CN106745734B - 一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，1)将待测单级生物脱氮系统的污泥或生物膜加入反应容器，同时加入待测系统污水，并运行1～2h；2)向反应容器中加入¹⁵N标记亚硝酸盐溶液，搅拌混匀；3)取反应容器内水样和气样，检测水样亚硝酸盐¹⁵N原子丰度和气样氧化亚氮¹⁵N原子丰度，分析单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率；通过下式计算单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率：

本发明借助稳定同位素示踪技术，通过投加少量¹⁵N标记亚硝酸盐溶液，可定量分析单级生物脱氮系统工况运行条件下各途径氧化亚氮排放量，准确度高。

Description

一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放 速率的方法

技术领域

本发明属于污水处理技术与环境保护技术领域，具体涉及一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放量的方法。

背景技术

单级生物脱氮是指在同一反应器内实现氨氮全部转化为氮气的生物脱氮技术。与传统生物脱氮相比，单级生物脱氮具有能量消耗低、操作流程简单、占地面积小等优势。单级生物脱氮主要通过同步硝化反硝化、短程硝化反硝化或亚硝化-厌氧氨氧化等途径实现脱氮目的。需要指出的是，单级自养脱氮工艺作为一种不依赖进水COD的单级生物脱氮系统，亚硝化-厌氧氨氧化为主要的脱氮途径，同时存有少量异养反硝化细菌，这类微生物能够利用自养菌产生的溶解性微生物产物进行反硝化。此外，近年来的研究表明氨氧化菌在限氧条件下也能够进行反硝化实现脱氮。

氧化亚氮是污水生物脱氮处理的一种副产物，能够引起温室效应同时破坏大气臭氧层，对大气环境危害较大。因此，生物脱氮过程氧化亚氮排放途径的研究，可为氧化亚氮的减排提供理论基础，对大气环境污染治理具有一定的指导意义。目前主流观点认为，生物脱氮过程氧化亚氮产生的生物途径可分为硝化与反硝化两个过程(图1)。硝化过程氧化亚氮排放主要来自于氨氧化产物—羟胺的进一步氧化过程；在反硝化过程中，氧化亚氮作为一种中间产物，主要来自于异养反硝化菌或氨氧化菌对亚硝酸盐的还原过程。

由于单级生物脱氮系统中氮的所有转化过程是在同一个时空下进行，硝化与反硝化两个氧化亚氮产生途径共存，因此常规分析方法难以对氧化亚氮排放途径进行定量分析。目前，一般采用化学抑制剂法区分各途径氧化亚氮排放速率，但这类传统方法本质上是通过抑制其中一条途径而针对另一条途径进行的单一途径分析。而在多个氧化亚氮产生途径共存的单级生物脱氮系统中，该方法无法反映系统运行中氧化亚氮产生的真实状态，由此可能影响最终分析结果的准确性。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放量的方法。本发明实现了多种氧化亚氮产生途径共存的单级生物脱氮系统中氧化亚氮排放来源的定量分析。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，包括如下步骤：

1)将待测单级生物脱氮系统的污泥或生物膜加入反应容器，同时加入待测系统污水，并按照单级生物脱氮工艺调控运行1～2h；

2)向步骤1)反应容器中加入¹⁵N标记亚硝酸盐溶液，搅拌混匀后开始计时；

3)在任意时刻取步骤2)反应容器内水样和气样，利用气相色谱-比值质谱仪检测水样亚硝酸盐¹⁵N原子丰度和气样氧化亚氮¹⁵N原子丰度，同时利用气相色谱仪分析单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率；

4)通过公式(1)、(2)即可分别计算该时刻单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率：

其中，r_{Nitrification}、r_{Denitrification}分别表示硝化、反硝化过程氧化亚氮排放速率，r_Off-gas表示单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率，R_standard表示氨氮中¹⁵N自然丰度，本发明中R_standard采用大气标准值0.3663％，R_Off-gas表示气样中氧化亚氮¹⁵N原子丰度，R_Nitrite表示水样中亚硝酸盐¹⁵N原子丰度。

