結果和討論


污染物去除性能


表1顯示了兩種SBR的污染物去除性能。ASSBR和SBBR的COD去除率均在91%以上。在這兩個反應器中，進水中幾乎所有的NH4+-N都被完全去除，去除率為98–99%。然而，兩種反應器的TN去除效率存在明顯差異，ASSBR和SBBR的TN去除效率分別為66.02–66.50%和81.72–82.06%。在兩個反應器的好氧階段結束時，NAR的85%以上出現了明顯的亞硝酸鹽積累。在相同進水負荷下，ASSBR的NO2-N濃度顯著高于SBBR。


表1。每個系統中的平均污染物濃度及其標準偏差（括號內）和去除效率（%）

低氮負荷的典型循環


低氮負荷下的污染物去除特性。圖2a1、a2、b1和b2顯示了進水COD和NH4+-N分別為500和120 mg/L的兩個反應器典型循環中COD、TN、NH4+-N、NO3-N、NO2-N、FA和DO濃度和pH值的時間曲線。在厭氧期，ASSBR中的NH4+-N濃度在注射后保持不變。而在SBBR投料后0-10min，TN隨著稀釋和氨氧化迅速下降。兩個反應器中的COD迅速下降，并在厭氧階段結束時達到最低值。


在ASSBR和SBBR的初始好氧階段，pH值分別增加至140分鐘和90分鐘（圖2b1、b2）。這是厭氧階段積累的CO2從液體中釋放出來的原因之一。另外，好氧細菌對有機酸的降解是另一個原因。然后，ASSBR和SBBR反應中的pH值降低，硝化過程中NH4+-N的減少和NO2-N的快速積累增加。COD和NO3-N一直保持在較低水平。ASSBR中DO濃度保持在0.12–0.23 mg/L，SBBR中DO濃度保持在1.69–1.94 mg/L。兩種反應器的不同現象是ASSBR中的pH值顯著降低，而SBBR中的pH值沒有降低。SBBR中更有效的SND導致SBBR中相對穩定的pH值。


ASSBR在520 min和SBBR在好氧階段200 min時，出現了典型的彎曲點，即氨谷，表明硝化作用結束。NH4+-N完全轉化為NO2-N發生在好氧階段結束時，亞硝酸鹽的最大濃度（分別為42.49 mg/L和22.12 mg/L）。FA濃度高于NOB抑制的閾值濃度（0.1-1.0 mg/L），但低于AOB抑制的閾值濃度（10-150 mg/L），這解釋了兩個反應器中從氧階段的初始階段開始NO 2-N積累的原因（Anthonisen et al.，1976）。


低氮負荷下的N2O排放特性。圖2c1和c2顯示了兩個SBR循環期間低氮負荷下N2O生成的跟蹤研究。在厭氧階段和前好氧階段（ASSBR為180分鐘，SBBR為100分鐘），兩個反應器均表現出相對較低的N2O濃度。當亞硝酸鹽濃度累積到5–6 mg/L時，N2O生成量明顯增加。亞硝酸鹽在沒有更多可降解有機物時立即累積。在本研究中，兩個反應器均在低COD/N比下提供高NH4+-N污水。Kampschreur等人（2009年）報告說，COD限制和高NH4+-N濃度可能導致硝化階段NO2-N積累。人們普遍認為，NO2-N是一個關鍵因素，可以用作AOB產生N2O的終端電子受體（Jia等人，2013b）。在本文中，兩個反應器中的N2O排放與亞硝酸鹽積累相關，根據以前的文獻，這可能是N2O排放的主要原因（Jia等人，2013b）。


氮負荷較高的典型循環


高氮負荷下的污染物去除特性。圖3（a1、a2、b1、b2）顯示了進水COD和NH4+-N的典型循環中參數的時間過程分別為500 mg/L和240 mg/L。COD、TN、NH4+-N、NO3-N、NO2-N、FA和DO濃度和pH值的變化趨勢與低氮負荷下的變化趨勢一致。說明上述各參數的變化規律在不同氮負荷下具有重復性。


氮負荷較高時的N2O排放特性。圖3c1、c2顯示了兩個SBR循環中氮負荷較高時N2O生成的跟蹤研究。與圖2c1和c2相比，最大的區別在于，高氮負荷SBBR中的N2O在曝氣開始時開始顯著上升，因為初始NO2-N濃度為16.64 mg/L（來自上一個循環或由污泥攜帶）。這一結果也與Li等人（2012年）和Rassamee等人（2011年）一致，他們發現高亞硝酸鹽濃度是產生N2O的主要原因。同時，高NH4+-N負荷ASSBR的N2O生成量（厭氧/好氧階段為21.37 mg/L）遠高于低NH4+-N負荷ASSBR（厭氧/好氧階段為6.25 mg/L）。在SBBR中也發現了類似的現象。N2O產量隨著進料氨負荷的增加而增加，表明N2O產量與進料氨負荷直接相關。這一結果與Yang等人（2009年）的結果一致。


