污水土地处理系统氧化亚氮的产生特征

1、污水土地处理系统氧化亚氮的产生特征 学 校： 学 院： 班 级： 姓 名： 学 号： 摘要 氧化亚氮(N20)是大气中的一种痕量气体,也是一种重要的温室效应气体,还可使臭氧层遭到破坏。大气N2O浓度呈不断上升趋势,其上升与人类活动关系极大,对环境的潜在破坏性也愈加严重。土壤是N2O的重要产生源,污水土地中的硝化作用和反硝化作用是N2O的主要生成过程。本文介绍了污水土地处理过程中 N2O的产生途径、机理、影响因素以及特征，并对今后N2O减排趋势提出建议措施。关键字 污水 土地处理 氧化亚氮 特征 1引言氧化亚氮(N2O)是大气温室效应气体之一,对环境有着多方面的影响。N2O在对流层中可以吸收来自

2、陆地的热辐射,减少地表向外层空间的热幅射,从而产生温室效应; N2O还可以破坏同温层中的臭氧,大气中N2O浓度增加一倍,臭氧层中的臭氧将减少10%,而到达地面的紫外线辐射强度会增加20%,导致人类皮肤癌和其他疾病的发病率迅速上升,并带来其它的健康问题1,2。因此人们越来越关注N2O浓度升高对全球气候变暖和臭氧层的影响。2土地处理系统中 N2O排放的研究进展20世纪70年代，国外开始展开温室气体源、汇和输送规律的研究，世界气象组（WMO）、世界卫生组织（WHO）和联合国环境规划属（UNEP）等发起和组织了“ 大 气 本 底 污 染 监 测 网 （ Background Air Pollution

3、 Monitoring Network, BAPMON）”，对大气本底及污染状况急性长期的全球性监测。大量的研究表明，土壤植物生态系统是N2O的主要源与汇。90年代，污水以及污水处理过程中产生的温室气体问题，成为人们关注的热点。以地下渗滤系统和湿地系统为对象，对土地处理系统运行过程中CH4和N2O等温室气体的排放规律进行初步研究，结果表明，土地处理系统在运行过程中产生一定数量的温室气体，但通过相应的减排措施，可以大大减少这些温室气体，使之不对周围生态环境产生负面效应。我国温室气体的研究始于20世纪90年代，对农田土壤排放N2O的研究较多，大多侧重于N2O排放通量的测定、某些相关因子对通量的影响

4、及通量估算模型的建立等方面。目前，土壤植物生态系统中N2O排放通量呈增加趋势。据报道，生态土壤系统N2O排放通量较高。土壤中氮氧化物的排放通量和土壤氮的生物有效性具有正相关关系。大气中65%以上的N2O来自于土壤的硝化、反硝化作用。研究生态土壤系统中氮素的生物转化、N2O通量预测以及排放与氮素去除的关系对于正确设计、推广和评价生态土壤系统具有重要的理论意义和实际意义。应用氮循环数学模型预测生态土壤系统脱氮效率和N2O排放通量成为提高污水脱氮水平和控制温室气体排放的必然要求。 随着人们对污水处理效率、出水水质以及节能要求的提高，污水处理将由经验判断走向定量分析。在对污水土地处理技术不断深入研究的

5、基础上，生态土壤系统的设计和运行必将从简单地采用经验和规范发展到使用数学模型来指导建设和生产。由于水生植物的种属、栽种方式和生态土壤系统运行方式的不同，生态系统中氮循环存在一定的差异。以往的氮循环模型只考虑了特定系统在特定条件下氮素的去除，不能反映生态土壤系统的许多典型工艺特点，因而使其适用范围受到限制。 基于对污水深度脱氮的迫切要求及我国的具体情况，有必要开发高效低能的污水处理工艺并以此为基础建立一套完整的数学模型指导生态土壤系统的设计和运行管理。3污水土地处理系统中N2O的产生3.1N2O的产生机理N2O主要产生于污水生物处理的脱氮过程。硝化过程和反硝化过程是生物脱氮的两个主要过程，分别由

6、硝化菌和反硝化菌作用完成。生物脱氮的原理就是在这两种微生物的作用下，将氨氮转化为气态氮，从而达到脱氮的目的，而这两个过程都可以诱发N2O的产生。（）硝化过程的产生机理硝化作用主要是指污水中的氨氮在好氧条件下被硝化菌氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的反应，主要包含氨氧化和亚硝酸盐氧化两个阶段。氨氧化阶段，即氨氮氧化为亚硝酸盐的阶段，由AOB完成，催化此过程的酶为胺氨单加氧酶(AMO)和羟胺氧化还原酶(HAO)。亚硝酸盐氧化阶段，即亚硝酸盐氧化为硝酸盐的阶段，由NOB完成，催化此过程的酶为亚硝酸盐氧化还原酶(NOR)。硝化过程中产生N2O的原因主要是由于亚硝酸盐的积累，在亚硝酸盐积累的条件下，AOB为避免亚

7、硝酸盐对细菌的毒性作用，利用胞内诱发产生的异构亚硝酸盐还原酶，将亚硝酸盐作为电子受体产生N2O。低溶解氧和短污泥龄均会导致亚硝酸盐的积累，进而导致N2O的产生。也有研宄表明，一些好氧硝化菌（如AOB）在低溶解氧条件下可以进行反硝化反应，即利用氨氮氧化过程产生的电子将亚硝酸盐异化还原为N2O。另外，目前己有学者发现了异养硝化菌的存在，异养硝化过程也可产生N2O。因此，亚硝酸盐的积累是硝化过程产生N2O的最主要原因。低溶解氧，低pH均是通过影响业硝酸盐的积累来导致的产生。（）反硝化过程的产生机理反硝化作用主要是指污水中的硝酸盐在反硝化菌作用下还原为氮气的过程，主要涉及四个阶段，分别由四种酶催化完成

