N2O 是強(qiáng)力溫室氣體, 其溫室效應(yīng)是CO2的200~300 倍｡據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年在污水處理過程中排放的N2O 為0.3×1012~3.0×1012 kg, 占全球N2O 排放總量的2.5% ~25%〔1〕｡由于污水處理的多樣性和復(fù)雜性,有效控制污水處理過程中N2O 的排放任重而道遠(yuǎn)｡

　　污水脫氮中的N2O 排放是微生物與其周圍環(huán)境共同作用的結(jié)果, 環(huán)境條件和微生物之間是內(nèi)外因關(guān)系,環(huán)境因素通過微生物影響N2O 排放｡研究表明,參與污水脫氮的微生物(如硝化菌､反硝化菌等)在N2O 的產(chǎn)生能力上存在較大差異〔2-3〕｡如果某污水脫氮系統(tǒng)中微生物群落由N2O 產(chǎn)生能力強(qiáng)的菌組成,那么該系統(tǒng)的N2O 排放量就可能高,反之亦然｡這是污水脫氮中微生物群落影響N2O 排放的可能途徑｡近年來, 為了有效控制污水脫氮中N2O的排放,國內(nèi)外學(xué)者圍繞pH､DO､C/N､泥齡､底物濃度等不同環(huán)境因素對N2O 排放的影響進(jìn)行了一些研究〔4-5〕｡但迄今為止,很少涉及到污水脫氮中微生物群落對N2O 排放的影響｡

　　筆者在不同NH4+濃度下研究了系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化效率與微生物群落對N2O 排放的影響,以期為有效控制污水處理中N2O 的排放提供參考｡

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及工藝

　　實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑260 mm､高360 mm 的圓柱形SBR 反應(yīng)器,其有效容積為15 L｡以黏砂塊作為微孔曝氣器, 采用鼓風(fēng)曝氣, 以轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量｡

　　1.2 種子污泥及實(shí)驗(yàn)用水

　　種子污泥取自當(dāng)?shù)啬持扑帍S污水處理池｡研究采用模擬污水, 模擬污水由葡萄糖､(NH4)2SO4､NaHCO3､NaCl､CaCl2､KH2PO4､MgSO4·7H2O 配制而成｡模擬污水的pH 為7 左右, 反應(yīng)過程中不再調(diào)pH｡

　　1.3 污泥馴化及實(shí)驗(yàn)方法

　　將2 000 mg/L 的種子污泥置于SBR 反應(yīng)器,在室溫條件下進(jìn)行馴化, 實(shí)驗(yàn)期間水溫為25~28 ℃｡SBR 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工序?yàn)樗矔r(shí)進(jìn)水0.5 h､曝氣攪拌5 h､缺氧攪拌2 h､沉淀排水1 h 及閑置,每天運(yùn)行1~2 個(gè)周期｡曝氣階段的曝氣強(qiáng)度為2.5 L/min｡污泥馴化階段,好氧硝化段進(jìn)水NH4+為40 mg/L,COD 為400 mg/L,缺氧反硝化段補(bǔ)充加入COD 200 mg/L｡經(jīng)過40 d 左右的馴化,當(dāng)污泥質(zhì)量濃度達(dá)到4 000mg/L 左右, 總氮和COD 去除率穩(wěn)定達(dá)到95%以上時(shí),認(rèn)為污泥馴化結(jié)束｡

　　當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),在NH4+質(zhì)量濃度為20､40､60 mg/L 的條件下, 分析了氮素轉(zhuǎn)化過程中的N2O排放及微生物群落特征｡其他條件和污泥馴化時(shí)的工藝條件相同｡

　　1.4 反應(yīng)氣采集及N2O濃度測定

　　SBR 工藝曝氣階段, 從氣體排放口中直接采集反應(yīng)氣;缺氧反硝化段,以吹出的方式采集反應(yīng)器中液體表面的反應(yīng)氣｡

　　氣樣中N2O 的濃度用氣相色譜儀電子捕獲檢測器(ECD)進(jìn)行檢測｡檢測條件:柱溫40 ℃､進(jìn)樣口溫度60 ℃､檢測器溫度330 ℃,柱子采用Porapak Q毛細(xì)管柱, 載氣為純氮｡實(shí)驗(yàn)中,N2O 標(biāo)準(zhǔn)氣(5.27μmol/mol)由南京麥克斯公司提供｡

