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不同污水处理工艺N2O减排方法研究进展
作者:Admin   发布时间:2018-1-30 15:45:20   点击数:

                                        不同污水处理工艺N2O减排方法研究进展

   污水处理过程中产生强温室气体N2O的问题已经受到广泛关注,如何在保证处理效率的同时实现N2O有效减排成为水处理领域面临的重要问题。综述了传统生物脱氮除磷工艺和同步硝化反硝化、反硝化除磷、厌氧氨氧化等新型污水处理工艺运行过程中N2O的产生机理、减排方法和减排量,为相关领域的研究人员提供参考。
N2O是一种强温室气体,其百年全球增温潜势为CO2的265倍,在全球气候变暖过程中发挥着重要作用。污水处理过程由于能够产生大量N2O而备受关注,据报道,进入污水厂的氮元素0~25%将以2O的形式排放到大气中,N2O在污水输送和生物处理过程中的释放量占全球人为排放量的3.2%~10.2%。
随着生物脱氮除磷技术的发展,同步硝化反硝化、反硝化除磷和厌氧氨氧化等污水处理新工艺逐渐发展应用,其运行原理和特点各有不同,相比传统生物脱氮方法,这些工艺具有需氧量低、节约碳源、氮负荷高、污泥产生量少等显著优点,但同时这些工艺在运行过程中会产生大量N2O,大大削弱了这些污水处理工艺的应用优势。
因此,如何根据不同工艺的运行特点建立有效的N2O减排方法已经成为水处理领域面临的新挑战。
本文综述了传统生物脱氮除磷和同步硝化反硝化、反硝化除磷、厌氧氨氧化等新工艺污水处理过程中N2O的产生机理、减排方法和减排量,以期为污水处理过程N2O减排研究提供参考。
1传统生物脱氮除磷工艺N2O的产生机理及减排方法
传统生物脱氮除磷工艺主要有厌氧-缺氧-好氧工艺(A2/O)、序批式活性污泥法(SBR)和氧化沟等。这些污水处理工艺都包含有硝化和反硝化阶段,即污水中的含氮化合物分别经由硝化细菌和反硝化细菌转化为气态氮化合物去除,这两个处理过程均有N2O产生。
1.1生物脱氮过程中N2O的产生机理
1.1.1硝化作用
脱氮除磷技术
硝化过程中N2O的产生途径
显示了硝化反应的生物化学过程,包括两个阶段:第1阶段是氨氧化菌(AOB)将氨氮(NH+4-N)氧化为亚硝酸盐(NO-2),羟胺(NH2OH)为该反应过程的中间产物,氨单加氧酶(AMO)和羟胺氧化还原酶(HAO)起催化作用;第2阶段是NO-2在亚硝酸盐氧化菌(NOB)的作用下氧化为硝酸盐(NO-3),亚硝酸氧化还原酶(NOR)起催化作用。
N2O在硝化阶段的主要产生途径有4种:
1)AOB的反硝化作用。硝化过程N2O释放主要是由AOB的反硝化作用引起。
2)氨氧化中间产物NH2OH的氧化作用。在高NH+4-N和低NO-2浓度的条件下,N2O可通过NH2OH氧化生成。
3)硝酰基(NOH)的化学分解作用。NH2OH氧化为NO-2过程的NOH的化学分解是氨氧化阶段N2O的另一个产生源。
4)硝化细菌的反硝化作用也是引起N2O产生的一个重要来源。
1.1.2反硝化作用
反硝化过程即在缺氧条件下,异养型兼性厌氧微生物利用有机碳源为电子供体,将NO-3-N或NO-2-N还原为NOx或N2的过程。N2O是反硝化过程中的1种中间产物,不完全的反硝化会导致N2O的产生。反硝化过程如图2所示。
脱氮除磷技术
目前,对反硝化过程中N2O的产生主要有以下两种解释:1)反硝化菌的活性丧失,使得在第3个阶段所产生的N2O不能够进一步还原,导致N2O积累而从水体中逸出;2)部分反硝化细菌不具有NOS系统,其最终产物仅为N2O。
1.2减排方法
1.2.1控制合适的DO浓度
