結(jié)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(gè)反應(yīng)器中，進(jìn)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(yīng)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(gè)反應(yīng)器的好氧階段結(jié)束時(shí)，NAR的85%以上出現(xiàn)了明顯的亞硝酸鹽積累。在相同進(jìn)水負(fù)荷下，ASSBR的NO2-N濃度顯著高于SBBR。

表1。每個(gè)系統(tǒng)中的平均污染物濃度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差（括號(hào)內(nèi)）和去除效率（%）

低氮負(fù)荷的典型循環(huán)

低氮負(fù)荷下的污染物去除特性。圖2a1、a2、b1和b2顯示了進(jìn)水COD和NH4+-N分別為500和120 mg/L的兩個(gè)反應(yīng)器典型循環(huán)中COD、TN、NH4+-N、NO3-N、NO2-N、FA和DO濃度和pH值的時(shí)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(gè)反應(yīng)器中的COD迅速下降，并在厭氧階段結(jié)束時(shí)達(dá)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(lái)的原因之一。另外，好氧細(xì)菌對(duì)有機(jī)酸的降解是另一個(gè)原因。然后，ASSBR和SBBR反應(yīng)中的pH值降低，硝化過(guò)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(yīng)器的不同現(xiàn)象是ASSBR中的pH值顯著降低，而SBBR中的pH值沒(méi)有降低。SBBR中更有效的SND導(dǎo)致SBBR中相對(duì)穩(wěn)定的pH值。

ASSBR在520 min和SBBR在好氧階段200 min時(shí)，出現(xiàn)了典型的彎曲點(diǎn)，即氨谷，表明硝化作用結(jié)束。NH4+-N完全轉(zhuǎn)化為NO2-N發(fā)生在好氧階段結(jié)束時(shí)，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(gè)反應(yīng)器中從氧階段的初始階段開(kāi)始NO 2-N積累的原因（Anthonisen et al.，1976）。

低氮負(fù)荷下的N2O排放特性。圖2c1和c2顯示了兩個(gè)SBR循環(huán)期間低氮負(fù)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(gè)反應(yīng)器均表現(xiàn)出相對(duì)較低的N2O濃度。當(dāng)亞硝酸鹽濃度累積到5–6 mg/L時(shí)，N2O生成量明顯增加。亞硝酸鹽在沒(méi)有更多可降解有機(jī)物時(shí)立即累積。在本研究中，兩個(gè)反應(yīng)器均在低COD/N比下提供高NH4+-N污水。Kampschreur等人（2009年）報(bào)告說(shuō)，COD限制和高NH4+-N濃度可能導(dǎo)致硝化階段NO2-N積累。人們普遍認(rèn)為，NO2-N是一個(gè)關(guān)鍵因素，可以用作AOB產(chǎn)生N2O的終端電子受體（Jia等人，2013b）。在本文中，兩個(gè)反應(yīng)器中的N2O排放與亞硝酸鹽積累相關(guān)，根據(jù)以前的文獻(xiàn)，這可能是N2O排放的主要原因（Jia等人，2013b）。

氮負(fù)荷較高的典型循環(huán)

高氮負(fù)荷下的污染物去除特性。圖3（a1、a2、b1、b2）顯示了進(jìn)水COD和NH4+-N的典型循環(huán)中參數(shù)的時(shí)間過(guò)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(shì)與低氮負(fù)荷下的變化趨勢(shì)一致。說(shuō)明上述各參數(shù)的變化規(guī)律在不同氮負(fù)荷下具有重復(fù)性。

氮負(fù)荷較高時(shí)的N2O排放特性。圖3c1、c2顯示了兩個(gè)SBR循環(huán)中氮負(fù)荷較高時(shí)N2O生成的跟蹤研究。與圖2c1和c2相比，最大的區(qū)別在于，高氮負(fù)荷SBBR中的N2O在曝氣開(kāi)始時(shí)開(kāi)始顯著上升，因?yàn)槌跏糔O2-N濃度為16.64 mg/L（來(lái)自上一個(gè)循環(huán)或由污泥攜帶）。這一結(jié)果也與Li等人（2012年）和Rassamee等人（2011年）一致，他們發(fā)現(xiàn)高亞硝酸鹽濃度是產(chǎn)生N2O的主要原因。同時(shí)，高NH4+-N負(fù)荷ASSBR的N2O生成量（厭氧/好氧階段為21.37 mg/L）遠(yuǎn)高于低NH4+-N負(fù)荷ASSBR（厭氧/好氧階段為6.25 mg/L）。在SBBR中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。N2O產(chǎn)量隨著進(jìn)料氨負(fù)荷的增加而增加，表明N2O產(chǎn)量與進(jìn)料氨負(fù)荷直接相關(guān)。這一結(jié)果與Yang等人（2009年）的結(jié)果一致。