步骤2)中加入的¹⁵N标记亚硝酸盐溶液中¹⁵N原子丰度不低于30％。原因是投加的亚硝酸盐¹⁵N丰度值跟气样中氧化亚氮¹⁵N丰度值相关，气样中氧化亚氮¹⁵N丰度值若过低，则测试难度较大，取样时即使有少量空气混入，也对测试结果影响较大。

步骤2)¹⁵N标记亚硝酸盐溶液投加后系统内亚硝氮占总氮的比例为2～20％。主要基于两个方面：1.该系统中同时存在亚硝酸盐产生与亚硝酸盐消耗两个过程，因此¹⁵N标记亚硝酸盐投加后实际上¹⁵N丰度值是随反应逐渐降低的，为了保证反应过程反硝化产生的氧化亚氮¹⁵N丰度值明显高于硝化过程，¹⁵N标记亚硝酸盐投加量不宜低于2％；2.另一方面，亚硝氮投加量过高可能会影响原系统的脱氮途径，进一步对氧化亚氮生成过程产生影响，因此限定其投加量不高于20％。

步骤1)运行时采用连续曝气方式，曝气量为5～10mL/min。所曝气体为氦气和氧气混合气体。

溶解氧浓度保持与待测系统一致，即本方法试验装置中溶解氧浓度与待测单级生物脱氮系统本身的溶解氧浓度一致，通过氦气和氧气混合比例调节。

所测气样中氧化亚氮¹⁵N原子丰度大于3％。

步骤1)加入污泥或生物膜湿重100～150g，待测系统污水350～400mL。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明借助稳定同位素示踪技术，通过投加少量¹⁵N标记亚硝酸盐溶液，可定量分析单级生物脱氮系统工况运行条件下各途径氧化亚氮排放量，准确度高，为生物脱氮系统氧化亚氮排放来源研究提供理论依据。本发明可用于单级自养脱氮、全程同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等多种单级生物脱氮工艺，为污水脱氮处理工艺氧化亚氮的减排提供理论依据。

附图说明

图1-单级生物脱氮系统氧化亚氮生成示意图。

图2-批式试验装置图。

图3-单级自养系统亚硝酸盐与氧化亚氮¹⁵N原子丰度。

图4-单级自养系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率。

图5-单级自养系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明以基于亚硝化-厌氧氨氧化为主要脱氮途径、多种氮转化途径共存的单级自养脱氮系统作为实施例说明单级生物脱氮系统中氧化亚氮排放特征。具体步骤为：

1.取有效容积500mL的锥形瓶为试验装置，将反应器置于恒温培养箱，分别加入100g(湿重)总氮去除率≥80％的待测单级生物脱氮系统生物膜和400mL总氮浓度为130～140mg/L的待测系统污水，利用磁力搅拌器进行混匀，并参照待测系统工况调控运行2h。试验装置如图2所示。

2.向试验装置中加入1mL ¹⁵N标记NaNO₂母液(¹⁵N原子丰度33％)，使系统内¹⁵N标记亚硝氮最终浓度为28mgN/L，搅拌混匀后开始计时。

3.分别取0、3、6、9、12h时刻测试装置内水样和气样，利用气相色谱-比值质谱仪(MAT253)检测水样亚硝酸盐¹⁵N原子丰度和气样氧化亚氮¹⁵N原子丰度，同时利用气相色谱仪分析单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率；

4.通过方程式(1)、(2)分别计算对应时刻单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率：

其中，r_{Nitrification}、r_{Denitrification}分别表示硝化、反硝化过程氧化亚氮排放速率，r_Off-gas表示单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率，R_standard表示氨氮中¹⁵N自然丰度，R_Off-gas表示气样中氧化亚氮¹⁵N原子丰度，R_Nitrite表示水样中亚硝酸盐¹⁵N原子丰度。

上述计算硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率方程式推导过程如下：单级生物脱氮系统中氧化亚氮来自于硝化过程与反硝化过程，基于¹⁵N同位素守恒原理可得到以下推导：