　　1.5 其他化學(xué)指標(biāo)分析

　　污水COD､NH4+-N､NO3--N､NO2--N 等指標(biāo)的測定采用國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法〔6 〕｡1.6 微生物群落分析實(shí)驗(yàn)采用PCR-DGGE(Polymerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoreses)方法,分析不同NH4+-N 濃度下的微生物群落特征｡污泥樣品前處理､總DNA 提取及純化按文獻(xiàn)〔7〕的方法進(jìn)行｡使用通用引物P2(5’-ATTACCGCGGCTGCTGG-3’) 和P3 (5’ -CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGGGGGGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCAGCG-Ag-3’)擴(kuò)增基因組總DNA 16S rDNA V3 區(qū),PC 擴(kuò)增體系和程序見文獻(xiàn)〔8〕｡聚丙烯酰胺的變性梯度范圍為35%~60%,DNA 擴(kuò)增產(chǎn)物上樣量為200 ng 左右｡200 V 電壓下,1×TAE 緩沖液中電泳240 min｡電泳完畢后,用0.5 mg/L 的溴化乙錠染色,上UVI 成像系統(tǒng)成像｡所得圖像用BIO-RAD QUANTITYONE 4.0 軟件進(jìn)行分析｡

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 氮素轉(zhuǎn)化與N2O 排放

　　不同NH4+濃度下SBR 系統(tǒng)中的總氮變化如圖1 所示｡

　　由圖1 可見, 當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為20､40 mg/L時(shí),總氮被有效去除,總氮去除時(shí)期分別為第3 小時(shí)和第7 小時(shí);而當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為60 mg/L 時(shí),在整個(gè)脫氮周期內(nèi)總氮去除率只有75%左右｡

　　工藝進(jìn)程中SBR 系統(tǒng)的N2O 排放情況如圖2所示｡

　　由圖2 可見,不同NH4+濃度下SBR 系統(tǒng)的N2O排放量有明顯差異｡如在一個(gè)脫氮周期內(nèi),當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度分別為20､40､60 mg/L 時(shí),N2O 排放量分別為1.16､17.33､89.85 mg｡

　　分析發(fā)現(xiàn), SBR 系統(tǒng)中NH4+轉(zhuǎn)化速率與脫氮中N2O-N 所占的比例呈負(fù)相關(guān)｡如當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為20 mg/L 時(shí), 系統(tǒng)運(yùn)行至第2 小時(shí)時(shí)NH4+全部轉(zhuǎn)化( 見圖3), 此時(shí)系統(tǒng)脫氮中N2O-N 所占比例為0.25%; 當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為40 mg/L 時(shí), 系統(tǒng)中的NH4+到第3 小時(shí)時(shí)全部轉(zhuǎn)化, 和20 mg/L 時(shí)相比,NH4+轉(zhuǎn)化時(shí)期推遲1 h, 此時(shí)系統(tǒng)脫氮中N2O-N 所占比例為1.84%;而當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為60 mg/L 時(shí),NH4+的轉(zhuǎn)化明顯受到抑制,此時(shí)SBR 系統(tǒng)N2O 排放迅速增加(見圖2),脫氮中N2O-N 所占比例上升至6.35%｡實(shí)驗(yàn)中,隨著NH4+濃度的提高,系統(tǒng)脫氮中N2O-N 所占比例最大相差25 倍之多｡

　　2.2 N2O 排放時(shí)期實(shí)驗(yàn)中, 在SBR 工藝的好氧硝化段, NH4+轉(zhuǎn)化的同時(shí)總氮也呈下降趨勢(見圖1､圖3),表明在好氧硝化段發(fā)生了同時(shí)硝化反硝化脫氮作用(SND)｡在一個(gè)脫氮周期內(nèi),當(dāng)SBR 系統(tǒng)硝化反硝化作用順利進(jìn)行､系統(tǒng)有效脫氮時(shí),系統(tǒng)N2O 排放時(shí)期主要在好氧硝化段的同時(shí)硝化反硝化階段(見圖2)｡如本實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為20､40 mg/L 時(shí),系統(tǒng)同時(shí)硝化反硝化階段分別在0~2 h 和0~3 h(見圖1､圖3),在此階段系統(tǒng)排放的N2O 占總N2O 排放量的95%以上｡而當(dāng)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化明顯受到抑制時(shí)(見圖3),如當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度為60 mg/L 時(shí),不僅同時(shí)硝化反硝化過程中大量排放N2O, 而且缺氧反硝化段也有可觀的N2O 排放(見圖2)｡

