研究意義


氧化亞氮（N2O）是一種強力的溫室氣體，對環境有著多方面的影響，能夠吸收中心波長為7.78、8.56、16.98um的長波紅外輻射，從而產生溫室效應。本論文主要研究了反硝化除磷和常規反硝化過程中N2O產生的差異，從反硝化酶活性和亞硝酸鹽的積累角度揭示了反硝化除磷過程中N2O產化的機理的機理研究，并在此基礎上研究硝酸鹽的投入以及進水碳源和進水COD濃度對于污水處理過程中氧化亞氮生產的影響。


微電極的應用


首先進行電極的極化。提前個12小時，打開微電極主機，插上電極，將極化電壓調到開始，過夜極化，將室內溫度控制在25度。將準備好的含有氧化亞氮飽和液的溶液0.1ml、0.2ml、0.5ml、以及2ml的N2O飽和水溶液加入到較量瓶中，放入電極，待信號穩定后測定，獲取N2O的標準曲線。利用微電極測定反應器中產生的溶解態氧化亞氮的濃度。


實驗結果


研究表明在SBR污水處理過程中反硝化除磷過程中N2O的產生量遠高于常規反硝化過程中，其中反硝化除磷過程中產生的N2O是常規反硝化過程的30倍。這是因為反硝化除磷過程以PHA為碳源進行反硝化導致反硝化酶對電子形成競爭，氧化亞氮還原酶因無法獲得足夠多的電子將N2O還原，而造成N2O的積累。同時進水COD濃度會明顯影響反硝化酶的活性，導致不同的亞硝酸鹽的積累。硝酸鹽的投加方式會影響反硝化除磷過程中氧化亞氮的產生。

圖1、、不同條件下的N2O的產生特征，只添加醋酸鹽鹽，同吋添加酸鹽和乙酸鈉，只添加亞硝酸鹽、同時添加亞銷酸和乙酸鈉。圖中可以看出，當系統中不添加外碳源乙酸，DPAOs以厭氧段合成的胞內聚合物PHA為碳源進行反硝化，反應過程中有相應的N2O產生，但是其最高累積量達0.85mg/L。而系統中添加外碳源乙酸時，首先利用乙酸鈉為碳源進行反硝化，其最高累積量僅有0.21mg/L，遠低于沒有外加碳源添加時的N2O產生量。這也是說明當以為碳源進行反硝化時將會導致的N2O產生量增加。相比外碳源乙酸鈉，PHA為慢速生物降解物質，當被用于反硝化碳源時，其單位時間內提供的電子不能滿足反硝化的需求，導致反硝化過程中各種酶對電子形成競爭。由于N2O的還原處于反硝化反應鏈的末端，導致相比別的還原酶，氧化亞氮還原酶對電子的競爭能力弱，獲得的電子不足以使N2O完全還原，從而誘發了N2O積累。

圖2、SBR-1反應器中COD、PHA、PO43--P、NO3--N-、NO2-N以及溶解性的N2O變化趨勢。從圖中可以看出SBR主要進行反硝化脫氮和除磷反應。厭氧階段。COD在30分鐘內降低到最低水平，并且伴隨著糖原的分解，PHA的合成以及PO43--P的釋放。缺氧階段主要進行硝酸鹽的降解，以及憐酸鹽的吸收；并且伴隨著的分解和糖原的合成。而N2O的產生主要發生在的缺氧階段，厭氧階段兒乎沒有的產生；一旦KNO3溶液加入到反應器中，溶解性的濃度迅速增加，并在缺氧反應第15分鐘到最大值0.87mg/L，隨后溶解性的N2O濃度逐漸降低到0mg/L。

圖3、SBR-2反應器中COD、PHA、PO43--P、NO3--N-、NO2-N以及溶解性的N2O變化趨勢。從圖中可以看出SBR-2在缺氧階段剛幵始的時候有短暫的N2O積累但SBR-2反應器中溶解性的N2O最高濃度只有遠低于SBR-1系統的。從圖中可以看處SBR-2反應一開始即進入缺氧階段，迅速降解，同時確酸鹽迅速還原；缺氧階段也有部分磷的釋放和PHA的合成。SBR-2中氮變化規律完全符合常規反硝化的代謝模式。

圖4、不同條件下的N2O還原特征，只存在氧化亞氮，同時存在氧化亞氮和乙酸鈉，同時存在氧化亞和硝酸鹽，同時存在氧化亞氮、硝酸鹽和乙酸鈉。從圖中可以看出當存在外碳源乙酸時，氧化亞氮的還原速率明顯加快。這要是因為乙酸的降解速率比PHA碳源快倍6-20倍，氧氧化亞氮還原酶在單位時內能夠獲得充足的電子進行N2O的還原。存在硝酸鹽的時候，N2O的還原受附，甚至還冇上升的趨勢。硝酸鹽還原對電子的競爭優勢要大于氧化亞氮還原酶，PHA氧化產生的子要首先硝酸鹽的還原。外碳源乙酸和乙酸鉀共同投加時，N2O的還原并沒有受到限制，這主要是因為乙酸中位時間內捉供的電子能夠同吋滿足NO3-和N2O的還原。


總結


本論文通過和常規的反硝化過程相比較，從反硝化酶活性和亞硝酸鹽積累的角度考察了反硝化除磷過程中N2O的產生機制；通過研究進水濃度、硝酸鹽投加方式以及碳源類型對反確化除磷過程產生的影響，確定了可減少缺氧反硝化除憐階段N2O產生的運行方式。本論文分析反硝化除磷過程中N2O產生是使用了unisense微電極系統測試污水中溶解態的氧化亞氮，整個污水反應處理過程中的氧化亞氮都是采用微電極進行在線監測的，可以看出Unisense微電極系統在研究污水處理的過程中可以能夠實時的檢測污水中氧化亞氮產生的變化情況，從而為研究污水處理過程中氧化亞氮生成的機理提出給予了準確的數據支持。這也說明unisense微電極系統在廢水處理研究中可以發揮重要的應用。