, 劉秀紅
, 曹馨月, 呂覬凱, 黃晨鐸 , LIU Xiu-hong , CAO Xin-yue , LÜ Ji-kai , HUANG Chen-duo 2023年全國(guó)平均氣溫創(chuàng)歷史新高, 以全球變暖為特征的氣候變化趨勢(shì)不斷加快, 溫室氣體減排迫在眉睫. 氧化亞氮（N2O）作為第三大溫室氣體, 會(huì)破壞臭氧層[1]并形成酸雨[2], 對(duì)生態(tài)環(huán)境惡化造成極大影響. 污水處理廠被認(rèn)為是N2O排放的重要來(lái)源[3], 生物脫氮工藝運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生和排放大量N2O. 中國(guó)城市污水處理廠的碳足跡是其他國(guó)家的2~3倍[4], 隨著“雙碳”目標(biāo)等政策的制定, 污水處理廠N2O的減排控制在中國(guó)尤為緊迫.
國(guó)內(nèi)對(duì)污水處理過(guò)程中N2O的研究多集中于機(jī)制與影響因素, 針對(duì)實(shí)際污水處理廠中N2O產(chǎn)生等問(wèn)題的研究十分有限. 實(shí)際污水廠中N2O產(chǎn)生受到工藝類型、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境因素與進(jìn)水水質(zhì)等的影響, 導(dǎo)致N2O排放規(guī)律復(fù)雜[5]. 因而小試和中試實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果難以準(zhǔn)確用于實(shí)際污水處理廠中N2O排放量的計(jì)算. 污水處理廠會(huì)在其運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)投加酸堿調(diào)和劑和碳源等方式保證其工藝穩(wěn)定運(yùn)行, 所以實(shí)際污水處理廠運(yùn)行效果、運(yùn)行條件和微生物菌群等受不同季節(jié)的影響較大, 這也是短期測(cè)試和長(zhǎng)期測(cè)試下污水處理工藝N2O排放量存在差異的主要原因. 因此, 為實(shí)現(xiàn)污水處理廠低碳運(yùn)行的目標(biāo)有必要對(duì)實(shí)際污水廠中N2O的產(chǎn)生與排放進(jìn)行長(zhǎng)期的測(cè)定, 以促進(jìn)污水處理廠溫室氣體減排.
厭氧-缺氧-好氧（A2O）工藝是城市污水處理廠中最常用的生物脫氮工藝, 其N2O排放問(wèn)題需要引起重視. 盡管國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究[6 ~ 12]指出A2O工藝的好氧區(qū)為N2O主要釋放點(diǎn), 亞硝酸鹽氮（NO2--N）積累可能會(huì)促進(jìn)N2O產(chǎn)生, 但關(guān)于A2O工藝長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中N2O排放的研究并不充分. Hwang等[6]對(duì)首爾170萬(wàn)m3·d-1的A2O工藝以及Foley等[7]對(duì)澳大利亞2.5萬(wàn)m3·d-1的A2O工藝N2O排放的研究分別持續(xù)了1周和4個(gè)月；李惠娟等[8]對(duì)西安某A2O工藝N2O排放的研究中其進(jìn)水以工業(yè)廢水為主；韓海成等[9]研究的上海某A2O工藝處理規(guī)模僅6萬(wàn)m3·d-1；吉林[10]、北京[11]和濟(jì)南[12]等城市的A2O工藝N2O排放的研究則忽視了實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中水質(zhì)與N2O產(chǎn)生的關(guān)系, 且影響N2O產(chǎn)生與排放的因素研究多在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行. 到目前為止, 大型污水處理廠中N2O的測(cè)試仍不夠充分, N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵因素難于確定, 不利于實(shí)際水廠N2O減排控制.
本文以北京市某A2O工藝城市污水處理廠為研究對(duì)象, 進(jìn)行了為期1 a的N2O監(jiān)測(cè), 以確定不同季節(jié)N2O產(chǎn)生與排放特征；通過(guò)分析水質(zhì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和微生物群落結(jié)構(gòu)變化, 確定城市污水處理廠N2O產(chǎn)生關(guān)鍵影響因素, 以期為污水處理廠N2O減排提供依據(jù).
