隨著對環境質量要求的提高，氮污染控制日益嚴格，生物脫氮技術不斷得到了深入研究和廣泛應用.有研究表明生物脫氮過程中氮轉化的氣態產物不僅僅是N2，而且還有N2O等氣態產物.其中，N2O是一種強效溫室氣體，其增暖效應是CO2的270倍左右，而且在大氣中的留存時間較長(平均壽命為150 a)[3, 4].因此，近年來生物脫氮過程中N2O的釋放引起國內外學者的廣泛關注，廢水生物脫氮過程被認為是N2O的一個重要的人為排放源.

　　目前關于廢水脫氮中N2O產生的研究主要是考察一些具體的影響因素，如碳氮比、DO、pH和曝氣速率等對N2O產生量的影響.但是關于不同A/O系統中N2O的產生與釋放的研究還鮮見報道.而現行實際的污水脫氮工藝主要分為單級A/O工藝和多級A/O工藝兩大類，如SBR、CASS、A/O、A2/O等一般為單級A/O工藝，而氧化溝、百樂卡(biloak)等為多級A/O工藝.因此，研究單級和多級A/O脫氮工藝中氮的去除效果及N2O轉化率的差異，對于脫氮方法的實際應用、優化生物脫氮技術及有效去除氮污染具有重要意義.

　　1 材料與方法1.1 研究方法與試驗裝置

　　本研究中的單級A/O和多級A/O工藝均采用SBR反應器模擬運行.本試驗裝置如圖 1所示，由1號和2號反應器組成，其有效容積均為15 L，它們的運行周期為3 h，其中反應140 min，沉淀35 min，排水5 min. 1號反應器為單級A/O工藝，其反應時間包括缺氧70 min (前2 min完成進水)，好氧70 min. 2號反應器為多級A/O工藝(模擬氧化溝工藝)，其運行方法是將140 min的反應時間等分為5個小周期，每個小周期為一個小循環(相當于氧化溝的一個循環)，每個小周期進水一次，曝氣4次，曝氣時間間隔6min，每次曝氣1min.該方法模擬氧化溝的平均循環比為17，一個循環時間為28 min，含有4個A/O分區[13].因而，2號反應器的一個周期可以形成20個A/O分區. 1號和2號反應器在一個周期內缺氧時間和好氧時間相同，皆為70 min.兩個反應器的運行參數為HRT=12 h、SRT=30 d、MLSS=(2 300±100) mg·L-1，運行溫度維持在25℃左右.

圖 1 反應器結構示意

　　1.2 試驗用水

　　試驗用水采用人工配水，水質主要組分類似城市污水，水質組成成分為：淀粉(以COD計)300 mg·L-1，NH4Cl (以N計)40 mg·L-1，KH2PO4(以P計) 6 mg·L-1，NaHCO3 470 mg·L-1(用來調節堿度)，微量元素溶液1 mg·L-1(廢水)，微量元素溶液用蒸餾水配制，其主要組分為：CuCl2·2H2O 35 mg·L-1;NiCl·6H2O 36 mg·L-1;MgSO4·7H2O 5 000 mg·L-1;FeCl2·4H2O 6 000 mg·L-1;CoCl2·4H2O 880 mg·L-1;ZnSO4·7H2O 100 mg·L-1;MnCl2·4H2O 500 mg·L-1.

　　1.3 污泥的培養與馴化

　　試驗所用污泥取自西安市第五污水處理廠的曝氣池中，試驗研究前在反應器中對所取的污泥利用人工配水進行幾個污泥齡的培養馴化.

　　1.4 分析項目及檢測方法

　　運行穩定時，兩個SBR反應器整體密閉，1號反應器間隔10 min取一次水樣和氣樣;2號反應器間隔7 min取一次水樣和氣樣.

　　1.4.1 DO、pH及水質參數的測定

　　DO、pH分別采用HANNA溶解氧儀和雷磁pH/ORP測定儀測定.試驗測定的主要水質指標為COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP，同時對微生物進行鏡檢并定期測定污泥的SV、MLSS、SVI等指標，以反映污泥性狀.各指標的檢測方法依據文獻.

