单级自养脱氮工艺是一种新型的生物脱氮工艺，在处理低碳比高氨氮废水上具有简易、高效、低耗的特点，具有广阔的应用前景，成为生物脱氮领域中的研究热点^[1-2]。但是由于单级自养脱氮系统中较高的NH₄⁺-N质量浓度，较低的C/N以及较低的DO条件，使得单级自养脱氮工艺N₂O排放风险高。此外，当进水含有有机碳源后，系统内可能有多种菌种共存^[3-4]，氮代谢途径复杂多样，使得单级自养脱氮工艺N₂O的排放情况不明了。

N₂O是一种强有力的温室气体，其增温潜势分别是CO₂的190~270倍、CH₄的4~21倍^[5]，是破坏臭氧层的最重要因子^[6]。近年来的研究表明，污水生物脱氮过程是N₂O的一个重要人为来源，且其N₂O排放量有日益增高的趋势^[7-8]。因此，污水生物脱氮过程中N₂O的排放问题不容忽视，而目前关于单级自养脱氮工艺N₂O排放特征的研究还很鲜见。

有研究表明，单级自养脱氮工艺可以在连续曝气或者间歇曝气方式下运行^[9]，低质量浓度的乙酸钠可促进厌氧氨氧化活性^[10]，单级自养脱氮系统进水加入有机碳源后，系统的TN去除率增加^{[3-4, 11]}。然而，关于曝气方式及有机碳源对单级自养脱氮系统N₂O排放特征影响的研究尚未见报道。因此，本研究采用人工配水，考察了曝气方式及有机碳源对单级自养脱氮系统N₂O排放量和排放特征的影响，研究成果可为提高系统脱氮效率，减少温室气体N₂O的排放提供依据。

1 试验材料与方法 1.1 反应器及运行方式

采用有机玻璃板制成的SBBR(sequencing batch biofilm reactor)反应器，试验装置如图 1所示。

反应器为圆柱形，外层为水浴加热层，配备恒温加热棒以维持系统温度稳定，内层为反应器主体，有效容积为15 L，反应器内置组合填料供微生物附着生长，底部设有磁力搅拌器。反应器运行周期为16 h，每周期末换1/2的水。试验期间反应器内温度为(30±2) ℃，pH值为7.8~8.2。反应器密闭运行，在一个运行周期内每隔1 h采集一次水样和气样。

1.2 试验用水

采用人工配制的氨氮废水，即向自来水中加入适量的NH₄HCO₃，使进水NH₄⁺-N质量浓度约为140 mg/L，加入NaHCO₃调节pH值为7.8~8.2，并加入适量的KH₂PO₄作为磷源，配制微量元素贮备液^[12]，按2 mL/L加入反应器，人工配水水质见表 1。

1.3 反应器控制条件

采用了3个SBBR反应器，控制条件如表 2所示。

1.4 分析方法

生物脱氮过程中产生的N₂O包括两部分：一部分以气态形式逸出系统，排放至大气中，每小时反应器N₂O排放量即为该小时N₂O的平均排放速率，一个运行周期内每小时的排放量累加起来即为N₂O累积排放量。另一部分则溶解于反应器溶液中，为溶解态N₂O，以质量浓度表示。

气态N₂O采用Agilent 7820A气相色谱仪分析测定，色谱柱为填充80/100目porapak Q的填充柱。ECD检测器、进样口和色谱柱的温度分别为300、100、70 ℃。定量六通阀进样，进样量为1 mL，载气为高纯N₂(纯度＞99.999%)，流速为30 mL/min，N₂O出峰保留时间为3 min。所有气体样品均测定3次，取平均值。

溶解于反应器溶液中的N₂O采用上部空间法测定。取反应器出水于顶空瓶中，加入0.5 mL质量浓度为1 000 mg/L的HgCl₂溶液，以抑制残余微生物活性；向水样上部空间通入N₂，振荡0.5 h后，测定水样上部气体中N₂O质量浓度，根据亨利定律计算溶解于反应器溶液中N₂O的量。

NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、TN和COD等均采用国家标准方法进行检测^[13]。DO采用YSI Professional ODO^TM便携式溶氧仪测定，pH值采用YSI pH100便携式pH计测定。

2 试验结果与讨论 2.1 单级自养脱氮系统脱氮性能

图 2为反应器稳定运行时，单级自养脱氮系统在一个典型运行周期内NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、TN质量浓度及TN去除率的变化。

由图 2可知，运行周期末3个反应器的NH₄⁺-N完全转化，TN去除率分别达到80.4%，80.4%和90.1%，3号反应器TN去除率最高。此外，3号反应器出水COD低于15 mg/L。