研究表明,溶解氧(DO)是AOB反硝化的一个关键因素,硝化过程中DO浓度过低以及反硝化过程中存在DO的干扰时,都会导致N2O的产生。孙世昌等通过提高曝气速率来提高水中的DO浓度,促进硝化过程的彻底进行,避免污水中NO-2-N的积累,从而减少硝化过程N2O中的排放量。在中试规模的A/O工艺中,当曝气速率由4.0m3/h提高至5.5m3/h时,N2O排放量由0.47~0.64g/m3降至0.09g/m3,N2O的排放量大大减少。
1.2.2调节进水方式
调节进水方式是一种有效减少污水处理过程中N2O排放量的方法。Yang等研究发现:在好氧-缺氧污水处理工艺中,采用分段进水方式N2O的总产生量减少了50%。这是由于分段进水方式可以有效的控制N2O的前驱体NO-2和NH+4-N,从而降低了N2O的产生量。并且分段进水可以为N2O的还原提供电子供体,从而有效减少N2O的排放。
1.2.3改变碳源类型
碳源类型对污水处理过程中N2O的释放量具有显著影响。Zhu等在使用污泥碱性发酵液作为碳源时发现,污泥碱性发酵液可提高系统还原N2O的能力,与使用乙酸作为外加碳源相比,N2O的产生量由0.507mg/mg降至0.121mg/mg。赵聪聪等通过研究SBR工艺中不同碳源类型对N2O释放量的影响发现,使用淀粉为碳源时,N2O的释放量和转化率
最小,与乙酸钠相比,N2O转化率由7.80%降至2.59%。这是由于碳源不同会导致AOB菌群的差异及其反硝化能力的不同,造成了N2O释放的差异。Li等在SBR工艺中利用丙酸作为外加碳源进行反硝化时发现,反应过程中几乎无NO-2-N积累,从而N2O排放量大大减少。
1.2.4调节微生物代谢活性
Park等通过在间歇曝气反应器中添加一种粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis),使异养硝化菌在低DO水平下也可进行反硝化,反应器内进水总氮的N2O转化率降低了50%。在好氧生物反应器内填充碳纤维对N2O的减排和避免NO-x(NO-2和NO-3)的积累具有明显的优势。
碳纤维有助于提高反硝化细菌的活性,使反硝化可以彻底进行。研究发现:在反硝化反应器添加铜(60μm)可迅速催化N2O还原为N2,这种方法可以有效的克服含硫化物表面由于异养反硝化而引起的N2O积累。Hu等通过在好氧初期添加反硝化污泥,为N2O的还原提供电子供体的同时,系统中异养菌的比例增加,同步反硝化作用的“负吸收”能力增强,从而使N2O转化率由0.93%降至0.56%。综上,污水处理过程中调节微
生物代谢活性对N2O的减排具有重要作用,提高硝化和反硝化菌的活性可以使硝化和反硝化作用更好的进行,进而减少N2O的释放量。2新型污水生物脱氮除磷工艺N2O的产生机理及减排方法
2.1同步硝化反硝化
同步硝化反硝化技术(SND),是一种将硝化和反硝化在同一操作条件和同一反应器中进行的污水脱氮新技术。SND过程中,同一个反应器内AOB反硝化作用、硝化细菌硝化作用、异养反硝化作用等过程同时进行。由于各个反应过程均可能有N2O释放,导致SND过程中N2O的释放特征较为复杂。
低氧条件下SND过程中N2O的排放实质上是微生物代谢的产物,异养反硝化菌和AOB均可产生N2O,其中AOB的反硝化作用是N2O产生的主要原因。并且,利用胞内聚合物PHA作为碳源进行反硝化时会增加N2O产生量。
在SND系统中将污泥聚集体的粒径优化控制可以实现N2O的减量化控制。将污泥聚集体的粒径控制在0.45~0.9mm,能同时得到较高的硝化和反硝化活性,从而实现N2O的减排。低DO条件下SND过程中进水磷负荷对N2O的产生也有影响,N2O的排放量随着磷负荷的增加而减少,高负荷磷条件下,微生物可以合成更多的PHA减轻反硝化酶的电子竞争,从而减少异养反硝化过程中N2O的产生量。
王榕等发现:系统中N2O释放量随C/P的降低而降低,低C/P条件下,聚磷菌(PAO)的富集和异养反硝化过程中N2O释放量的降低都可减少系统内N2O的释放量。
2.2反硝化除磷
