活性污泥系统中一氧化二氮在长期低氧下的产生机制与模拟

Recent findings indicated that, under long-term low DO conditions, the nitrifier population could enrich and adapt themselves to the low DO environment by selecting communities with better oxygen affinity, which made low DO operation of activated sludge process, with complete nitrification and energy saving, become feasible. However, low DO operation of activated sludge process could increase the emission of N2O. Using continuous-flow reactor, the proposed study will build the correlations of operation DO, nitrification performance，nitrifier community, and N2O emission through monitoring the nitrification performance, nitrifier community characteristics, and N2O emission under both high and low DO conditions; determine the main N2O producing pathways under long-term low DO conditions by the means of monitoring the key enzyme activities, inhibiting bioprocess or key enzyme activity, and selectively providing substrates; and redevelop and recalibrate the N2O production models by integrating the mechanisms of nitrifier population enrichment and shift under long-term low DO conditions, making the new models and parameters are suitable to simulate the N2O emission in activated sludge under long-term low DO conditions. Finally, the risk of greenhouse gas emission in the low DO operation of activated sludge process will be evaluated and the hypothesis that nitrifier population enrichment and shift by low DO will decrease the N2O emission under low DO conditions will be answered.

最新研究发现，长期低氧对硝化反应具有两个“正面影响”，即会“反常富集”和“择优选择”硝化菌，让低氧运行活性污泥系统，既能取得完全硝化反应，又能减少处理能耗，成为可能。但长期低氧可能增加温室气体N2O的释放。本研究将在连续流的反应器中，通过对比分析在长期高氧和长期低氧下，硝化反应、硝化菌群和N2O释放等特征，建立“溶解氧—硝化反应—硝化菌群—N2O释放”之间的内在联系；通过监测关键酶活性、定向抑制部分反应进程或关键酶（如Nirk）活性、和定向基质供给等手段，确定N2O在长期低氧下的产生机理；再把低氧对硝化菌的“反常富集”和“择优选择”效应融入N2O的产生模型中，使新的模型及参数适用于长期低氧下N2O产生特征的模拟。最后，综合评估长期低氧运行污水处理系统的温室气体排放风险，并回答长期低氧下硝化菌的“反常富集”和“菌群变迁”，是否会显著降低N2O在低氧下的产生率？

城市污水处理能耗巨大，如果将曝气池的运行溶解氧由常规的2 mg/L降低到0.5 mg/L，可提高曝气效率20-30%，能显著降低处理能耗。污水处理是N2O的重要人为释放源之一，而N2O既是强温室气体，也是臭氧层破坏物质，为考察活性污泥系统长期低氧运行的可行性，需评估其N2O释放情况。.本实验建立了4套小型的连续流完全混合反应器，首先研究了污泥龄分别为5天、10天、20天和40天的活性污泥系统在稳定高氧（1.5~4 mg/L）状态下的硝化反应和N2O的释放特征；再在高氧下，研究了系统在遭遇短期低氧（0.3~0.5 mg/L）和进水氨氮负荷增高时N2O的释放情况；最后将污泥龄为10天和40天反应器的运行溶解氧降低并维持在0.3~0.5 mg/L，考察了系统由高氧到低氧稳定过程中的硝化反应和N2O释放特征。研究得到以下结论：.（1）高氧状态下，5天污泥龄反应器无法实现稳定的硝化反应，N2O的释放量也相对较高，占硝化反应去除氨氮量的0.12~2.49%；10天、20天、40天污泥龄反应器均可实现稳定完全硝化反应，相应的N2O转化率相对稳定，转化率均值均在0.2%左右，相差不大。.（2）短期低氧会严重影响活性污泥系统的硝化过程，并增加N2O的释放；进水氨氮负荷增高时，在系统无法实现完全硝化反应时，会增加N2O的释放，而在系统可以实现完全硝化反应时，并不会明显增加N2O的释放。.（3）10天污泥龄反应器在长期低氧运行中无法实现稳定的完全硝化反应，其N2O的释放情况也随系统出水水质有较大波动，N2O转化率最高可达17.11%；40天污泥龄反应器在低氧运行88天后实现了稳定硝化反应，并且系统中AOA相比AOB具有绝对的数量优势，稳定低氧状态下N2O的生成转化率测定均值仅为0.11%，低于高氧稳定状态下N2O的转化率。.（4）在试验过程中，意外发现膨胀污泥的氧总传质系数（KLa）明显低于沉降性良好污泥。在膨胀污泥中，大量繁殖的丝状菌会增加活性污泥的表观粘度，其菌丝会粘附于气液接触面上，这会降低液膜更新速率，阻碍传质过程，降低氧传质效率。通过高通量测序分析确定Thiothrix eikelboomii是本实验中降低氧传质效率的丝状菌。