单级自养脱氮系统主要通过亚硝化厌氧氨氧化反应去除NH₄⁺-N。由图 2可知，在整个运行周期中，3个反应器NO₂^--N质量浓度始终低于2.5 mg/L，由于系统生物膜外层的氨氧化菌(Ammonia-oxidizing bacteria，AOB)将NH₄⁺-N氧化成NO₂^--N后，生成的NO₂^--N可立即被生物膜内层的厌氧氨氧化反应消耗，因而没有在溶液中大量累积。在整个运行周期中，1号和2号反应器NO₃^--N质量浓度始终低于16 mg/L，而3号反应器的NO₃^--N质量浓度低于8 mg/L，这是由于3号反应器进水含有机碳源，促进了反硝化作用^[3-4]，消耗了部分NO₃^--N所致。

2.2 单级自养脱氮系统N₂O排放特征

图 3为系统在一个典型周期内N₂O的排放情况，表 3为系统在该周期中N₂O排放量及N₂O转化率。N₂O转化率为一个周期内N₂O累积排放量与周期内总氮去除量的比值。

单级自养脱氮系统中存在亚硝化菌和厌氧氨氧化菌，另外由于进水含有少量有机碳源，系统中还存在反硝化菌，N₂O的产生可能主要来自AOB的反硝化作用。已有研究^[14]认为，低DO和较高的NO₂^--N质量浓度条件下，容易发生AOB的反硝化，从而导致N₂O的排放。SBBR单级自养脱氮工艺的氮去除途径主要为亚硝化厌氧氨氧化，在生物膜内部存在NO₂^--N和低溶氧区域，为AOB的反硝化提供了条件。目前对厌氧氨氧化过程中N₂O排放的研究相对较少，但有学者认为，N₂O可被厌氧氨氧化菌的混培物作为电子受体而被代谢^[15]。反硝化作用对N₂O排放的影响较为复杂，反硝化过程分四阶段进行，NO₃^--N→NO₂^--N→NO→N₂O→N₂，最终产物通常为N₂O和N₂。有研究报道^{[8, 16-17]}，较高的DO和较低的pH值容易抑制一氧化二氮(N_OS)酶的活性，使N₂O还原成N₂的过程受阻，导致N₂O的大量排放。但也有文献报道^[18-19]，在反硝化过程中加入有机碳源，可将N₂O还原成N₂，从而减少了N₂O的排放。

1号反应器为连续曝气，由图 3可知，N₂O平均排放速率在运行周期的第2小时达到最大值2.09 mg/h，之后持续下降至周期末的0.202 mg/h。在整个运行周期内，N₂O累积排放量持续增加，至周期结束时达到13.69 mg。溶解态N₂O质量浓度在运行周期的第1小时达到最大值0.183 mg/L，之后持续下降至周期末的0.022 6 mg/L。运行周期末，N₂O转化率为1.36%。

与1号反应器的连续曝气方式不同，2号反应器采用间歇曝气，曝停比为2 h:2 h，在各曝气时段内其DO质量浓度和曝气量均大于1号反应器。2号反应器的N₂O排放特征与1号明显不同。由图 3可知，在每个2 h:2 h的曝停时段内，2号反应器的N₂O平均排放速率在曝气时段较大，且大于1号反应器，停曝时段几乎为零；相应的，N₂O累积排放量在曝气段增加，停曝段出现平台期。因此，间歇曝气反应器N₂O的排放主要来自曝气段。

从停曝段进入曝气段后，2号反应器N₂O平均排放速率出现持续2h的增加。这有两方面原因，一是由于曝气吹脱作用，将溶液中的N₂O大量吹脱出去。第二，DO从停曝段的最低值0.2~0.4 mg/L逐渐升高至曝气段第2小时的1.2~1.6 mg/L，较高的DO条件促使系统中更多的NH₄⁺-N转化为NO₂^--N，为AOB的反硝化作用创造了底物条件，而生物膜的构造又为AOB的反硝化作用提供了低氧微环境，从而使得N₂O平均排放速率随曝气时段的延长而增加。2号反应器从曝气段进入停曝段后，其N₂O平均排放速率迅速下降，且几乎为零，这主要是由于曝气吹脱作用的解除，使得N₂O更多地溶入反应器中，并可能进一步被厌氧氨氧化菌或反硝化菌利用；与此同时，较低的DO值也有利于NO₂^--N的转化。因此，N₂O平均排放速率表现为随着反应器的曝气和停曝而交替变化。

从停曝段进入曝气段后，2号反应器中溶解态N₂O质量浓度表现为先降低后升高。溶解态N₂O质量浓度的降低是由于曝气吹脱作用将大量溶解态N₂O吹脱出去，而之后质量浓度的升高则是由于在此阶段N₂O产生量增加，且更多地溶于水中。反之，当系统从曝气段进入停曝段后，2号反应器溶解态N₂O质量浓度出现了先升高后降低。此时，溶解态N₂O质量浓度的升高是由于曝气吹脱作用减弱所致，而质量浓度的降低则可能是因为停止曝气后系统DO质量浓度下降，NH₄⁺-N转化为NO₂^--N的量减少，AOB反硝化作用减弱，使得N₂O产量减少。此外系统中部分溶解态N₂O也可能在厌氧状态下被厌氧氨氧化菌所利用。因此，与N₂O平均排放速率相似，2号反应器溶解态N₂O质量浓度也随着反应器的曝气和停曝而交替变化。

