中的產(chǎn)生量不到，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)中報(bào)道的同步硝化反

13、硝化過程中的產(chǎn)生量。4. N2O 的排放特性硝化反應(yīng)是銨的一階反應(yīng)，評(píng)價(jià)硝化過程中N2O 的排放量，需要 2 份數(shù)據(jù)，(1)總 N2O 通量；(2) 功能菌的分布特性和 NH4+-N 濃度。王延華等人的額實(shí)驗(yàn) 11 個(gè)生態(tài)土壤系統(tǒng)的 N2O 通量對(duì)比圖如圖1、圖2和圖3所示。圖1 單獨(dú)栽種生態(tài)土壤系統(tǒng)的N2O 通量（低負(fù)荷進(jìn)水）（C：無植物床；TL，香蒲；ZL，茭白；PA，蘆葦 L：低負(fù)荷進(jìn)水；H：高負(fù)荷進(jìn)水）圖2 單獨(dú)栽種生態(tài)土壤系統(tǒng)的N2O 通量（高負(fù)荷進(jìn)水）圖3 混栽生態(tài)土壤系統(tǒng)的N2O 通量（C：無植物床；P1：香蒲、茭白、蘆葦； P2：蘆葦、香蒲； P3：蘆葦、茭白）由圖1，圖2可知，單獨(dú)栽種生態(tài)土壤系統(tǒng)，N2O 排放峰值出現(xiàn)在夏季 7月份。N2O 排放峰值隨著進(jìn)水負(fù)荷增加成倍增長(zhǎng)。生態(tài)土壤系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，同比 N2O 排放量越大，06 年排放峰值明顯高于 05 年。植物枯萎期，植物床和無植物床N2O 通量沒有明顯區(qū)別。全年 N2O-N 轉(zhuǎn)化率從 0.2%到 1.26%。研究報(bào)道顯示，生態(tài)污水處理系統(tǒng)在處理過程中排放的 N2O 范圍為-17346 mg N2O/m2/d。污水處理廠處理過程中排放的 N2O 范圍為 03457 mg N2O/