1 材料與方法1.1 A2O工藝與采樣點(diǎn)布置A2O工藝城市污水處理廠規(guī)劃流域面積223.5 km2, 服務(wù)人口241.5萬(wàn), 設(shè)計(jì)處理量60萬(wàn)m3·d-1. A2O生物池分為16組, 單組處理規(guī)模3.75萬(wàn)m3·d-1. 每組設(shè)有3條廊道, 長(zhǎng)95 m, 寬9 m, 水深6.5 m, 其中厭氧區(qū)長(zhǎng)40 m, 缺氧區(qū)長(zhǎng)70 m, 好氧區(qū)長(zhǎng)175 m. 水力停留時(shí)間約10 h, 冬季與夏季污泥齡分別為15~18 d和12~15 d, 污泥內(nèi)外回流比分別為300%和70%.
在A2O工藝的進(jìn)水（1號(hào)）、厭氧區(qū)進(jìn)出口（2號(hào)、3號(hào)）和缺氧區(qū)進(jìn)出口（4號(hào)、5號(hào)）位置分別布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn), 好氧段均勻布置4個(gè)采樣點(diǎn)（6~9號(hào)）, 以進(jìn)行水樣與氣樣的采集.
1.2 水質(zhì)和污泥A2O工藝進(jìn)水ρ[氨氮（NH4+-N）]、ρ[總氮（TN）]、ρ[總磷（TP）]和ρ[化學(xué)需氧量（COD）]平均值分別為35~55、40~65、4~5和140~180 mg·L-1, 出水ρ（TN）和ρ（COD）為12~15 mg·L-1和25~35 mg·L-1. 污泥濃度大約在3 000~4 000 mg·L-1.
1.3 氣體收集方法采用半球形浮流式表面集氣罩進(jìn)行氣體收集, 集氣罩材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）, 主體為環(huán)形浮漂與半球形集氣罩, 直徑0.4 m, 在浮漂上部集氣罩側(cè)面設(shè)置進(jìn)氣口, 集氣罩頂部設(shè)置出氣口.
在非曝氣液面, 由氣體采樣泵及集氣罩進(jìn)出氣口兩端流量計(jì)通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速調(diào)節(jié)吹掃流量, 待排出集氣罩原有空氣后, 將待測(cè)氣體由出氣口經(jīng)干燥管干燥后集于氣體采樣袋內(nèi). 在曝氣液面, 關(guān)閉集氣罩進(jìn)氣口, 在排空集氣罩內(nèi)原有空氣且保證與外界沒(méi)有交換的情況下, 將待測(cè)氣體由出氣口經(jīng)干燥管干燥后, 收集于氣體采樣袋內(nèi).
1.4 分析方法1.4.1 水質(zhì)分析方法與環(huán)境條件測(cè)試NH4+-N、NO2--N、硝酸鹽氮（NO3--N）和COD按照標(biāo)準(zhǔn)方法[13]分析.
pH和溶解氧（DO）均采用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀（WTW 3620i, 德國(guó)）進(jìn)行在線監(jiān)測(cè). 使用風(fēng)速檢測(cè)儀（PM6252B, 中國(guó)）測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速及環(huán)境氣溫.
1.4.2 N2O濃度的測(cè)定通過(guò)氣相色譜法測(cè)定收集氣體的N2O濃度, 測(cè)定采用Agilent 7890A型（Agilent, 美國(guó)）氣相色譜儀, 使用HP-PLOTQ毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.53 mm×25 μm）及ECD檢測(cè)器. 色譜條件分別為進(jìn)樣口溫度110℃、爐溫180℃以及ECD檢測(cè)器300℃. 所有的樣品測(cè)定3次, 取平均值. 溶解態(tài)N2O的測(cè)定按照Yang等[14]所描述的上部空間法.
1.4.3 分子生物學(xué)方法對(duì)活性污泥與生物膜使用用于土壤的Fast DNA SPIN Kit（Qbiogene Inc, Carlsbad, CA）提取基因組DNA. 高通量測(cè)序送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司, 后續(xù)實(shí)驗(yàn)流程包括設(shè)計(jì)合成引物與tag序列、PCR擴(kuò)增與鈍化、PCR產(chǎn)物定量與均一化、構(gòu)建PE文庫(kù)以及Illumina測(cè)序.
1.5 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法ρ[氣態(tài)N2O-N（Gas-N2O）]、ρ[溶解態(tài)N2O-N（Dis-N2O）]、N2O-N釋放通量（Gas-N2O）與N2O-N月排放量（FN2O‐N）的計(jì)算分別見(jiàn)式（1）~（4）.