　　1.4.2 氧化亞氮(N2O)的收集與測定

　　在密閉的反應器上部裝有帶抽氣泵的采樣袋，將氣體收集在采樣袋中，收集的樣品在24 h內進行分析. N2O采用GC-ECD (PE-600，美國)進行測定，所采用的色譜柱為Poropak Q柱，載氣為高純氮氣，色譜條件為：載氣流速30 mL·min-1、進樣口溫度50℃、柱溫50℃、檢測器溫度360℃.

　　1.4.3 微生物群落分析

　　用SoilGen DNA Kit提取污泥中菌種的總DNA，利用PCR技術對DNA擴增，然后采用Roche 454第二代GS FLX測序平臺對1號和2號反應器內污泥樣品DNA進行高通量測序.試驗委托上海美吉生物技術有限公司進行.最后根據測序結果利用MEGAN軟件對兩種工藝條件下的微生物群落結構進行對比，做出進化分支樹，從而直觀反映兩種A/O系統的菌群結構.

　　2 結果與討論2.1 兩種A/O系統中污染物去除及DO變化趨勢

　　兩種不同A/O系統穩定運行時COD、氨氮、總氮、總磷的去除情況如圖 2所示.

圖 2 不同A/O條件下污染物去除效果

　　從圖 2可以看出兩種運行條件下COD的去除效率為97.5%，氨氮的去除效率為99.2%，效果相當，但總氮和總磷的去除率差別較大. 1號和2號反應器的總氮去除率分別為72.1%和52.2%，總磷去除率分別為53.4%、25.2%.這與Guo等[19]關于氧化溝不同曝氣模式氮的去除效果結論一致，主要是因為2號反應器為多級A/O工藝，交替頻繁的缺氧、好氧使有機碳源在好氧段消耗得較多，導致在缺氧段中，反硝化細菌和聚磷菌能夠利用的有機物較少，因而在進水氮負荷相同的前提下單級A/O要比多級A/O的脫氮除磷效果好.

　　圖 3為系統穩定時兩個反應器中溶解氧(DO)變化趨勢圖，從中可以看出兩個反應器的A/O分區達到了預期的設計，好氧區和缺氧區的停留時間基本相同，皆為70 min左右. 1號反應器好氧段開始后隨著曝氣的進行，DO濃度逐步上升且出現兩個“平臺”，第一個平臺表示氨氮氧化速率與供氧速率達到了平衡，隨著氨氮量的不斷減少DO又開始快速上升，然后出現第二個平臺即DO在系統內達到了相對飽和. 2號反應器DO變化呈鋸齒狀，沒有“平臺”出現，這說明系統一直處在相對虧氧狀態，其峰值只有2.78 mg·L-1，僅為1號反應器DO峰值的一半左右，但是兩個反應器出水COD和氨氮值差別卻不大.通過考察比耗氧速率(SOUR，以MLSS計)發現1號和2號反應器SOUR為24.71 mg·(g·h)-1和28.64 mg·(g·h)-1，這說明模擬多級A/O工藝的間歇短時曝氣活性污泥系統對氧的利用率更高.

圖 3 典型周期溶解氧變化趨勢

　　2.2 典型周期內氮素變化特征

　　圖 4(a)為1號反應器NH4+-N、NO2--N和NO3--N在一個周期內的變化特征.進水后NH4+-N濃度迅速上升且在缺氧段基本保持不變，在好氧段濃度快速下降.而NO3--N的變化趨勢和氨氮正好相反即在缺氧段由于反硝化作用逐步降低，在好氧段逐步上升最后達到一個相對穩定的濃度.從圖 4(a)中還可看出在缺氧段和好氧段NO2--N濃度變化均呈現先上升后降低現象：缺氧段NO2--N的積累是由于系統中硝酸鹽的存在抑制了亞硝酸鹽的還原，導致硝酸鹽還原速率大于亞硝酸鹽還原速率;而好氧段NO2--N的積累可能是由于自由氨(FA)的存在所致，Aslan等認為FA可以抑制氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)的活性，抑制AOB和NOB活性的閾值濃度分別為10~150 mg·L-1和0.1~1.0 mg·L-1.通過分析發現，好氧段前15 min的FA濃度均大于1.07 mg·L-1，大于NOB活性閾值，從而造成了亞硝酸鹽氮濃度的升高.