　　2.3 微生物群落特征

　　采用PCR-DGGE 技術(shù), 分析了不同NH4+濃度下的微生物群落特征, 結(jié)果如圖4 所示｡泳道1 和2､3 和4､5 和6 分別是NH4+質(zhì)量濃度為20､40､60mg/L 時(shí)好氧硝化段和缺氧反硝化段的污泥樣｡

　　由圖4 可知, 每個(gè)條帶代表一個(gè)可能的細(xì)菌類群或可操作分類單位(OTU), 條帶數(shù)越多說明生物多樣性越豐富, 條帶染色后的熒光強(qiáng)度則反映該細(xì)菌的豐富度｡分析發(fā)現(xiàn),不同NH4+濃度下條帶分布不盡相同, 如條帶a~d 是NH4+質(zhì)量濃度為20､40mg/L 時(shí)所共有的條帶, 當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度提高到60mg/L 時(shí),這些條帶消失或明顯減弱;條帶e 和h 是NH4+質(zhì)量濃度為60 mg/L 時(shí)特有的條帶;條帶f､g 和i 是不同NH4+濃度下所共有的條帶等｡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著NH4+濃度的提高,系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)變化｡

　　采用BIO-RAD QUANTITY ONE 4.0 軟件, 對PCR-DGGE 圖譜中微生物群落的相似性進(jìn)行了UPGMA 聚類分析,見圖5｡其中1 和2､3 和4､5 和6 號(hào)樣分別是NH4+質(zhì)量濃度為20､40､60 mg/L 時(shí)好氧硝化段和缺氧反硝化段的污泥樣｡相似性系數(shù)(Cs)為:

　　Cs=2j/(a+b)

　　式中:a､b———分別為DGGE 圖譜中相比較2 個(gè)泳道的條帶數(shù)目;

　　､j———共有的條帶數(shù)目｡

　　Cs 越大,表示微生物群落的相似性就越高｡結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)在相同的NH4+濃度條件下,好氧硝化段和缺氧反硝化段微生物群落的相似性均在0.9 以上,表明在一個(gè)脫氮周期內(nèi)的SBR 工藝的不同階段(好氧硝化和缺氧反硝化段),微生物群落較為穩(wěn)定;(2) 從不同NH4+濃度下的微生物群落特征來看,NH4+質(zhì)量濃度從20 mg/L 提高到40 mg/L 時(shí),SBR 系統(tǒng)微生物群落的相似性為0.87,當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高到60 mg/L 時(shí), 和前2 個(gè)NH4+濃度下(20､40 mg/L)的微生物群落相比,其相似性下降到0.58,表明NH4+質(zhì)量濃度為20､40 mg/L 下的微生物群落相似性較高,但和NH4+質(zhì)量濃度為60 mg/L 相比,微生物群落發(fā)生明顯差異｡

　　實(shí)驗(yàn)中,NH4+質(zhì)量濃度從20 mg/L 提高到40mg/L 時(shí),SBR 系統(tǒng)微生物群落較為穩(wěn)定(Cs 為0.87),認(rèn)為此時(shí)系統(tǒng)N2O 排放主要受到氮素轉(zhuǎn)化的影響;當(dāng)NH4+質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高到60 mg/L 時(shí),系統(tǒng)微生物群落發(fā)生明顯變化(Cs 為0.58),認(rèn)為此時(shí)污水脫氮中N2O 排放不僅受到氮素轉(zhuǎn)化的影響,同時(shí)還受到微生物群落變化的影響｡可見,污水處理過程中,當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生劇烈變化時(shí),微生物群落的變化對N2O 排放的影響值得重視｡具體參見http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)隨著NH4+轉(zhuǎn)化效率的下降,SBR 系統(tǒng)脫氮中N2O-N 所占比例增加｡實(shí)驗(yàn)中,不同NH4+濃度下,脫氮中N2O-N 所占比例在0.25%~6.35%之間｡

　　(2)SBR 系統(tǒng)中,當(dāng)?shù)�素轉(zhuǎn)化順利進(jìn)行時(shí),N2O排放時(shí)期主要局限在好氧硝化段的同時(shí)硝化反硝化階段,而當(dāng)?shù)�素轉(zhuǎn)化受到抑制時(shí),好氧硝化段和缺氧反硝化段均有大量的N2O 排放｡

　　(3)不同NH4+濃度下,SBR 系統(tǒng)微生物群落發(fā)生相應(yīng)變化｡相同的NH4+濃度下,SBR 系統(tǒng)好氧硝化段和缺氧反硝化段的微生物群落較為穩(wěn)定｡