静置/好氧/缺氧新型脱氮除磷系统N2O产生特性及减量化控制研究

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污水生物脱氮过程会排放大量强温室气体氧化亚氮(N2O),易加剧全球气候变暖。本课题组前期研究提出了静置/好氧/缺氧(SOA)生物脱氮除磷系统,但其中的N2O产生特性尚不清楚,这制约了该技术的推广与应用。本文通过监测SOA系统的N2O排放量与排放系数,并与传统厌氧/好氧/缺氧(AOA)系统进行比较,考察了SOA系统中的N2O产生特性;随后,将静置时间由60 min缩短至30和15 min,探究了静置时间对N2O排放的影响及其机理,确定最适静置时间;最后,通过对比不同溶解氧(DO)浓度(4.10、2.03、0.99和0.52 mg/L)下N2O排放的变化,考察了DO浓度对SOA系统中N2O排放的影响,并从游离亚硝酸(FNA)积累、微生物活性、电子传递等方面分析了DO对N2O排放的作用机理,获得最佳DO浓度。结果表明,SOA系统可取得良好的脱氮除磷效果,总氮和磷的去除率分别为82.0%和85.6%,略低于传统AOA系统中的82.3%和88.5%。然而,SOA系统中N2O的排放量和排放系数分别为10.8 mg和7.32%,明显高于传统AOA系统中的7.88 mg和5.32%,说明SOA系统中N2O的排放相比传统脱氮除磷系统显著增加。进一步研究发现,通过缩短静置时间可有效减少SOA系统N2O的排放。随着静置时间从60 min缩短至30和15 min,N2O排放量从10.8 mg分别降至5.51和5.30 mg,排放系数从7.32%分别降至3.69%和3.58%。机理分析表明,缩短静置时间有利于微生物在好氧段更充分地吸收和利用外碳源,以保证后续反硝化过程进行彻底,从而降低N2O的产生。尽管缩短静置时间对系统的脱氮性能无明显影响,但显著抑制了磷的去除。静置时间缩短至15 min时系统除磷效率降至77.1%。综合考虑系统的脱氮除磷效果与N2O排放,SOA系统最适静置时间为30 min。同时,好氧段DO浓度也对SOA系统中N2O的排放有显著影响,低氧环境更利于N2O的产生。随着DO由4.10降至0.52 mg/L,N2O的排放系数从1.51%增至4.32%。其中,由氨氧化细菌(AOB)产生的N2O在SOA系统N2O总产生量中的占比从87.0%增至92.6%。分析表明,低氧环境使得好氧代谢和电子传递能力降低,因而加剧还原酶之间的电子竞争。曝气强度的减弱及FNA细胞毒性对亚硝酸盐氧化细菌的影响大于对AOB的影响,从而进一步增加了FNA的积累潜力,进而诱导N2O的产生。兼顾脱氮除磷性能和N2O减排,SOA系统好氧段DO浓度应控制在2.0 mg/L。
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