綜述分析 | 污水處理過程N(yùn)2O排放：過程機(jī)制與控制策略

編者按：

污水處理生物脫氮過程中氧化亞氮(N2O)作為直接碳排放源，其大氣升溫效應(yīng)較CO2高出265倍。N2O產(chǎn)生源于硝化與反硝化過程，主要涉及亞硝化(AOB)及其同步反硝化、常規(guī)異養(yǎng)反硝化(HDN)、同步異養(yǎng)硝化-好氧反硝化(HN-AD)和全程氨氧化(COMAMMOX)等生物途徑，以及硝化過程中間產(chǎn)物NH2OH與NOH之非生物化學(xué)途徑。常規(guī)硝化與反硝化(AOB+HDN)途徑在正常運(yùn)行工況下N2O排放量并不是很大，約只占進(jìn)水TN負(fù)荷的1.3%；即使是HN-AD與COMAMMOX代謝過程，兩者N2O產(chǎn)生量也不足TN負(fù)荷的0.5%。不可忽視的是AOB亞硝化及其同步反硝化，它們已被確認(rèn)為是污水處理生物脫氮過程中N2O排放的首要途徑；AOB過程中間產(chǎn)物(NH2OH與NOH)非生物化學(xué)過程以及AOB反硝化生物過程(主途徑)共同導(dǎo)致的N2O排放量可高達(dá)TN負(fù)荷的13.3%，主要是因?yàn)橄趸^程溶解氧(DO)受限引起NO2-積累所誘發(fā)的AOB反硝化過程。污水處理生物脫氮過程中為防止N2O產(chǎn)生，應(yīng)著力促進(jìn)HDN反硝化進(jìn)行完全和避免AOB反硝化過程。為此，運(yùn)行過程中應(yīng)控制曝氣池中DO處于正常水平(~2 mg·L-1)，并盡可能延長污泥齡(SRT→20 d)，以避免AOB亞硝化積累NO2-并誘發(fā)AOB反硝化出現(xiàn)；同時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)水碳源，以促進(jìn)HDN反硝化進(jìn)行完全至終點(diǎn)——N2。本論文綜述分析了生物脫氮過程中涉及N2O產(chǎn)生的所有機(jī)制，并根據(jù)過程機(jī)理討論了對(duì)其運(yùn)行控制的策略。文章將于2023年2月第2期《環(huán)境科學(xué)》上發(fā)表。

文章亮點(diǎn)

1 污水處理脫氮過程N(yùn)2O產(chǎn)生的主要途徑為：硝化與反硝化、AOB同步亞硝化與反硝化和全程氨氧化（COMAMMOX）途徑；其中，AOB亞硝化及其同步反硝化為污水處理生物脫氮過程中N2O排放的首要途徑。

2 繪制出各種N2O產(chǎn)生的途徑的路線圖并總結(jié)了相應(yīng)的產(chǎn)率系數(shù)。

3 基于生物脫氮過程中涉及N2O產(chǎn)生的所有機(jī)制，提出相應(yīng)的運(yùn)行控制策略。

01 污水脫氮過程中N2O產(chǎn)生途徑與機(jī)制

好氧硝化（AOB和NOB）與常規(guī)異養(yǎng)反硝化（HDN）、同步異養(yǎng)硝化-好氧反硝化（HN-AD）和全程氨氧化（COMAMMOX）代謝過程產(chǎn)生N2O機(jī)制均已被探明，是基于它們的硝化/短程硝化與反硝化途徑。因此，可以將目前已經(jīng)明晰、且作用明顯的污水處理脫氮過程涉及N2O產(chǎn)生的主要生物過程和次要非生物過程匯總于圖1，并對(duì)各個(gè)過程轉(zhuǎn)化路徑機(jī)制以及N2O產(chǎn)生貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析和討論。

圖1 污水處理脫氮過程N(yùn)2O產(chǎn)生途徑（來自原文）

1.1 硝化與反硝化途徑

1.1.1 硝化途徑

1）AOB短程硝化

AOB將NH4+氧化為NO2-的生物過程中主要經(jīng)過羥胺/NH2OH（由氨單加氧酶/AMO催化)與次要途徑硝?；?NOH（由羥胺氧化還原酶/HAO催化）兩個(gè)中間產(chǎn)物，如圖1(a)所示。NH2OH或NOH可經(jīng)生物途徑①或非生物化學(xué)途徑②轉(zhuǎn)化至N2O。

①在生物途徑中[圖1(a)中紅色線條]，存在由NH2OH直接轉(zhuǎn)化為N2O的兩個(gè)生物過程。一個(gè)是在無氧條件下，cyt P460（HAO的c型血紅素）將NH2OH直接氧化為N2O，但此過程在好氧情況下顯然不能發(fā)生。另一個(gè)是NH2OH向NO過渡的生物氧化過程（由HAO催化），也是N2O潛在來源；在這一NH2OH生物氧化過程中，AOB能釋放兩個(gè)細(xì)胞色素c分子，參與AOB電子傳遞，其中，細(xì)胞色素之一的c554分子可以作為一種NO還原酶/Nor，把由HAO催化產(chǎn)生的NO于菌體外還原為N2O。大多數(shù)AOB中都能檢測到Nor基因組。此外，經(jīng)NH2OH生物氧化產(chǎn)生的NO也能逆向轉(zhuǎn)化為NO2-（由未知酶/NcyA催化）。

