摘要:

酸性pH條件此前被發(fā)現(xiàn)會促進(jìn)廢水生物處理中異養(yǎng)反硝化過程中的氧化亞氮（N2O）積累。然而，這一現(xiàn)象的機(jī)制仍需闡明。本研究以富集的甲醇利用型反硝化菌群為例，系統(tǒng)研究了pH（6.0–9.0）對以N2O為唯一電子受體時的N2O還原動力學(xué)的影響，以及pH對以N2O作為硝酸鹽還原中間產(chǎn)物時的N2O積累的影響。同時考察了pH對硝酸鹽和亞硝酸鹽還原的依賴性。在整個研究pH范圍內(nèi)，最大生物量特異性N2O還原速率均高于相應(yīng)的最大硝酸鹽和亞硝酸鹽還原速率。然而，最大生物量特異性N2O還原速率在最優(yōu)pH范圍（7.5–8.0）之外對pH變化的敏感性遠(yuǎn)高于硝酸鹽和亞硝酸鹽還原速率。N2O還原酶的半飽和系數(shù)隨pH從6.0升至9.0，從0.10 mg N2O-N/L增加至0.92 mg N2O-N/L。在pH 6.0時，分別在有甲醇（作為外源碳源）和無甲醇條件下，反硝化產(chǎn)生的硝酸鹽中有約20%和40%以N2O形式積累；而在pH 6.5時，這些比例分別降至0%和30%。在pH 7.0至9.0范圍內(nèi)，無論甲醇是否可用，均未觀察到N2O積累。這些結(jié)果表明，在低pH條件下，不同氮氧化物還原酶之間對電子的競爭可能在N2O積累中起作用。

1.引言

反硝化是全球氮循環(huán)的內(nèi)在組成部分。完整的異養(yǎng)反硝化包括從硝酸鹽（NO3?）到亞硝酸鹽（NO2?）、一氧化氮（NO）、氧化亞氮（N2O）最終到氮氣（N2）的序列還原反應(yīng)。參與這些過程的四種酶分別為：硝酸鹽還原酶（Nar）、亞硝酸鹽還原酶（Nir）、一氧化氮還原酶（Nor）和氧化亞氮還原酶（Nos）。作為中間產(chǎn)物，N2O在特定條件下可積累并隨后釋放到大氣中。這尤其引發(fā)環(huán)境關(guān)注，因為N2O是一種強(qiáng)效溫室氣體，其100年內(nèi)的全球變暖潛能是CO2的約300倍（IPCC,2007）。此外，N2O還被認(rèn)為是21世紀(jì)主要的臭氧消耗物質(zhì)（Ravishankara et al.,2009）。

在污水處理廠（WWTP）中，由于缺乏主動stripping，缺氧區(qū)/階段中的N2O排放相對較小（Ahn et al.,2010;Foley et al.,2010）。然而，如果反硝化過程中產(chǎn)生N2O積累，其在好氧區(qū)/階段初期可能被顯著剝離。當(dāng)發(fā)生同步硝化反硝化（SND）時，反硝化產(chǎn)生的N2O也可能被剝離（Zeng et al.,2003）。已報道導(dǎo)致反硝化過程中N2O積累的因素包括：低pH（Hanaki et al.,1992;Thorn and Sorensson,1996）、低化學(xué)需氧量與氮比值（COD/N）（Chung and Chung,2000;Kishida et al.,2004）、內(nèi)部儲存物質(zhì)的消耗（Schalk-Otte et al.,2000）、高濃度游離亞硝酸（Zhou et al.,2008）或H2S（Schonharting et al.,1998）以及低溶解氧（DO）濃度（Otte et al.,1996;Tallec et al.,2008）。碳源類型也影響N2O積累（Lu and Chandran,2010）。

在這些因素中，低pH被認(rèn)為是導(dǎo)致反硝化中N2O積累的重要脅迫因子（Hanaki et al.,1992;Thorn and Sorensson,1996）。Hanaki等（1992）使用污水廠回流活性污泥觀察到，pH 6.5時的N2O積累顯著高于pH 7.5；而pH 7.5和8.5之間差異較小。Thorn and Sorensson（1996）使用中試廠活性污泥發(fā)現(xiàn)，pH 6.0時超過40%的反硝化硝酸鹽以N2O形式積累，pH低于5.0時幾乎100%積累。土壤中N2O產(chǎn)生的研究較為廣泛，因為土壤貢獻(xiàn)了大氣中約65%的N2O排放（Van Den Heuvel et al.,2011）。普遍認(rèn)為，反硝化產(chǎn)生的含氮氣體中N2O比例隨pH降低而增加（Koskinen and Keeney,1982;Simek and Cooper,2002;Van Den Heuvel et al.,2011）。然而，其機(jī)制仍不明確，需進(jìn)一步闡明。