3号反应器的曝气方式与2号反应器相同，但3号反应器的进水加入了乙酸钠作为有机碳源。由图 3可知，3号反应器N₂O的排放特征与2号反应器相似，即N₂O排放量主要来自曝气段，N₂O平均排放速率和溶解态N₂O质量浓度随着反应器的曝气和停曝而交替变化。但在运行周期内的各个时段内，3号反应器N₂O平均排放速率，N₂O累积排放量和溶解态N₂O质量浓度均明显小于2号反应器。由表 3也可知，3号反应器在一个运行周期内N₂O累积排放量为2.51 mg，仅为2号反应器14.28 mg的1/6。这是由于3号反应器进水含有少量有机碳源，可促进反硝化作用，而反硝化反应可能利用有机碳源将溶解态N₂O还原成N₂，使得N₂O排放量减少。有研究表明^[18-19]，反硝化过程中加入有机碳源，反硝化反应可将N₂O还原成N₂。此外，当系统进水含有有机碳源后，系统的脱氮途径将会存在短程硝化反硝化，全程硝化反硝化等多种脱氮途径^[12]。相比于不含有机碳源的系统，含氮物质的转化途径更加灵活多样化，这可能在一定程度减少了NO₃^--N、NO₂^--N、NO、NO₂等物质的累积，从而减少了其转化为N₂O的风险。

2.3 不同生物脱氮工艺N₂O转化率

表 4为进水较低氨氮质量浓度下，不同生物脱氮工艺N₂O转化率的比较。

由表 4可知，在本研究的单级自养脱氮工艺中，N₂O转化率分别为1.36%，1.49%和0.236%，低于文献报道的其他生物脱氮工艺N₂O转化率。

大量文献表明，较高的NO₂^--N质量浓度容易导致N₂O的排放^[24-25]。Zeng，et al^[26]在研究亚硝酸型同步硝化反硝化过程N₂O的排放时，发现N₂O的排放与NO₂^--N质量浓度具有良好的正相关性。由图 2可知，本研究的3个反应器在整个运行周期中NO₂^--N质量浓度始终低于2.5 mg/L，较低的NO₂^--N累积量是单级自养脱氮工艺N₂O排放量较低的原因之一。

其次，单级自养脱氮工艺的主要脱氮途径是亚硝化厌氧氨氧化，而至今厌氧氨氧化的氮代谢中尚未证实N₂O的存在^[27]，并且在试验室规模的厌氧氨氧化反应器排放的尾气中也没有发现N₂O^[28]。此外，郑平等^[15]研究表明，N₂O可被厌氧氨氧化菌的混培物作为电子受体而被代谢。因此，相对于其他生物脱氮工艺，由于单级自养脱氮工艺的主要脱氮途径厌氧氨氧化反应不产生N₂O，甚至可能利用N₂O，而使得其N₂O排放风险降低。此外，由2.2的分析可知，当系统进水含有一定量有机碳源时，还可促进反硝化反应的进行，反硝化菌有可能利用有机碳源将N₂O还原成N^[18-19]₂，从而减少了N₂O排放量。

另外，Park等^[25]研究表明，生物膜系统N₂O的排放量小于非生物膜系统，他认为在有载体或填料的生物膜系统中，生物截留量大，生物膜内形成供多种微生物共同代谢的好氧缺氧微生物环境，有利于减少系统N₂O的排放。本研究单级自养脱氮工艺采用生物膜法，在生物膜的外层形成好氧区，内层形成缺氧和厌氧区。由于好氧，缺氧和厌氧区紧密相连，由NH₄⁺-N转化的NO₂^--N可以立即进入生物膜内层而被Anammox菌消耗利用，使得NO₂^--N积累量相对较小；在生物膜外层生成的N₂O也可以快速扩散进入生物膜内层，而被反硝化菌、Anammox菌所消耗，从而减少了N₂O排放。

3 结论

1) 当进水NH₄⁺-N质量浓度约为140 mg/L时，1号、2号和3号反应器的N₂O累积排放量和N₂O转化率分别为13.69、14.28、2.51 mg和1.36%，1.49%，0.236%。与其他生物脱氮工艺相比，单级自养脱氮工艺N₂O转化率较低。

2) 曝气方式对N₂O排放特征影响较大，在一个运行周期内，连续曝气的1号反应器N₂O累积排放量持续增加，N₂O平均排放速率和溶解态N₂O质量浓度为先升高至最大值，之后持续下降。间歇曝气的2号反应器N₂O排放量主要来自曝气段，N₂O平均排放速率和溶解态N₂O质量浓度整体呈现出先升高后降低的趋势，且随着反应器的曝气和停曝而交替变化。

3) 有机碳源对系统N₂O排放有较大影响，含有机碳源的3号反应器N₂O累积排放量和N₂O转化率约为不含有机碳源的2号反应器的1/6。