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(1) |
式中, ρ（Gas-N2O）為氣態(tài)N2O濃度（mg·L-1）, φ為N2O體積分?jǐn)?shù)（10-6）, MN2O為N2O的摩爾質(zhì)量（g·mol-1）, T為環(huán)境溫度（℃）.
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(2) |
式中, ρ（Dis-N2O）為以N計(jì)單位體積溶解態(tài)N2O濃度（mg·L-1）, K0為亨利定律常數(shù)[mol·（L·Pa）-1]. p為氣體壓強(qiáng)（Pa）. ρ'（Gas-N2O）為N2O在上部空間的濃度（mg·L-1）, 計(jì)算同式（1）. β為頂空瓶上部空間體積和水樣體積的比值, MN2O為N2O分子中N的摩爾質(zhì)量（g·mol-1）.
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(3) |
式中, Gas-N2O為以N計(jì)N2O釋放通量[g·（m2·d）-1], V為收集的氣體體積（m3）, S為集氣裝置水面接觸面積（m2）, t為集氣時(shí)間（d）.
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(4) |
式中, FN2O‐N為生物池以N計(jì)N2O每月排放量（kg·月-1）, Gas-N2Oi為集氣點(diǎn)位相應(yīng)以N計(jì)N2O釋放通量[g·（m2·d）-1], Ai為集氣點(diǎn)位相應(yīng)池體面積（m2）.
使用Excel與Origin2023軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和繪圖, 使用Pearson相關(guān)性分析研究不同影響因素對(duì)N2O產(chǎn)生釋放的影響.
2 結(jié)果與討論2.1 城市污水A2O工藝不同季節(jié)N2O產(chǎn)生與排放季節(jié)不但對(duì)污水處理廠的運(yùn)行效果和運(yùn)行參數(shù)等產(chǎn)生影響, 而且會(huì)影響污水處理廠N2O產(chǎn)生與排放, 其中冬季與夏季會(huì)有較大差異.
2.1.1 城市污水A2O工藝冬季N2O產(chǎn)生與排放圖 1給出了A2O工藝冬季運(yùn)行過(guò)程中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD、Dis-N2O、Gas-N2O和DO的典型變化. COD主要在厭氧區(qū)與缺氧區(qū)被去除, 冬季進(jìn)水ρ（COD）約140 mg·L-1, 厭氧區(qū)污泥外回流稀釋使其在厭氧區(qū)濃度大幅降低, 出水ρ（COD）約30 mg·L-1, COD去除率達(dá)79%. A2O工藝進(jìn)水ρ（NH4+-N）約35 mg·L-1, 污泥外回流同樣影響了NH4+-N在厭氧區(qū)的濃度, NH4+-N在好氧區(qū)基本被轉(zhuǎn)化為NO3--N, 去除率可達(dá)100%. 進(jìn)水中幾乎不含NO2--N與NO3--N, 厭氧區(qū)NO2--N的出現(xiàn)可能與二沉池回流污泥有關(guān), A2O工藝全程約有0.40 mg·L-1的ρ（NO2--N）存在, 這可能受冬季氣溫低造成的硝化速率受限影響. 冬季ρ（DO）平均值控制在0.7 mg·L-1左右, 可以觀察到NO2--N與DO在好氧段具有相似的變化趨勢(shì), 這說(shuō)明DO控制水平會(huì)影響好氧區(qū)的NO2--N積累程度, 而NO3--N只在好氧區(qū)隨NH4+-N的轉(zhuǎn)化而增加, 出水ρ（NO3--N）在16 mg·L-1左右.
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圖 1 A2O工藝冬季NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD、DO與N2O典型變化Fig. 1 Variations in NH4+-N, NO2--N, NO3--N, COD, DO, and N2O concentrations during winter in A2O process |
A2O工藝進(jìn)水ρ（Dis-N2O）約0.010 mg·L-1, 在進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)后迅速上升至0.042 mg·L-1, 經(jīng)過(guò)厭氧區(qū)和缺氧區(qū)后基本被去除. 好氧區(qū)ρ（Dis-N2O）迅速上升并維持在0.060 mg·L-1, A2O工藝出水中ρ（Dis-N2O）約0.045 mg·L-1. 好氧區(qū)沿程N(yùn)2O排放呈現(xiàn)波動(dòng)變化, Gas-N2O平均值為1.38 g·（m2·d）-1. 與韓海成等[9]的研究結(jié)果類似, 本研究A2O工藝N2O排放主要發(fā)生在好氧區(qū), 而厭氧區(qū)與缺氧區(qū)基本檢測(cè)不到明顯的N2O排放. 這說(shuō)明在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)盡管存在Dis-N2O, 但在非曝氣條件下這部分Dis-N2O并不容易釋放.