圖 4 典型周期內兩反應器內NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度變化

　　圖 4(b)反映了2號反應器一個周期內NH4+-N、NO2--N和NO3--N的變化.由于模擬的氧化溝工藝的循環比(稀釋比)為17，故每個小循環(相當于氧化溝的一個循環)開始時NH4+-N濃度較低，到小循環結束時氨氮基本消耗殆盡.整個周期或系統內FA的濃度均在0.1 mg·L-1以下，不存在FA對NOB的抑制.而每個小循環內NO2--N的短時積累可能也是由于系統中硝酸鹽的存在抑制了亞硝酸鹽的還原. NO3--N濃度在整個周期內逐漸升高，在每個小循環內NO3--N的去除主要集中在前半段時間，后半段時間幾乎沒有去除，這主要是由于在前半段時間碳源充足后半段時間碳源匱乏，以至于反硝化碳源不足.

　　2.3 典型周期內兩個反應器中N2O的產生和釋放規律

　　生物脫氮系統中產生的N2O要么以氣體形式被吹脫出來，要么以溶解態形式暫時留存在污水中，而前者占N2O釋放總量的99.5%以上.試驗通過頂空法測定溶解態N2O時，檢測器沒有出現響應，故本研究只考慮氣態中的N2O.

　　從圖 5(a)中可以發現，1號反應器中N2O主要產生在好氧段的氨氧化階段，缺氧反硝化階段釋放不明顯.缺氧段N2O釋放速率(vN2O)和濃度(cN2O)的小幅增加可能是由于進水夾帶的DO以及上周期殘留的DO使得缺氧反硝化段前期有少量分子氧存在，而氧氣對N2O還原酶有抑制作用.在好氧段隨著氨氮不斷被氧化，N2O釋放速率和濃度變化為先上升再下降，隨著氨氮消耗，在好氧段后期N2O釋放速率和濃度又重新趨于零.在好氧段N2O釋放速率(vN2O，以MLSS計，下同)和濃度(cN2O)的峰值出現在100 min左右，分別為5 μg·(g·min)-1和7.38 μg·L-1，此時氨氮濃度為0.58 mg·L-1，基本消耗殆盡，此后N2O釋放速率和濃度迅速下降.

圖 5 典型周期內N2O產生釋放變化

　　圖 5(b)為2號反應器中N2O的釋放情況，在每個小循環內vN2O和cN2O均出現一個峰值而且都出現在氨氮濃度較大時的好氧曝氣段，vN2O的最大峰值約為1.8 μg·(g·min)-1.在各個小循環內vN2O的變化趨勢和1號反應器一樣，即隨著氨氮濃度的降低而逐漸降低.

　　通過氮平衡分析分別考察了一個完整周期內兩個反應器中N2O產生量和轉化率(見表 1和表 2). 1號和2號反應器中N2O產生量分別為16.59 mg和3.95 mg，其轉化率(即N2O的產生量與TN的去除量之比，下同)分別為11.47%和4.11%.由此可見，在同樣的運行條件下單級A/O系統N2O的產生量是多級A/O系統的4.2倍. Hu等的研究表明在硝化過程中COD/N對N2O的產生有重要影響，當COD/N由7.5增加到14.5時，N2O的轉化率從6%降低到1.3%，同時他們分析得到這是由于在高碳氮比條件下AOB中的亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)的豐度大幅減少造成的.