表2。各反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)及N2O排放匯總表

兩種反應(yīng)器中N2O生成的比較

表2顯示了近期文獻(xiàn)中處理廢水的不同操作條件下的TN去除效率和N2O轉(zhuǎn)化率。當(dāng)輸入NH4+-N濃度為120mg/L時(shí)，ASSBR和SBBR的N2O轉(zhuǎn)化率分別為6.6%±0.6%和2.3%±0.4%。當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度為240mg/L時(shí)，ASSBR和SBBR的N2O轉(zhuǎn)化率分別為14.1%±1.6%和6.5%±0.9%。結(jié)果表明，在相同氨負(fù)荷下，SBBR的N2O轉(zhuǎn)化率為ASSBR的1/3-1/2。主要原因如下。

圖3。在兩個(gè)SBR循環(huán)中，含較高氨氮（240 mg/L）的氮化合物和控制參數(shù)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(yīng)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(dǎo)致ASSBR產(chǎn)生更多的N2O。Park等人（2000年）還發(fā)現(xiàn)，N2O的產(chǎn)生與亞硝酸鹽的存在具有良好的相關(guān)性。溶解氧濃度的擴(kuò)散限制可在SBBR中形成缺氧區(qū)，好氧條件下生物膜內(nèi)部發(fā)生的異養(yǎng)反硝化可減少SBBR中的部分亞硝酸鹽和N2O。

（2）盡管兩個(gè)反應(yīng)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(shù)研究表明，硝化細(xì)菌反硝化作用是硝化過(guò)程中N2O產(chǎn)生的主要來(lái)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(duì)硝化細(xì)菌的反硝化作用至關(guān)重要。Colliver和Stephenson（2000）發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)量是高溶解氧條件下的3-5倍。這也是兩個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不同N2O的原因。

（3）在相同進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷下，ASSBR的硝化周期明顯長(zhǎng)于SBBR，說(shuō)明ASSBR的氨氧化速率相對(duì)低于SBBR。不完全氨氧化過(guò)程產(chǎn)生的中間物質(zhì)越多，ASSBR產(chǎn)生的N2O越多。（4）Naoki等人（2003年）報(bào)告說(shuō)，一些好氧反硝化菌在好氧條件下產(chǎn)生低水平的N2O。由于生物膜系統(tǒng)中的細(xì)菌比活性污泥系統(tǒng)中的細(xì)菌更為復(fù)雜，這些低N2O產(chǎn)生的細(xì)菌很可能在生物膜系統(tǒng)中富集。

在其他文獻(xiàn)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(jié)果相似；朱和陳（2011）。與上述三項(xiàng)研究相比，低溶解氧條件下的N2O排放量（6.6–43.2%）遠(yuǎn)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(duì)較高（81.7%±1.5%），與Jia等人（2013a）和Liu等人（2008）相似。同時(shí)，高TN去除效率工藝的N2O排放率（2.3–7.7%）相對(duì)低于低TN去除效率工藝，這表明提高TN去除效率可能會(huì)減少N2O的產(chǎn)生。

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

不同的計(jì)算方法可能是原因之一。在Kong的文章中，N2O轉(zhuǎn)化率是N2O產(chǎn)生量與輸入氮負(fù)荷的比率。此外，反應(yīng)器的不同運(yùn)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(yùn)行方式對(duì)N2O的產(chǎn)生有很大影響。間歇曝氣循環(huán)配置（曝氣階段長(zhǎng)達(dá)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(duì)SND過(guò)程中N2O產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)完全好氧SND中每個(gè)循環(huán)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(chǎn)生，甚至高達(dá)14.1%。

結(jié)論

建立了一個(gè)ASSBR和一個(gè)SBBR來(lái)評(píng)估輸入NH4+-N為120 mg/L和240 mg/L時(shí)的N2O排放量。結(jié)果表明，兩個(gè)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)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(jù)典型循環(huán)，兩個(gè)反應(yīng)器中的N2O產(chǎn)量均隨進(jìn)料氨濃度的增加而增加。同時(shí)，在相同氮負(fù)荷輸入下，SBBR硝化過(guò)程中的N2O生成量低于ASSBR。

致謝

這項(xiàng)工作得到了中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金（批準(zhǔn)號(hào)2013G3292017）和陜西省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)2014K15-03-02）的支持。

作者披露聲明

不存在相互競(jìng)爭(zhēng)的金融利益。