Dis-N2O在進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)（2號(hào)）和缺氧區(qū)（4號(hào)）時(shí)的增加受到了污泥回流的影響, 因?yàn)槎脸厮w水面平穩(wěn), 6 h的水力停留時(shí)間和較低的COD使得好氧出水中攜帶的Dis-N2O沒(méi)有進(jìn)行釋放或者消耗的條件, 因此會(huì)有部分Dis-N2O伴隨污泥外回流重新進(jìn)入A2O工藝的厭氧區(qū), 缺氧區(qū)Dis-N2O的出現(xiàn)則與好氧區(qū)污泥內(nèi)回流有關(guān). 筆者前期的研究表明反硝化菌利用N2O的還原速率是NO3--N的3倍[14], A2O工藝進(jìn)水碳源足夠用于N2O的快速轉(zhuǎn)化, 所以污水在經(jīng)過(guò)厭氧區(qū)（3號(hào)）和缺氧區(qū)（5號(hào)）后Dis-N2O被迅速去除.
污水進(jìn)入好氧區(qū)后會(huì)迅速積累并排放N2O, 這與異養(yǎng)反硝化關(guān)系不大, 因?yàn)榇藭r(shí)COD基本降解完成, 且較高的DO也會(huì)抑制反硝化細(xì)菌的活性, 不具備發(fā)生異養(yǎng)反硝化的良好條件, 這說(shuō)明A2O工藝N2O產(chǎn)生于好氧硝化過(guò)程. 污水處理廠中硝化過(guò)程產(chǎn)生N2O的途徑通常為羥胺氧化和氨氧化菌（AOB）反硝化, 該工藝好氧區(qū)較低的NH4+-N濃度使得羥胺氧化產(chǎn)生N2O的可能性極低[15]. 污水進(jìn)入好氧區(qū)后NO2--N與N2O迅速上升, 在NO2--N濃度相對(duì)較高的位置（圖 1中6號(hào)和8號(hào)）其N2O產(chǎn)生也更多, 這說(shuō)明NO2--N與N2O產(chǎn)生有較為密切的關(guān)系. 研究表明NO2--N的積累會(huì)促使AOB將其代替O2作為電子受體而被優(yōu)先利用[16], 隨即發(fā)生反硝化作用, 但AOB缺乏氧化亞氮還原酶（Nos）導(dǎo)致其最終產(chǎn)物為N2O, 所以AOB反硝化很可能是該A2O工藝N2O的主要產(chǎn)生途徑.
2.1.2 城市污水A2O工藝夏季N2O產(chǎn)生與排放A2O工藝夏季N2O產(chǎn)生遠(yuǎn)低于冬季, 圖 2為夏季某日NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD、Dis-N2O、Gas-N2O和DO的典型變化. 與冬季相比, 夏季A2O工藝進(jìn)水污染物濃度稍低, 好氧區(qū)ρ（DO）平均值控制在1.2 mg·L-1, 基本沒(méi)有NO2--N的積累. COD與TN去除率分別為67%和65%左右. 夏季時(shí)A2O進(jìn)水基本不含Dis-N2O, 但其沿程變化趨勢(shì)與冬季類似. 外回流污泥攜帶的ρ（Dis-N2O）約0.025 mg·L-1, 明顯低于冬季的0.042 mg·L-1, 且在厭氧段即可被去除. 缺氧區(qū)污泥內(nèi)回流導(dǎo)致Dis-N2O暫時(shí)升高, 但在缺氧區(qū)較強(qiáng)的反硝化作用下會(huì)被隨即降解. 污水在進(jìn)入好氧區(qū)后, ρ（Dis-N2O）一開(kāi)始會(huì)迅速上升至0.026 mg·L-1, 但隨即下降并維持在0.003 mg·L-1左右. Gas-N2O只在好氧區(qū)被檢出, 最高釋放通量約0.39 g·（m2·d）-1, 遠(yuǎn)低于冬季. ρ（NO2--N）在污水進(jìn)入好氧區(qū)后迅速?gòu)?.04 mg·L-1增長(zhǎng)至0.12 mg·L-1的同時(shí)也出現(xiàn)了Dis-N2O峰值, 此后隨沿程DO濃度的升高, NO2--N積累程度降低, 系統(tǒng)中Dis-N2O也迅速降低. 這說(shuō)明Dis-N2O受到NO2--N變化的影響, 所以夏季A2O工藝N2O產(chǎn)生的主要途徑仍然可能是AOB反硝化.
