N2O是強溫室氣體，同時也是可再生能源，當其替代O2與甲烷燃燒時可以提高熱值，還可以用于醫學、工業以及半導體行業等。由于污水處理過程是N2O釋放的重要人為來源，因此生物脫氮過程中N2O的富集成為研究熱點之一。食品加工、制造及釀酒等行業會產生大量酸性有機含氮廢水，在反硝化脫氮之前，常需加堿進行預處理，這會增加系統的復雜性與運行費用。研究酸性條件下反硝化的性能，可為此類廢水的直接處理提供依據。已有研究表明，酸性條件和游離亞硝酸（FNA）濃度是影響反硝化過程中N2O產率的重要因素。Thörn等研究發現，在酸性條件下，40%以上的NOx-會以N2O的形式積累。Pan等研究恒定pH對反硝化的影響時發現，當pH為6.0時，N2O的釋放率高達40%。有學者推測酸性條件下產生的FNA通過抑制N2O還原酶的活性增加N2O的釋放。由于FNA是酸性條件下NO2-質子化的結果，真正的抑制劑仍需進一步明確。
NO2-型反硝化是順序反應的過程，依次由亞硝酸鹽還原酶（NIR）、NO還原酶（NOR）和N2O還原酶（NOS）將NO2-還原為NO、N2O和N2。作為中間產物，N2O的凈產率同時受其產生和還原的影響，研究酸性條件下N2O的還原特性可為其富集機理提供依據。由于N2O是溶解性氣體，傳統測定方法存在困難，而微電極可連續測定其濃度的變化，這就為其檢測提供了有效手段。
筆者以NO2-型反硝化活性污泥為研究對象，分析了SBR系統在酸性進水條件下的反硝化運行特征和N2O釋放行為，并探討了影響N2O還原速率的因素，旨在揭示酸性條件下N2O積累的機理，并為生物反硝化過程中N2O的富集回收提供依據。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
連續試驗采用SBR裝置，其有效容積為0.6L，排水比為0.33。每天運行4個周期，單周期為6h，即進水5min、攪拌240min、沉淀60min、排水5min、閑置50min。采用磁力攪拌方式，在室溫條件下運行，水溫為20~25℃。
批式試驗反應器的有效容積為0.6L，使用N2進行吹脫（氮氣流速為0.2L/min）以實現泥水完全混合，并將產生的N2O吹脫出來。
1.2 污泥來源和試驗用水
試驗所用污泥為課題組前期馴化完成的NO2-型反硝化污泥，其整體為黃褐色絮體，MLVSS/MLSS約為0.8，采用酸性廢水進行馴化，進入反應器污泥的初始pH為5.5，反應器中污泥濃度約為4000mg/L，每天排混合液，控制泥齡約為15d。
采用人工配制試驗用水，其由乙酸鈉、亞硝酸鈉和微量元素組成，微量元素按文獻配制，投加量為1mL/L。運行階段NO2--N濃度控制在100~120mg/L，保持C/N為3。
1.3 試驗方案
連續運行及典型周期試驗：SBR正常運行過程中，連續監測進出水COD、NO2-的濃度及N2O釋放量。定期分析典型周期碳、氮轉化及N2O釋放特性。
酸性pH及FNA對N2O釋放的影響：取0.2LSBR中的污泥，洗泥3次后置于批式反應系統中，采用人工配水進行試驗，反應時間為4h，反應溫度控制在22℃。每10min采集一次氣體測定N2O濃度，每30min采集一次液體測定NO2-和COD濃度，試驗結束后測定MLSS和MLVSS濃度。pH影響試驗中，初始NO2--N濃度為80mg/L，以0.2mol/L的HCl或NaOH保持系統內pH恒定，分別在pH為5.0、5.5、5.8、6.0、6.5、7.0的條件下進行試驗，pH的變化幅度不超過±0.1。FNA影響試驗中，控制反應中pH恒定為5.8，通過添加不同濃度的NO2（-10、30、40、50、70、90mg/L）使FNA的初始濃度分別為0.16、0.44、0.68、0.84、1.16、1.54mg/L。