8、.这四种酶分别为：硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶和氧化亚氮还原酶。N2O是反硝化过程的中间产物，其产生途径主要有两种：外界因素抑制Nos 的活性，使产生的N2O不能够进一步还原为氮气，导致N2O累计。污水处理系统中影响Nos 活性的因素较多，如过高的DO浓度、低的pH，低的C/N以及有毒物质（金属离子、H2S等，这些因素的都能影响N2O的产生；一些反硝化菌不具有Nos，其反硝化产物为N2O。另外，在曝气硝化阶段，一些反硝化细菌可以利用包内聚合物为碳源进行反硝化，将硝化过程产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原为N2和N2O。3.2N2O的影响因素主要产生于污水处理过程中的硝化和反硝化过程，其

9、影响因素可以归纳为以下四类：污水水质、工艺类型、运行参数以及微生物种群结构。（1）污水水质 = 1 * GB3 COD/NCOD/N决定反硝化进行的程度，主要影响反硝化阶段的产生。COD/N越高，反硝化程度高，脱氮效果好。当外源碳不足，COD/N较低时，反硝化菌无法获得足够的碳源进行反硝化，反硝化不彻底，导致亚硝酸盐积累，N2O释放量增加。碳源种类碳源的种类对反硝化过程有重要影响，主要影响反硝化阶段N2O的产生。Van Rijin等人研宄了反硝化过程中N2O的产生情况，结果发现当以乙酸或丙酸为碳源时，系统中出现亚硝酸盐积累，N2O产生量高；而当以丁酸或戊酸为碳源时，亚硝酸盐积累消失，N2O产生

10、量低。Adouani等人研究了三种不同碳源条件下的产生情况，结果发现发现当采用乙酸为碳源时N2O的产生量占反硝化氮去除的74%。盐度很多城市污水由于包含大量的工业废水，导致其较高的盐度。较高的盐度不但影响氮的去除，而且也影响N2O的产生。Tsuneda等人研宄了不同盐度下污水处理工艺中的产生量。结果表明：曝气硝化阶段，随着盐度的增加，N2O产生量升高；缺氧反销化阶段，盐度对N2O的产生量影响不大。有毒有害物质城市污水，尤其是工业废水中经常含有一些有毒有害物质，例如盐，H2S，甲酸，乙稀，重金属离子等。Nos容易受这些物质的影响，导致活性受到抑制，进而导致N2O产生。Schnharting等人研

11、究发现，当H2S浓度高于0.32mg/L时，Nos活性受到强烈抑制，污水处理厂有大量N2O产生。Garrido等人向生物滤池中投加甲醛，发现当甲酸投加量超过一定浓度时，N2O释放量急剧升高，停止投加后，几乎没有N2O的释放。（2）工艺类型不同污水处理工艺过程中N2O的产生量明显不同。Jia等人研究了同步硝化反硝化工艺（SND）和常规硝化反销化工艺（SQND）中N2O的产生情况，结果表明，SND中的产生量明显高于SQND。此外，吕锡武等人也得到同样结论。Park等人认为附着生长系统中的产生量明显低于悬浮生长系统，主要是由于载体或填料上可以固着对产生起控制作用的菌种。造成不同工艺类型中产生量明显不

12、同的原闽，主要就是因为同工艺类型运行条件不同，富集了不同的微生物类群。（3）微生物种群微生物种群结构决定着污水生物脱氮过程的代谢途径和代谢产物。随着微生物学和分子生物学的发展，在污水生物处理系统中分离和鉴定出了许多新的菌种，不同菌种的产出能力不同。Kim等发现，投加粪大肠杆菌的生物流化床不但具有较好的脱氮效果，同时N2O释放量较低。Noda等从A/O工艺的缺氧池中分离得到了22种含有的基因序列，如使这一类反硝化菌成为污水处理系统中的优势菌群将有利于减少反硝化过程中的释放量。此外，Chen等人从猪场废水中分离出其能进行同步硝化反确化反应，并且反硝化产物中的产生量不到，远低于文献中报道的同步硝化反

13、硝化过程中的产生量。4. N2O 的排放特性硝化反应是铵的一阶反应，评价硝化过程中N2O 的排放量，需要 2 份数据，(1)总 N2O 通量；(2) 功能菌的分布特性和 NH4+-N 浓度。王延华等人的额实验 11 个生态土壤系统的 N2O 通量对比图如图1、图2和图3所示。图1 单独栽种生态土壤系统的N2O 通量（低负荷进水）（C：无植物床；TL，香蒲；ZL，茭白；PA，芦苇 L：低负荷进水；H：高负荷进水）图2 单独栽种生态土壤系统的N2O 通量（高负荷进水）图3 混栽生态土壤系统的N2O 通量（C：无植物床；P1：香蒲、茭白、芦苇； P2：芦苇、香蒲； P3：芦苇、茭白）由图1，图2可知，单独栽种生态土壤系统，N2O 排放峰值出现在夏季 7月份。N2O 排放峰值随着进水负荷增加成倍增长。生态土壤系统运行时间越长，同比 N2O 排放量越大，06 年排放峰值明显高于 05 年。植物枯萎期，植物床和无植物床N2O 通量没有明显区别。全年 N2O-N 转化率从 0.2%到 1.26%。研究报道显示，生态污水处理系统在处理过程中排放的 N2O 范围为-17346 mg N2O/m2/d。污水处理厂处理过程中排放的 N2O 范围为 03457 mg N2O/