　　表 1 1號反應器N2O產生量和轉化率

　　表 2 2號反應器N2O產生量和轉化率

　　2.4 兩種A/O工藝條件下微生物群落特征

　　利用PCR-T-RFLP及高通量測序技術對兩個反應器中活性污泥樣品進行分析，其微生物群落結構如圖 6所示.其中，彩色圖餅的大小表示微生物種群在各個樣品中的相對含量. 圖 6表明：1號反應器和2號反應器中AOB的優勢菌種皆為Nitrosomonas，但前者的相對豐度高于后者，同時在1號反應器中NOB優勢菌種為Nitrobacter和Nitrospira兩個菌屬，2號反應器卻沒有發現.說明在2號反應器中，NO2-產生量少，使2號反應器中NO2-積累少，不易于NOB產生，同時也不利于AOB的反硝化(nitrifier's denitrification，ND)，因而，2號反應器釋放的N2O少.根據2.2的分析也可看出，2號反應器中的NO2--N波動大，存留時間短，故NO2-積累少.

紅色: 1號反應器; 黃色: 2號反應器

圖 6 兩種反應器中微生物的進化分支對比

　　相反，在1號反應器中，檢測出NOB中的優勢菌種為Nitrobacter和Nitrospira，所以說明在1號反應器中NO2-的產生量比2號反應器多，為NOB獲得基質提供了條件.根據2.2節可知，在1號反應器的好氧區中存在一定的NO2--N積累，利于NOB的產生，因為Nitrobacter和Nitrospira具有較小的半飽和常數，對基質的親和力大，爭奪基質能力強，所以成為優勢菌.上述菌落分析結果也說明了在1號反應器中NO2-的產生量比2號反應器多，為NOB獲得基質提供了條件.同時，也正因為如此，也有利于1號反應器中的AOB進行反硝化，從而，產生較多的N2O.而有研究表明：AOB的反硝化是N2O釋放的重要途徑，且主要源于AOB中的Nitrosomonas菌屬. Nitrosomonas菌屬在好氧狀態下可以同時進行硝化和反硝化反應. Shrestha等[29]以純培養的Nitrosomonas europaea為研究對象，發現在有氧存在的條件下，大概有7%的氨氮被轉化為N2O.本試驗中，1號反應器中的Nitrosomonas的數量高于2號反應器，故產生N2O的量多.

　　從上面分析可知，單級A/O工藝更有利于硝化細菌(AOB、NOB)的生長，但同時也產生更多的N2O溫室氣體.而多級A/O工藝由于較為頻繁的缺氧-好氧變化，抑制了硝化細菌的生長，在一定的氨氮負荷下，并沒有影響其硝化效果，但是對于高的氮負荷，則不宜采用多級A/O工藝(如氧化溝工藝)，但其產生的N2O量少.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

　　3 結論

　　(1) 對于人工模擬城市污水水質，在相同的運行條件下，單級A/O和多級A/O工藝對COD、氨氮的去除率沒有顯著差別，但是單級A/O工藝的總氮的去除率優于多級A/O工藝.對于HRT=12 h、SRT=30 d、運行溫度為25℃左右時，前者總氮去除率為72%，出水TN=7.79 mg·L-1，后者總氮去除率為52%，出水TN=15.58 mg·L-1.

　　(2) 單級A/O工藝在整個運行周期內產生的N2O的量約為多級A/O工藝的4.2倍，單級A/O和多級A/O工藝中N2O的轉化率分別為11.47%和4.11%.且N2O主要是在硝化階段由AOB中的Nitrosomonas菌屬產生的.

　　(3) 單級A/O工藝比多級A/O工藝更有利于硝化細菌(AOB、NOB)的生長.在相同的運行條件下，兩工藝中AOB的優勢菌種皆為Nitrosomonas，但是單級A/O工藝中Nitrosomonas的相對豐度較高;單級A/O工藝中NOB的優勢菌種為Nitrobacter和Nitrospira兩個菌屬，其相對豐度明顯高于多級A/O工藝.