酸性pH及FNA對N2O還原速率的影響：通入N2O標準氣體配制飽和溶液，稀釋65倍，配制初始濃度為10μmol/L的水溶液（a溶液）備用。a溶液在不同pH（5.5~7.0）條件下以N2O為基質進行批式試驗。a溶液中加入少量亞硝酸鹽制成b溶液，在不同pH（5.5~7.0）條件下形成不同FNA濃度進行批式試驗。反應時間為15min，通過水浴加熱控制溫度為（20±1）℃。用N2O微電極測定N2O濃度，試驗結束后測定MLSS和MLVSS，并計算還原速率。
1.4 分析項目及方法
COD采用重鉻酸鉀法測定；亞硝酸鹽采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定；硝酸鹽采用紫外分光光度法測定；MLSS、MLVSS采用重量法測定；溶解性N2O利用微電極測定，測定前進行校準。
N2O氣體的采集：批式試驗產生的N2O氣體用氮氣進行吹脫，使用50mL注射器在反應器上部集氣區采集氣體樣品，用氣相色譜儀進行測定。氣體分析與計算：利用PE600氣相色譜儀對樣品中的N2O濃度進行分析。N2O的釋放速率和釋放量參考Kong等、Kimochi等的方法進行計算。
2、結果與討論
2.1 酸性進水條件下NO2-型反硝化的運行特性
課題組前期馴化得到適應酸性條件（pH=5.5）的NO2-型反硝化活性污泥，接種后再次降低進水pH至5.0并使其穩定，研究酸性條件下NO2-型反硝化的運行特性，并在80d時分析了SBR反應器典型周期內C、N轉化及N2O釋放特性，結果如圖1所示。由圖1（a）可以看出，NO2-型反硝化在酸性條件下運行穩定。當初始pH為5.0時，出水NO2--N濃度為0~0.8mg/L，其去除率大于99%；出水COD為33~51mg/L，其去除率為86.1%~90.9%。經計算，去除的C/N在1.98~2.60之間。由圖1（b）可以看出，隨著反應的進行，NO2-和COD均隨時間的增加呈降低趨勢。經計算，NO2-的還原速率為10.88mg/（gMLVSS·h），消耗的C/N為2.28。N2O的釋放主要發生在前90min，最大釋放速率為58.27μg/（gMLVSS·min），有7.17%的NO2-轉化為N2O，釋放速率隨時間呈先升后降的趨勢。
2.2 pH對NO2-型反硝化及N2O轉化特性的影響
pH對C、N轉化及N2O釋放速率的影響如圖2所示。可以看出，在不同pH條件下，NO2-和COD濃度均隨時間的增加呈下降趨勢，但反硝化速率不同。當pH為7.0時，60min內完成了NO2-的還原，但N2O的釋放主要發生在前30min。隨著pH由5.8降至5.0，出水NO2-濃度呈升高趨勢。當pH為5.0時，NO2-去除率僅為43.3%。不同pH條件下，N2O釋放呈現不同的特點。當pH分別為7.0、6.5時，N2O的釋放速率隨時間呈先升高后降低的趨勢，且主要發生在反應前期，分別在第10、25分鐘達到釋放速率峰值。當pH為6.0時，N2O釋放速率呈先升后降的趨勢，在20~100min保持較高的釋放速率并出現了4個較明顯的釋放速率峰值。當pH≤5.8時，N2O釋放速率隨時間增加呈先上升后趨于穩定的趨勢。
不同pH條件下N2O的釋放特性見圖3。