本研究旨在更好地理解pH影響N2O積累的內(nèi)在原因。為此，在不同pH條件下研究了以N2O為唯一電子受體時的N2O還原過程，以及硝酸鹽還原過程中N2O積累的過程。污水處理廠的操作pH通常為6.5–8.5（Metcalf&Eddy,Inc.,2003），但在某些情況下可能略微超出此范圍。因此，本研究選擇了較寬的pH范圍（6.0–9.0）以覆蓋可能的情況。特別系統(tǒng)研究了最大生物量特異性N2O還原速率（km,N2O）和Nos對N2O的半飽和系數(shù)（KS,N2O）。同時，還研究了pH對硝酸鹽和亞硝酸鹽還原的依賴性。本研究使用富集的甲醇利用型反硝化菌群。甲醇是污水處理廠中常用的外源碳源，用于增強(qiáng)反硝化，either作為主反應(yīng)器的補(bǔ)充碳源（Ginige et al.,2009）或作為單獨后反硝化系統(tǒng)的唯一碳源（Baytshtok et al.,2009;Mokhayeri et al.,2009）。因此，深入理解pH對甲醇利用型反硝化菌產(chǎn)生N2O的影響，不僅有助于揭示pH對N2O產(chǎn)生的一般效應(yīng)，還對接收甲醇的污水處理廠操作具有重要實踐意義。

2.材料與方法

2.1.反應(yīng)器設(shè)置與操作

利用從澳大利亞布里斯班一家生活污水處理廠取得的污泥接種，在一個8L序批式反應(yīng)器（SBR）中富集甲醇利用型反硝化菌群。反應(yīng)器在室溫（22.0–23.0°C）下運(yùn)行，周期為6小時，包括：40分鐘缺氧進(jìn)料與反應(yīng)、240分鐘缺氧反應(yīng)、9分鐘曝氣（以剝離反硝化產(chǎn)生的氮氣并改善沉降）、6分鐘排泥、60分鐘沉降和5分鐘排水。每周期緩慢泵入2L合成廢水，沉降后排出1.8L上清液，使水力停留時間（HRT）為24小時。沉降前排出200mL混合液，以保持污泥停留時間（SRT）約10天。SBR運(yùn)行由可編程邏輯控制器（PLC）自動控制。使用miniCHEM-DO2和pH探頭在線連續(xù)監(jiān)測DO濃度和pH。通過添加0.5M鹽酸儲備液將pH自動控制在7.2±0.1。還使用微傳感器定期監(jiān)測反應(yīng)器中的液相N2O（見2.4節(jié)）。此外，每周通過在整個6小時周期內(nèi)每30分鐘取樣測量銨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽和甲醇濃度進(jìn)行周期研究。每周測量混合液懸浮固體（MLSS）和混合液揮發(fā)性懸浮固體（MLVSS）濃度。系統(tǒng)運(yùn)行超過一年以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，硝酸鹽和甲醇去除率均》99%。

所用合成廢水進(jìn)料包含1.82L溶液A和0.18L溶液B。溶液A包含（每升）：1.348g NaNO3；0.222g MgSO?·7H?O；0.022g CaCl?·2H?O；0.192g K?HPO?；0.314g NH?Cl和2.2mL營養(yǎng)液。溶液B包含（每升）：7.4mL甲醇。營養(yǎng)液包含（每升）：1.5g FeCl?·6H?O；0.15g H?BO?；0.03g CuSO?·5H?O；0.18g KI；0.12g MnCl?·4H?O；0.06g Na?MoO?·2H?O；0.12g ZnSO?·7H?O；0.15g CoCl?·6H?O；10g乙二胺四乙酸（EDTA）。完整進(jìn)料包含200mg N/L的硝酸鹽和800mg/L的甲醇化學(xué)需氧量（COD）。