R_{Nitrification}·Q_{Nitrification}+R_{Denitrification}·Q_{Denitrification}＝R_Off-gas·Q_Off-gas (3)

其中，Q_Off-gas表示单级生物脱氮过程氧化亚氮排放总量，Q_{Nitrification}、Q_{Denitrification}分别表示硝化过程、反硝化过程氧化亚氮排放量；R_Off-gas表示气体样品中氧化亚氮¹⁵N原子丰度值，R_{Nitrification}、R_{Denitrification}分别表示硝化与反硝化过程氧化亚氮¹⁵N原子丰度值。

结合图1可知，本发明中硝化过程产生的氧化亚氮源自未标记¹⁵N的氨氮，因此硝化过程产生的氧化亚氮中¹⁵N为自然丰度。而所投加的^15/14N-亚硝酸盐与系统存在的亚硝酸盐将作为反硝化底物，并在反硝化过程中产生氧化亚氮，因此，反硝化过程产生的氧化亚氮中¹⁵N原子丰度值与溶液中亚硝酸盐¹⁵N原子丰度值一致。通过对特定时刻收集的氧化亚氮气体中¹⁵N丰度值与对应时刻溶液中亚硝酸盐¹⁵N丰度值进行测定，可以计算出以上两个途径氧化亚氮排放速率的比值，结合对应时刻氧化亚氮排放速率能够分别计算各途径氧化亚氮排放速率。

因此，基于以上公式推导方程式(3)可以转化为方程式(4)：

R_Standard·Q_{Nitrification}+R_Nitrite·Q_{Denitrification}＝R_Off-gas·Q_Off-gas (4)

其中，R_standard表示氨氮中¹⁵N自然丰度，本发明采用空气标准值0.3663％，R_Nitrite表示水样中亚硝酸盐¹⁵N原子丰度。由于单级生物脱氮过程氧化亚氮排放总量来自硝化过程与反硝化过程，基于该原理可以推导出方程式(5)：

Q_Off-gas＝Q_{Nitrification}+Q_{Denitrification} (5)

在单位时间内，氧化亚氮排放总量Q_Off-gas、硝化过程氧化亚氮排放量Q_{Nitrification}、反硝化过程氧化亚氮排放量Q_{Denitrification}可分别用氧化亚氮排放速率r_Off-gas、硝化过程氧化亚氮排放速率r_{Nitrification}、反硝化过程氧化亚氮排放速率r_{Denitrification}代替，因此方程式(4)与方程式(5)可分别转换成方程式(6)与方程式(7)：

R_standard·r_{Nitrification}+R_Nitrite·r_{Denitrification}＝R_Off-gas·r_Off-gas (6)

r_Off-gas＝r_{Nitrification}+r_{Denitrification} (7)

将方程式(6)、(7)联立方程组可以推导出硝化过程与反硝化过程氧化亚氮排放速率，即前述方程式(1)与方程式(2)：

上述实施例检测结果如图3所示，单级生物脱氮系统内亚硝酸盐与氧化亚氮¹⁵N原子丰度逐渐降低。亚硝酸盐¹⁵N原子丰度降低是因为硝化过程产生的亚硝酸盐中¹⁵N为自然丰度，对所投加的高¹⁵N原子丰度亚硝酸盐形成稀释效应，导致系统亚硝酸盐中¹⁵N原子丰度降低；氧化亚氮¹⁵N原子丰度则受到反硝化对氧化亚氮排放的贡献率与亚硝酸盐¹⁵N原子丰度两个因素的影响，亚硝酸盐¹⁵N原子丰度降低是本实施例中氧化亚氮¹⁵N原子丰度降低的主要影响因素。此外，图中同时显示亚硝酸盐¹⁵N原子丰度始终高于氧化亚氮¹⁵N原子丰度，并且这种差值随反应进行逐渐减小。亚硝酸盐¹⁵N原子丰度高于氧化亚氮¹⁵N原子丰度，说明部分氧化亚氮来自于硝化过程，两者差值减小说明单级生物脱氮系统反硝化活性逐渐增加，这是由于自养菌在反应过程中产生了溶解性微生物产物，该产物能够被反硝化菌利用并增强反硝化活性。