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圖 2 A2O工藝夏季NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD、DO與N2O典型變化Fig. 2 Variations in NH4+-N, NO2--N, NO3--N, COD, DO, and N2O concentrations during summer in A2O process |
A2O工藝厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的存在能夠有效去除回流污泥中含有的Dis-N2O, N2O產(chǎn)生與排放主要在好氧區(qū), 產(chǎn)生途徑可能以AOB反硝化為主. 夏季和冬季N2O產(chǎn)生有明顯差距, 其N2O釋放通量平均值相差可達(dá)7.6倍, 這可能是因?yàn)镹O2--N積累對(duì)N2O產(chǎn)生有重要影響, 因此NO2--N積累更為明顯的冬季N2O產(chǎn)生與排放水平更高.
2.2 A2O工藝不同季節(jié)N2O排放量及排放因子圖 3給出了A2O工藝不同季節(jié)水溫、N2O排放量與排放因子變化, 夏季最高水溫在28℃左右, 冬季水溫最低, 約16℃. A2O工藝N2O排放量冬季最高, 約32.75 kg·月-1, N2O排放因子平均值為0.129%. 隨著水溫逐步上升, N2O排放量依次遞減, 春季排放量比冬季稍低, 約為22.34 kg·月-1, 相應(yīng)的N2O排放因子為0.048%. 夏季與秋季的N2O排放量相近, 均遠(yuǎn)低于冬春兩季, 分別為6.06 kg·月-1和4.99 kg·月-1, N2O排放因子分別為0.034%和0.018%.
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圖 3 A2O工藝不同季節(jié)水溫、N2O排放量與排放因子Fig. 3 Water temperature, N2O emission and emission factors in different seasons of A2O process |
在單次測(cè)試期間中, A2O工藝水溫變化幅度不超過(guò)1℃, 因此對(duì)A2O工藝N2O產(chǎn)生的影響并不明顯, 但從不同季節(jié)水溫與N2O排放量變化的差異來(lái)看, 溫度可能也是影響N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一. 針對(duì)污水處理廠的不同研究發(fā)現(xiàn)N2O排放具有明顯的季節(jié)性變化[17 ~ 21], 例如在對(duì)瑞士[17]某污水處理廠SBR工藝以及對(duì)葡萄牙[21]某旅游區(qū)污水處理廠N2O排放量的研究中發(fā)現(xiàn), N2O排放量在低溫運(yùn)行時(shí)期更高, 這是因?yàn)榧?xì)菌代謝活性與酶促效率會(huì)隨著溫度下降而發(fā)生改變, 硝化菌群受低溫環(huán)境影響使得NO2--N積累, 促進(jìn)AOB反硝化的發(fā)生, 進(jìn)而增加N2O排放, 這或許也是本工藝N2O排放在冬季春季高而夏季秋季低的原因.
本研究A2O工藝N2O年排放量約198.42 kg·a-1, 低于李惠娟[8]和韓海成等[9]對(duì)不同A2O工藝測(cè)得的N2O排放量. 李惠娟等[8]研究的A2O工藝進(jìn)水中工業(yè)廢水比例為60%, 且NO2--N氧化速率較低, NO2--N積累較為明顯, 韓海成等[9]研究的A2O工藝沿程ρ（NO2--N）在1.00 mg·L-1左右, 而本研究的A2O工藝即使在NO2--N積累程度較高的冬天, 其ρ（NO2--N）也不過(guò)在0.40 mg·L-1左右, 這很可能是本研究A2O工藝N2O排放量與排放因子相對(duì)較低的原因.