從圖3可知，酸性條件對NO2-還原速率及N2O釋放量與轉化率的影響顯著。經計算，隨著pH的降低，NO2-還原速率明顯下降，pH為7.0時NO2-還原速率是pH為6.5的2.3倍。當pH降至5.0時，還原速率僅為7.0時的11.67%，表明酸性環境對反硝化具有抑制作用。由圖3可知，隨著pH的降低，N2O轉化率和釋放量均呈先升高后降低的趨勢，N2O轉化率在pH為5.8時達到最大，為26.26%；當pH降至5.0時，N2O轉化率降至5.78%。呈現這種規律的原因可能是，以NO2-為電子受體時，較低的pH對系統中NIR、NOR、NOS的活性產生了不同程度的影響。
彭永臻等的研究表明，pH對于以NO2-為電子受體的反硝化過程影響顯著，除pH本身外，產生的FNA也會影響C、N的轉化特性。由圖3還可以發現，當pH由7.0降至5.0時，NO2-還原速率大幅降低，表明在酸性條件下NIR活性受到抑制，且pH越低抑制程度越嚴重。同時，酸性條件下NO2-的積累產生了較高濃度的FNA，然而N2O的釋放量和轉化率并未隨著pH的降低呈單向升高的趨勢，因此pH低于5.8時，很可能是pH及FNA對NOR的抑制更嚴重，導致N2O凈產量下降。有研究報道，在以NO2-為電子受體時，FNA是N2O還原酶的主要抑制劑。因此，分析相同pH、不同FNA濃度條件下NO2-還原及N2O釋放特征有助于探明FNA對NO2-型反硝化的影響。
2.3 FNA對NO2-型反硝化及N2O轉化特性的影響
FNA對C、N轉化及N2O釋放速率的影響如圖4所示。可知，隨著FNA濃度的升高，COD和NO2-濃度均隨反應時間呈下降趨勢，但NO2-還原速率呈先升后降的趨勢，由4.03mg/（gMLVSS·h）（FNA濃度為0.16mg/L）升至5.34mg/（gMLVSS·h）（FNA濃度為0.44mg/L），然后逐漸降至2.30mg/（gMLVSS·h）（FNA濃度為1.54mg/L）。此外，不同FNA濃度下的N2O釋放速率不同。低FNA濃度（0.16~0.68mg/L）時，N2O釋放速率隨時間的增加整體呈先升高后降低的趨勢，且N2O的釋放時間隨FNA的升高而增加。高FNA濃度（0.84~1.54mg/L）時，N2O釋放速率在整個反應過程中均維持較高水平。經計算，N2O轉化率隨FNA的升高呈先升后降的趨勢，當FNA=0.84mg/L時，達到最大值42.56%。
FNA是NO2-質子化的結果，改變pH或NO2-濃度均影響FNA濃度。將兩種條件下（酸性pH和NO2-濃度的變化）的FNA濃度與NO2-還原速率和N2O轉化率進行了線性擬合，結果如圖5所示。可知，FNA濃度在特定區間內與NO2-還原速率具有線性負相關關系，與N2O轉化率具有線性正相關關系，但是進一步升高FNA濃度則降低了N2O產率。由圖5（a）可知，pH改變時FNA濃度在0.169~1.641mg/L區間與NO2-還原速率具有線性負相關關系，相關系數為0.9833。當初始FNA濃度為0.052、5.26mg/L時，NO2-的還原速率分別為25.28、2.95mg/（gMLVSS·h），表明FNA濃度低于一定水平，即pH較高時，其對NO2-還原速率的抑制作用微弱；當FNA濃度高出某一閾值，即pH較低時，其對NO2-還原速率的抑制作用增長不明顯。當FNA濃度處于0.052~1.031mg/L區間時，N2O轉化率與FNA濃度具有線性正相關關系，相關系數為0.9977，N2O轉化率在FNA為1.03mg/L時達到最大值26.26%；當FNA濃度繼續增至1.64、5.26mg/L（即pH分別為5.5和5.0）時，N2O轉化率降至13.54%、5.78%，表明過低的pH不利于N2O的富集。