反硝化除磷是指反硝化聚磷细菌在缺氧条件下以NO-3或NO-2作为电子受体,利用内碳源PHA实现水中过量磷的吸收。N2O在该工艺中是主要的反硝化副产物,PHA的转换对N2O的积累起着重要作用,使用PHA作为碳源时N2O的还原率相对较低。另外,该过程中,NO-2或游离态亚硝酸(FNA)能够抑制反硝化酶的活性和磷的吸收,从而导致反硝化效率降低和N2O的大量产生。
反硝化除磷工艺中N2O的产生主要发生在缺氧反硝化吸磷及曝气硝化阶段。在缺氧反硝化阶段采用连续进水的方式和曝气阶段通过调节曝气量防止硝化细菌反硝化避免N2O积累均可减少N2O的生成量。Li等研究发现:在反硝化除磷工艺中连续加入NO-2和使用丙酸作为碳源时,可以降低反硝化酶之间的电子竞争,减少NO-2的积累,这两种方法可分别减少91.4%和69.8%的N2O排放量。
因此,选择合适的碳源有利于系统中N2O的减排。Wang等研究发现,增加进水磷的浓度可以减少N2O的生成。当磷的浓度由5mg/L增加至50mg/L时,总N2O产生由总氮的1.64%降至0.16%。反硝化除磷过程中有机物冲击负荷对N2O的产生也起着重要作用。
Li等研究发现高的有机物冲击负荷明显增加了厌氧PHA的合成,从而影响了反硝化酶的活性,刺激了NO-2-N的积累,导致N2O的增加。当进水ρ(COD)由500mg/L降至100mg/L时,N2O产生量降低了84.1%。反硝化除磷过程中厌氧反应时间(AnRT)对N2O的产生也有影响,较长的AnRT减少了PHA的合成,从而引起反硝化过程中N2O的产生[25]。
2.3好氧颗粒污泥
好氧颗粒污泥工艺由于其良好的沉降性能和较高的微生物浓度在污水处理中具有良好的应用前景。然而,它的空间结构会导致反硝化不彻底从而引起N2O的产生,这是因为颗粒物中的反硝化细菌和硝化细菌很难有纯粹的缺氧和好氧条件。
温度可以通过影响功能微生物的代谢活性影响N2O产生。杨娇玲等发现随着温度从31℃降至23℃,使好氧颗粒污泥系统内N2O转化率由2.40%降至1.22%。随着温度的降低,颗粒污泥内部更容易形成好氧环境,体系内NO-2的积累量减少,N2O产生量随之减少。
王珊珊等发现随着污水中盐度的增加,好氧颗粒污泥硝化过程中N2O的产生量呈递增趋势。当盐度为0g/L时,溶解态和释放态N2O的产生量最小。在低DO条件下,微膨胀的颗粒污泥与没有发生微膨胀颗粒污泥相比,N2O的产生量明显较大。因此,污水处理过程中控制污泥膨胀对N2O的减排起着重要作用。
2.4厌氧氨氧化
厌氧氨氧化(Anammox)是指在厌氧或缺氧条件下,厌氧氨氧化微生物以NO-2-N为电子受体,氧化NH+4-N为N2的生物过程。该过程是一种新型自养脱氮反应,对于处理高NH+4-N废水特别是有机低碳源废水具有重大的潜在实用价值。有研究发现,厌氧氨氧化反应器中污泥絮体内部发生的异养反硝化作用可能会导致N2O的释放。另外,厌氧氨氧化反应器中由AOB引起的NH2OH氧化是导致N2O产生的主要原因。
Domingo-Felez等发现反应过程中通过频繁切换曝气缩短曝气时间,可限制N2O排放的同时保持整个系统的NH+4-N去除能力,通过增加曝气率和缩短曝气时间从而明显降低了N2O的排放量。Castro-Barros等也发现,在部分硝化-厌氧氨氧化工艺中缩短曝气时间可以减少N2O排放,强曝气量引起的曝气吹脱作用促使N2O有更高的形成率,低曝气时N2O的形成率比高曝气减少0.021kg/(m3˙d)。
3展望
目前污水处理过程中N2O的减排在研究和实践中还存在一些不足:
1)目前关于N2O减排的研究大多停留在实验室阶段,缺乏实际污水处理过程中的应用实践。
2)污水处理过程是一个整体系统,在N2O减排的同时需要综合考虑处理效果、能耗、药剂使用量以及其他温室气体(CH4和CO2)排放等多方面因素,进而从整体上降低全过程的环境负面效应。
3)目前对水处理领域温室气体排放问题缺乏重视,没有建立限排标准,未来需要相关部门制定适当的监管措施,以促进温室气体减排工作的开展。


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