2.3 A2O工藝活性污泥中微生物種群結(jié)構(gòu)圖 4展示了A2O工藝不同季節(jié)在門(mén)水平下的群落分布情況. 髕骨菌門(mén)（Patescibacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidota）、變形菌門(mén)（Proteobacteria）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）和酸桿菌門(mén)（Acidobacteriota）相對(duì)豐度較高, 占整體相對(duì)豐度的83.89%~94.36%. 冬季與春季的微生物群落在門(mén)水平上近似, Patescibacteria、Bacteroidota與Proteobacteria占據(jù)較高的優(yōu)勢(shì). 夏秋兩季時(shí)Chloroflexi、Actinobacteria以及Acidobacteriota相對(duì)豐度明顯提高. Patescibacteria廣泛分布于污水處理廠活性污泥中, 但其生態(tài)生理學(xué)和在污水處理過(guò)程中的作用仍不清楚, 也有研究[22]指出其存在與良好的脫氮效果相關(guān). Bacteroidota與Proteobacteria包含了大部分反硝化菌和硝化菌, 具有良好的脫氮除磷以及去除有機(jī)污染物的功能[23, 24]. Chloroflexi通常以絮體骨架的形式存在于活性污泥中, 具備較好的生物除磷作用[25]. 盡管低溫環(huán)境會(huì)使得Actinobacteria增加, 引起污泥膨脹, 但測(cè)試期間冬季春季時(shí)Actinobacteria的相對(duì)豐度反而低于夏秋兩季, 這可能與污水處理廠在低溫季節(jié)加強(qiáng)控制有關(guān).
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圖 4 A2O工藝不同季節(jié)門(mén)水平微生物群落結(jié)構(gòu)分布情況Fig. 4 Distribution of microbial community structure at phylum level in different seasons of A2O process |
在屬水平上對(duì)相對(duì)豐度 > 1%的微生物物種組成進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖 5所示, 不同季節(jié)的優(yōu)勢(shì)菌屬存在明顯差異. 隨著氣溫的增高, 冬季相對(duì)豐度較高的norank_ f__norank_o__Saccharimonadales、norank_ f__norank_o__norank_c__SJA-28以及unclassified_o__Saccharimonadales等與有機(jī)物降解功能相關(guān)的菌屬相對(duì)豐度占比依次遞減. A2O工藝活性污泥中檢測(cè)到了多種反硝化菌屬, 冬季以Ferruginibacter（2.08%）、Ottowia（4.08%）和Thermomonas（3.77%）為主, 其中Thermomonas只在冬季具備較高的豐度占比, 其余季節(jié)時(shí)低于1%. 春季時(shí)Ferruginibacter（10.58%）在所有反硝化菌屬中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 夏季時(shí)Ferruginibacter（5.03%）與Dokdonella（2.14%）是系統(tǒng)內(nèi)主要的反硝化菌屬, 秋季時(shí)反硝化菌屬最為豐富, 相對(duì)豐度大于1%的有Ferruginibacter、Ottowia、Dokdonella、Hyphomicrobium和Thauera. A2O活性污泥中寒冷季節(jié)的主要聚磷菌屬為Dechloromonas, 相對(duì)豐度在1%左右, 隨著氣溫上升, 豐度占比逐漸下降至0.50%. Tetrasphaera在夏季時(shí)的相對(duì)豐度有明顯增長(zhǎng), 在2.08%左右.
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圖 5 A2O工藝不同季節(jié)屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)分布情況Fig. 5 Distribution of microbial community structure at genus level in different seasons of A2O process |
硝化菌群隨著季節(jié)變化有明顯的改變. 典型AOB菌屬Nitrosomonas相對(duì)豐度隨著氣溫的上升不斷增加, 但各個(gè)季節(jié)占比均低于1%, 最高豐度出現(xiàn)在秋季為0.89%. 屬于亞硝化單胞菌科的Ellin6067的相對(duì)豐度除冬季外均大于1%, 與Nitrosomonas共同負(fù)責(zé)NH4+-N的轉(zhuǎn)化. 該A2O工藝的主要硝化菌屬是Nitrospira, 冬季與夏季的相對(duì)豐度占比接近, 分別為0.80%和0.68%, 春季與秋季也較為相似, 分別為2.55%和2.84%. Nitrospira在冬季與春季豐度的差異可能是因?yàn)槠浯x受限, 生長(zhǎng)緩慢, 而水廠為加強(qiáng)低溫工況下系統(tǒng)處理效果采取的增加污泥濃度和延長(zhǎng)污泥齡等措施導(dǎo)致兩季節(jié)豐度出現(xiàn)差異. 夏季Nitrospira相對(duì)豐度的降低可能是因?yàn)闇囟鹊纳叽偈够钚晕勰嘀形⑸镂锓N多樣性與豐度的上升. 有研究表明硝化菌在污水處理廠中的相對(duì)豐度占比不高, 但可能是N2O產(chǎn)生的主要來(lái)源[26 ~ 28]. 氣溫上升使得夏秋季節(jié)的硝化菌群相對(duì)豐度提高, 相比于冬春季節(jié)其氮素轉(zhuǎn)化效率更高, NO2--N積累程度將會(huì)大大降低, 有利于緩解AOB反硝化, 進(jìn)而減少系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生.