表2。各反應器運行參數及N2O排放匯總表

兩種反應器中N2O生成的比較


表2顯示了近期文獻中處理廢水的不同操作條件下的TN去除效率和N2O轉化率。當輸入NH4+-N濃度為120mg/L時，ASSBR和SBBR的N2O轉化率分別為6.6%±0.6%和2.3%±0.4%。當進水NH4+-N濃度為240mg/L時，ASSBR和SBBR的N2O轉化率分別為14.1%±1.6%和6.5%±0.9%。結果表明，在相同氨負荷下，SBBR的N2O轉化率為ASSBR的1/3-1/2。主要原因如下。

圖3。在兩個SBR循環中，含較高氨氮（240 mg/L）的氮化合物和控制參數的變化：（a1、b1和c1）是ASSBR中的COD、氮化合物、pH、DO和N2O；（a2、b2和c2）是SBBR中的COD、N-化合物、pH、DO和N2O。ASSBR，活性污泥序批式反應器。


（1）亞硝酸鹽在ASSBR中的高積累更明顯地抑制了N2O的減少，從而導致ASSBR產生更多的N2O。Park等人（2000年）還發現，N2O的產生與亞硝酸鹽的存在具有良好的相關性。溶解氧濃度的擴散限制可在SBBR中形成缺氧區，好氧條件下生物膜內部發生的異養反硝化可減少SBBR中的部分亞硝酸鹽和N2O。


（2）盡管兩個反應器的曝氣速率相同，但在ASSBR中DO濃度保持在0.12–0.23 mg/L，在SBBR中DO濃度保持在1.69–1.94 mg/L。大多數研究表明，硝化細菌反硝化作用是硝化過程中N2O產生的主要來源（Jia等人，2013a和Wunderlin等人，2012）。在低氧條件下，AOB的反硝化作用更為有利。氧脅迫對硝化細菌的反硝化作用至關重要。Colliver和Stephenson（2000）發現，歐洲亞硝基單胞菌（可能是最具代表性的硝化菌）在限氧條件下的N2O產量是高溶解氧條件下的3-5倍。這也是兩個系統產生不同N2O的原因。


（3）在相同進水NH4+-N負荷下，ASSBR的硝化周期明顯長于SBBR，說明ASSBR的氨氧化速率相對低于SBBR。不完全氨氧化過程產生的中間物質越多，ASSBR產生的N2O越多。（4）Naoki等人（2003年）報告說，一些好氧反硝化菌在好氧條件下產生低水平的N2O。由于生物膜系統中的細菌比活性污泥系統中的細菌更為復雜，這些低N2O產生的細菌很可能在生物膜系統中富集。


在其他文獻中，厭氧-好氧工藝的TN去除率為51.0–92.5%。在本研究中，ASSBR的TN去除效率為66.5%±5.7%，與Jia等人（2012）的結果相似；朱和陳（2011）。與上述三項研究相比，低溶解氧條件下的N2O排放量（6.6–43.2%）遠高于高溶解氧條件下的N2O排放量（2.1%），這表明低氧刺激了N2O的排放。本研究中SBBR的TN去除效率相對較高（81.7%±1.5%），與Jia等人（2013a）和Liu等人（2008）相似。同時，高TN去除效率工藝的N2O排放率（2.3–7.7%）相對低于低TN去除效率工藝，這表明提高TN去除效率可能會減少N2O的產生。


一般而言，本研究中的N2O排放量不同于實驗室規模硝化系統（De Graaff等人，2010年）中TN負荷的平均1.9%和污水處理全規模硝化系統中氮負荷的1.7%（Kampschreur等人，2008年）。不同的排放可歸因于不同的實驗條件、廢水、反應器類型以及用于估算N2O排放量的測量方法。例如，在ASSBR和SBBR中觀察到的N2O排放率遠遠高于Kong等人（2013）在文章中提出的（1.5%）。


不同的計算方法可能是原因之一。在Kong的文章中，N2O轉化率是N2O產生量與輸入氮負荷的比率。此外，反應器的不同運行模式可能是原因之一。Kong等人（2013）在研究中使用了間歇充氣SBBR。運行方式對N2O的產生有很大影響。間歇曝氣循環配置（曝氣階段長達20-30分鐘，隨后是短暫的缺氧階段）被證明能有效減少N2O排放（Rodriguez等人，2015年）。Zhang et al.（2015）研究了操作模式（完全好氧模式和缺氧-好氧模式）對SND過程中N2O產生的影響，發現完全好氧SND中每個循環的N2O排放量為去除TN的21.9%±7.1%，比缺氧-好氧SND中觀察到的7.0%±1.6%高出三倍。在本研究中，ASSBR中低DO（0.12–0.23 mg/L）和高亞硝酸鹽積累刺激了高N2O產生，甚至高達14.1%。


結論


建立了一個ASSBR和一個SBBR來評估輸入NH4+-N為120 mg/L和240 mg/L時的N2O排放量。結果表明，兩個反應器實現了相似的NH4+-N去除效率，但SBBR的TN去除效率（81.7%±1.5%）高于ASSBR（66.5%±5.7%）。根據典型循環，兩個反應器中的N2O產量均隨進料氨濃度的增加而增加。同時，在相同氮負荷輸入下，SBBR硝化過程中的N2O生成量低于ASSBR。


致謝


這項工作得到了中央大學基礎研究基金（批準號2013G3292017）和陜西省科學技術發展計劃（批準號2014K15-03-02）的支持。


作者披露聲明


不存在相互競爭的金融利益。