好氧亚硝化颗粒污泥工艺N2O的产生特征、机理与减量策略

N2O是一种强力温室气体，悬浮污泥系统亚硝化工艺存在过量产生N2O的危害。好氧亚硝化颗粒污泥工艺是一种新型生物脱氮工艺，目前关于其N2O产生问题的研究有限，颗粒污泥对N2O产量增减的作用不明。本项目拟在申请人前期研究基础上，对该工艺N2O产生特征、机理和减量策略进行系统的研究。主要内容包括：1）研究不同运行模式和环境因素对N2O产生的影响作用规律，阐明N2O产生的来源和途径，明确N2O产生的宏观特征；2）运用微电极技术测定基质与产物在颗粒内部的时空分布，结合分子生物学技术对微生物群落结构进行定性与定量，阐明颗粒污泥微观结构与N2O产生之间的相互关系，揭示N2O产生的微观特征；3）建立宏观特征与微观特征之间的联系，探讨N2O产生的机理，构建减量控制策略并进行实验验证和优化。研究成果有助于进一步提升好氧亚硝化颗粒污泥工艺的应用优势，并丰富现有污水生物脱氮工艺N2O产生的科学机理。

与传统生物脱氮工艺相比，好氧亚硝化颗粒污泥工艺具有明显的优势和广阔的应用前景。本项目对该工艺中N2O的产生特征、机理与减量策略进行了研究，主要结果如下：（1）在SBR反应器中成功培养了好氧亚硝化颗粒污泥，颗粒污泥中球菌和杆菌是主要组成成分；AOB主要分布在颗粒污泥表层，约占微生物群落的45±1.5%，NOB紧挨AOB存在于颗粒污泥内部，占比为3±1.2%；该系统N2O生成量约占进水总氮的1.74%。（2）进行了不同污泥停留时间下N2O产生特征和机理的研究，SRT为48、25和12.5天时，相应的N2O释放因子分别为2.38~3.29%、11.0~14.3%和6.90~4.03%；N2O释放主要来自于好氧段的AOB反硝化，低SRT条件下N2O释放增加主要是由于好氧段亚硝态氮的积累造成的；较高浓度氨氮和亚硝态氮同时存在的情况下会大量刺激N2O的释放；AOB反硝化过程中，氨氮氧化过程所释放的电子是AOB反硝化所需的电子供体；即使存在较高浓度的亚硝态氮，液相中没有氨氮存在情况下，单纯的NOB氧化过程中没有N2O的释放，因此亚硝态氮只是N2O释放的一个前驱物。（3）进行了不同进水模式下N2O产生特征和机理的研究，分步进水（SF-SBR）亚硝化和全程硝化期间，其N2O释放量分别比一步进水（PF-SBR）中减少了53.8%和61.6%；PF-SBR处于短程硝化和全程硝化时，其好氧阶段N2O释放量占到TN去除量的90.75%和47.21%；而在SF-SBR中相应的数值分别为55.09%和29.55%，因此分步进水模式能明显降低温室气体N2O的释放。（4）利用Plackett-Burman设计结合响应曲面法对影响N2O的多种因素（包括pH、温度、曝气速率、C/N比、Cu2+浓度、进水方式和曝气方式等）进行考察和筛选，并对重要影响因素的最优值进行考察，从而提出好氧亚硝化颗粒污泥工艺N2O减量策略，结果表明：Cu2+浓度对于N2O释放的影响较其它因素的影响要少；温度、pH和曝气量对于N2O释放有交叉影响，三者的最佳值分别为22.32 oC、7.10和0.20 m3/h，此时N2O的释放量的估计值为0.026 mg，与实验验证结果接近，证明了模型预测的可靠性。项目研究成果将丰富现有污水生物脱氮工艺N2O产生的科学机理，对有效减少污水处理过程温室气体的排放具有一定的指导意义。