A2O活性污泥中菌群結(jié)構(gòu)隨季節(jié)的變化是人為與環(huán)境因素共同造成的. 一方面, 氣溫會(huì)直接影響細(xì)菌的代謝活動(dòng), 影響細(xì)菌的增殖, 另一方面, 污水處理廠會(huì)根據(jù)季節(jié)變化調(diào)控運(yùn)行參數(shù), 以在保證污水處理效果的前提下控制污泥膨脹等問(wèn)題, 而這些變化影響了N2O的產(chǎn)生, 因?yàn)橄趸合鄬?duì)豐度的增加與溫度的上升對(duì)菌群代謝活性的提高可以緩解AOB反硝化作用的發(fā)生.
2.4 影響A2O工藝N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵因素污水處理廠中N2O的產(chǎn)生受進(jìn)水情況和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件等影響. 到目前為止, 對(duì)N2O影響因素的探究多為小試實(shí)驗(yàn), 難于模擬污水處理廠多種影響因素共存的條件. 圖 6給出了整個(gè)測(cè)試期間好氧區(qū)NO2--N、pH、DO、Dis-N2O與Gas-N2O的Pearson相關(guān)性分析, 在P < 0.01水平下, Dis-N2O和Gas-N2O與NO2--N有顯著的正相關(guān)性, 與pH和DO分別有一定的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系, 這說(shuō)明水質(zhì)情況與運(yùn)行參數(shù)的變化會(huì)影響測(cè)試中A2O工藝N2O的產(chǎn)生.
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橢圓面積表示顯著程度, 面積越小（大）表示越顯著（不顯著）, 橢圓向右上方（右下方）傾斜表示正（負(fù)）相關(guān), 色柱表示相關(guān)系數(shù), 紅色正相關(guān), 藍(lán)色負(fù)相關(guān), 顏色越深表示相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大圖 6 影響A2O工藝N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵因素Fig. 6 Key factors affecting N2O production in the A2O process |
NO2--N積累對(duì)A2O工藝N2O產(chǎn)生的影響最為顯著, 隨著NO2--N濃度的升高, 系統(tǒng)中N2O產(chǎn)生量也在不斷增加. Foley等[7]在關(guān)于澳大利亞污水處理廠N2O產(chǎn)生與排放的研究中發(fā)現(xiàn), N2O排放峰值往往與NO2--N峰值同時(shí)出現(xiàn), ρ（NO2--N）超過(guò)0.50mg·L-1導(dǎo)致多座污水處理廠中N2O產(chǎn)生量顯著升高. 本研究好氧區(qū)冬季和夏季Dis-N2O與Gas-N2O的顯著變化也與NO2--N累積有關(guān). A2O工藝好氧區(qū)冬季ρ（NO2--N）超過(guò)0.40 mg·L-1將導(dǎo)致N2O的產(chǎn)生和排放量增加；但在夏季, ρ（NO2--N）僅超過(guò)0.10 mg·L-1時(shí), N2O產(chǎn)生就會(huì)明顯增加. 該結(jié)果說(shuō)明A2O工藝N2O的產(chǎn)生不但與NO2--N有關(guān), 而且在不同季節(jié)NO2--N閾值不同. 因此, 為實(shí)現(xiàn)A2O工藝N2O減排, 在工藝不同季節(jié)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)將NO2--N控制在不同的閾值范圍內(nèi).