由圖5（b）可知，隨著FNA濃度的升高，N2O轉化率呈現先升后降的趨勢。當FNA處于0.44~0.84mg/L區間時，FNA濃度與NO2-還原速率具有線性負相關關系，相關系數為0.9884；當FNA濃度繼續增至1.16、1.54mg/L時，NO2-還原速率緩慢降至2.98、2.76mg/（gMLVSS·h），FNA濃度與NO2-還原速率突破原有的線性關系，表明過高的FNA濃度對NO2-還原的抑制作用快速減弱。當初始FNA濃度為0.16mg/L時，NO2-還原速率低于濃度為0.44mg/L時的還原速率6.26mg/（gMLVSS·h），推測原因是初始NO2-基質濃度過低所致。當FNA處于0.16~0.84mg/L區間時，FNA濃度與N2O轉化率具有線性正相關關系，相關系數為0.9955，因為FNA抑制NOS活性，導致N2O還原速率下降。當FNA濃度為0.84mg/L時，N2O轉化率達到最大值42.56%。當FNA濃度繼續增至1.16、1.54mg/L時，N2O轉化率降至36.20%、35.29%。
綜上所述，基于酸性pH或NO2-濃度改變所得FNA濃度均在一定區間內與N2O轉化率具有正相關關系，相關系數分別為0.9977和0.9955，進一步證明了酸性條件下FNA是NOS的主要抑制劑，與現有研究結論相一致。當FNA超過一定濃度或pH低于5.8時，N2O轉化率下降，表明過高的FNA濃度及過低的pH不利于N2O的富集。
2.4 pH和FNA對N2O還原速率的影響
pH和FNA對N2O還原速率的影響如圖6所示。從圖6（a）可以看出，當pH由7.0降至5.5時，N2O的濃度均呈降低趨勢。經計算，當pH為7.0和5.5時，N2O的還原速率分別為4.78×10-5和3.58×10-5g/（gMLVSS·min），后者較前者降低了25.1%。由圖6（b）可知，隨著pH從7.0降至5.5，N2O的還原速率同樣逐漸降低，由4.74×10-5g/（gMLVSS·min）降至3.01×10-5g/（gMLVSS·min），降低了36.5%。當加入少量NO2-，即存在FNA時，N2O還原速率均低于無FNA存在時的，當pH為6.0和5.5時尤為顯著。通過對比發現，pH和FNA都會抑制N2O還原酶的活性，且存在FNA時，抑制程度增強。而以單一N2O作為基質時，N2O消耗速率受影響較小，當添加了一定量NO2-后，隨pH的降低N2O消耗速率大幅下降，因此FNA濃度是NOS活性的主要抑制劑。
由圖3可知，隨著pH的降低，N2O轉化率和釋放量均呈先升高后下降的趨勢。由圖6（a）可知，以N2O為電子受體時，隨著pH的降低，N2O還原速率逐漸下降，因此當pH低于5.8時，N2O釋放量降低是pH抑制NOR所致，即過低的pH降低了N2O的產生。Field等發現，N2O合成酶的最適pH為6.0，這與本試驗結果一致。同理，FNA濃度對N2O轉化率和釋放量的影響類似，較高FNA濃度下，N2O釋放量降低也是因FNA抑制NOR所致。
3、結論
①利用微電極研究了酸性條件（5.5~7.0）對N2O還原的影響，發現N2O的還原速率隨pH的下降及FNA濃度的升高呈降低趨勢，且存在FNA時降低幅度增大，表明酸性條件及FNA均可抑制NOS活性，且后者是主要抑制劑。
②NO2-還原速率隨pH降低而下降，而N2O轉化率先升后降，當pH為5.8時可獲得最大轉化率，證明過低的pH會抑制NOR活性，導致N2O產量減少。
③在pH為5.8、FNA為0.16~0.84mg/L條件下，N2O轉化率與FNA濃度具有正相關關系，而過高的FNA濃度會抑NOR活性，導致N2O產量下降。（來源：中國市政工程華北設計研究總院有限公司西安分公司，西安建筑科技大學環境與市政工程學院，、陜西省膜分離技術研究院陜西省膜分離重點實驗室）