图4表示通过方程式(1)、(2)计算得出的硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率。由图4可知，硝化过程氧化亚氮产生速率为0.06～2.91μg/h，反硝化过程氧化亚氮产生速率为9.12～18.69μg/h。由此可知整个过程氧化亚氮产生总量为196.97μg，其中硝化过程氧化亚氮产量为14.66μg，反硝化过程氧化亚氮产量为182.31μg。因此，本实施例中反硝化过程是氧化亚氮产生的主要来源。通过硝化与反硝化过程氧化亚氮排放量计算各过程氧化亚氮贡献率。结果如图5所示，反硝化过程氧化亚氮贡献率约为89.3～99.6％，且比例逐渐增大。硝化过程氧化亚氮主要排放于反应初期，贡献率仅为0.4～10.7％。这是由于单级生物脱氮系统中硝化过程氧化亚氮排放主要来自于羟胺转化为亚硝酸盐的过程，因此，硝化过程的氧化亚氮排放量由氨氮投加量决定。反硝化过程氧化亚氮主要来源于异养反硝化菌或AOB对一氧化氮的还原过程。试验中的亚硝酸盐不仅来自于亚硝化过程，还与投加的¹⁵N标记亚硝酸盐母液丰度有关。因此，系统内硝化反应底物浓度低于反硝化反应底物浓度，使得硝化过程产生的氧化亚氮比例小于反硝化过程。

以上结果表明，本发明能精确地定量分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放量及对应的产量贡献率，检测结果符合氮转化规律，体现了本方法的可行性。本发明在仅添加少量¹⁵N标记亚硝酸盐且未施加额外条件或投加其他底物的条件下，能够更加真实地反应系统在工况条件下氧化亚氮的排放特征，与传统方法结果相似，具有较高的准确性。本方法可用于分析单级自养脱氮、全程同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等多种单级生物脱氮工艺的氧化亚氮排放来源，为污水脱氮处理工艺氧化亚氮的减排提供理论依据。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将待测单级生物脱氮系统的污泥或生物膜加入反应容器，同时加入待测系统污水，并按照单级生物脱氮工艺调控运行1～2h；

2)向步骤1)反应容器中加入¹⁵N标记亚硝酸盐溶液，搅拌混匀后开始计时；

3)在任意时刻取步骤2)反应容器内水样和气样，利用气相色谱-比值质谱仪检测水样亚硝酸盐¹⁵N原子丰度和气样氧化亚氮¹⁵N原子丰度，同时利用气相色谱仪分析单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率；

4)通过公式(1)、(2)即可分别计算该时刻单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率：

其中，r_{Nitrification}、r_{Denitrification}分别表示硝化、反硝化过程氧化亚氮排放速率，r_Off-gas表示单级生物脱氮系统氧化亚氮排放速率，R_standard表示氨氮中¹⁵N自然丰度，R_Off-gas表示气样中氧化亚氮¹⁵N原子丰度，R_Nitrite表示水样中亚硝酸盐¹⁵N原子丰度；

步骤2)中加入的¹⁵N标记亚硝酸盐溶液中¹⁵N原子丰度不低于30％；

步骤2)¹⁵N标记亚硝酸盐溶液投加后系统内亚硝氮占总氮的比例为2～20％。

2.根据权利要求1所述的分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，其特征在于：步骤1)运行时采用连续曝气方式，曝气量为5～10mL/min。

3.根据权利要求2所述的分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，其特征在于：所曝气体为氦气和氧气混合气体。

4.根据权利要求1所述的分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，其特征在于：溶解氧浓度保持与待测系统一致，通过氦气和氧气混合比例调节。

5.根据权利要求1所述的分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，其特征在于：所测气样中氧化亚氮¹⁵N原子丰度大于3％。

6.根据权利要求1所述的分析单级生物脱氮系统硝化与反硝化过程氧化亚氮排放速率的方法，其特征在于：步骤1)加入污泥或生物膜湿重100～150g，待测系统污水350～400mL。

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