N2O產(chǎn)生同樣受到DO控制水平的影響. AOB、亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的氧半飽和系數(shù)分別在0.4 mg·L-1和1.4 mg·L-1左右, 在DO有限的情況下氧親和力較低的NOB會(huì)受到限制, 進(jìn)而造成NO2--N積累, 使得N2O排放增加[29, 30]. DO也可能會(huì)直接影響系統(tǒng)N2O的產(chǎn)生, 硝化過(guò)程中AOB在限氧情況下會(huì)利用NO2--N作為電子受體進(jìn)行反硝化作用而產(chǎn)生N2O；反硝化過(guò)程中Nos對(duì)DO極為敏感, DO的存在會(huì)抑制N2O到N2的轉(zhuǎn)化[31, 32]. 較高的底物、污泥濃度及污泥齡使得冬季好氧區(qū)ρ（DO）平均值控制在0.7 mg·L-1左右, 遠(yuǎn)低于夏季1.2 mg·L-1的DO水平, 這可能也是兩個(gè)季節(jié)N2O排放差異較大的原因. Wang等[12]在對(duì)濟(jì)南污水處理廠A2O工藝的研究中發(fā)現(xiàn), 好氧區(qū)在ρ（DO） > 2.0 mg·L-1時(shí), 其Gas-N2O通常低于0.72 g·（m2·d）-1, 而Gas-N2O在ρ（DO） < 2.0 mg·L-1的情況下, Gas-N2O將隨DO濃度的降低而不斷升高. 本研究中好氧區(qū)DO濃度的提高將會(huì)明顯減少N2O產(chǎn)生, 夏季尤為明顯, ρ（DO）控制在1.2 mg·L-1時(shí)其Dis-N2O僅為ρ（DO）在0.9 mg·L-1時(shí)的1/10左右. 因此, 在A2O工藝好氧區(qū)維持相對(duì)較高的DO有利于N2O減排.
pH被認(rèn)為是控制污水生物脫氮效率的重要因素. 在污水處理過(guò)程中, 參與氮代謝途徑的酶活性與pH有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián), 對(duì)N2O產(chǎn)生也有著顯著影響. pH還可以與NH4+-N和NO2--N耦合為不同濃度的游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）進(jìn)而影響N2O的產(chǎn)生[33]. 最近的研究指出ρ（FNA）在大于0.45×10-2 mg·L-1的情況下才有可能影響N2O的產(chǎn)生[34], 而測(cè)試期間A2O工藝的FA或FNA濃度極低, 因此, pH可能通過(guò)影響細(xì)菌細(xì)胞酶促效率而影響N2O的產(chǎn)生. 與通過(guò)富集AOB來(lái)探究pH對(duì)N2O產(chǎn)生影響的相關(guān)研究類似[35], 本研究中pH與N2O產(chǎn)生呈正相關(guān)關(guān)系. Su等[36, 37]在pH對(duì)N2O產(chǎn)生速率影響的先后研究中也發(fā)現(xiàn)N2O產(chǎn)生速率隨pH的增加而增加, pH在8.0與6.5時(shí)的N2O產(chǎn)生速率相差可達(dá)7倍, 這可能是因?yàn)閰⑴c氮代謝的相關(guān)酶適宜的pH條件不同, pH變化導(dǎo)致酶活性的改變進(jìn)而影響了N2O的產(chǎn)生.
NO2--N是本A2O工藝中N2O產(chǎn)生的最關(guān)鍵因素之一, 其積累水平將顯著影響N2O產(chǎn)生. DO既可能直接影響N2O產(chǎn)生, 也可能在低DO條件下因抑制NOB活性導(dǎo)致NO2--N積累而間接影響N2O的產(chǎn)生. 氮代謝相關(guān)酶具有不同的pH適宜范圍, 這可能使得N2O產(chǎn)生量也有所不同.
3 結(jié)論（1）城市污水處理廠A2O工藝厭氧區(qū)和缺氧區(qū)能夠有效去除回流污泥中含有的Dis-N2O, 而好氧區(qū)是N2O產(chǎn)生和排放的主要區(qū)域, 其產(chǎn)生途徑可能以AOB反硝化為主.
（2）城市污水處理廠夏季和冬季N2O產(chǎn)生有顯著差距, 其N2O釋放通量平均值相差可達(dá)7.6倍, 冬季N2O排放量平均值為32.75 kg·月-1, 明顯高于夏季的6.06 kg·月-1.
（3）NO2--N積累和DO濃度對(duì)N2O產(chǎn)生均有顯著影響, 因而為實(shí)現(xiàn)A2O工藝N2O減排, 好氧區(qū)在冬季和夏季時(shí)ρ（NO2--N）應(yīng)分別控制在0.40 mg·L-1和0.10 mg·L-1以下；而ρ（DO）應(yīng)維持在1.2 mg·L-1以上.
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