②在非生物化學(xué)途徑下[圖1(a)中黑色虛線條]，從NH2OH和NOH化學(xué)轉(zhuǎn)化N2O分別是NH2OH化學(xué)氧化或歧化以及NOH在好氧條件下二次聚合生成次亞硝酸/N2O2H2后再發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生N2O。

2）HN-AD與COMAMMOX硝化

HN-AD菌氧化NH4+、NH2OH或有機(jī)氮化合物時(shí)并不從該過程中獲得能量，而是利用有機(jī)碳源和有氧呼吸來產(chǎn)生能量。HN-AD菌能進(jìn)行完全硝化，將NH4+逐步轉(zhuǎn)化為NO3-，但分別需要AMO、HAO和硝酸鹽氧化還原酶/Nxr等酶加以輔助[圖1(b)]。

COMAMMOX是硝化螺旋體菌屬的一個(gè)從屬菌屬，能將NH4+逐步氧化至NO3-，進(jìn)行完全NH4+氧化（一步到位）。COMAMMOX攜帶AOB與NOB同源基因組，能同步進(jìn)行AOB的NH4+氧化與NOB的NO2-氧化。COMAMMOX在AMO酶催化作用下，先將NH4+氧化為NH2OH，之后NH2OH依次被氧化為NOH和NO2-，該過程由HAO酶催化完成，最終NO2-在Nxr酶催化作用下，轉(zhuǎn)化為NO3-[圖1(c)]。迄今為止，所報(bào)道的COMAMMOX基因組中缺乏編碼Nor基因及細(xì)胞色素c蛋白，無法將由硝酸鹽還原酶/Nar和亞硝酸鹽還原酶/Nir生物還原而成的NO轉(zhuǎn)化為N2O。

1.1.2 反硝化途徑

1）HDN與HN-AD反硝化

HDN是以有機(jī)物（COD）作為電子供體，在不同氮氧化物還原酶催化作用下將NO3-依次還原為N2的過程，如圖1(a)中紫色線條所示。參與催化HDN反硝化過程的酶包括Nar、Nir、Nor和N2O還原酶/Nos。Nos最大還原速率大約是Nar或Nir還原速率的4倍，這表明在缺氧或厭氧條件下，N2O可以被徹底還原，并不會(huì)發(fā)生N2O積累。但在污水生物脫氮實(shí)際運(yùn)行過程中一些因素會(huì)抑制Nos活性，如，缺氧環(huán)境中存在DO、低pH、高NO2-濃度和C/N等因素，導(dǎo)致N2O在反硝化過程中發(fā)生暫時(shí)性積累。HDN中除了反硝化脫氮菌能產(chǎn)生N2O外，反硝化除磷（DPAO）菌，亦能產(chǎn)生N2O。DPAO過程中所利用的細(xì)胞貯存物質(zhì)PHA和NO2-積累是缺氧條件下DPAO過程產(chǎn)生N2O之關(guān)鍵因素。最新研究發(fā)現(xiàn)，ANAMMOX過程會(huì)產(chǎn)生N2O，但顆粒污泥內(nèi)部HDN反硝化作用最終被認(rèn)定為ANAMMOX反應(yīng)器（即，顆粒污泥）排放N2O的根本原因。

HN-AD菌亦能同步攝取O2和NO3-，在Nar、Nir、Nor和Nos等酶催化作用下，進(jìn)行好氧反硝化，將NO3-逐步還原為N2或N2O [圖1(b)]。

1.2 AOB同步亞硝化與反硝化途徑

AOB除了亞硝化途徑外，亦可通過反硝化途徑產(chǎn)生N2O。有研究指出，硝化過程中AOB反硝化作用也是活性污泥系統(tǒng)產(chǎn)生N2O不可忽視的途徑，且被認(rèn)為是污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生N2O的主要來源。AOB可以在低DO或高NO2-濃度情況下，將NO2-逐步還原為N2O，這個(gè)過程被稱為AOB反硝化作用。低DO濃度會(huì)對(duì)NOB產(chǎn)生明顯抑制作用，使NO2-進(jìn)一步氧化受阻，造成NO2-積累；此時(shí)，AOB會(huì)分泌一系列Nir、異構(gòu)亞硝酸鹽還原酶/Ntr和Nor等酶，而Nor酶在有氧條件下不會(huì)受到抑制，且AOB基因組中沒有發(fā)現(xiàn)編碼Nos的基因，所以，AOB反硝化終產(chǎn)物不是N2而是N2O[圖1(d)]。AOB在Ntr酶催化作用下可直接[圖1(d)中左側(cè)水平粗紅色線條]將NO2-還原形成N2O，亦可在反硝化過程[圖1(d)中右側(cè)水平粗紅色線條]經(jīng)NO而形成N2O。這兩個(gè)生物途徑構(gòu)成了AOB產(chǎn)生N2O的主要過程，且此兩途徑在DO<1.5 mg·L-1便可以發(fā)生，至DO<0.2 mg·L-1時(shí)作用最為明顯。

1.3 非生物化學(xué)路徑

除生物主要途徑外，非生物次要化學(xué)途徑亦可產(chǎn)生少量N2O；NH2OH、NOH和HNO2等是在污水或自然水體中化學(xué)產(chǎn)生N2O的主要前體物質(zhì)。NH2OH除能通過自身歧化反應(yīng)產(chǎn)生N2O外，亦可與O2和HNO2反應(yīng)產(chǎn)生N2O。此外，在相關(guān)環(huán)境條件下，氧化還原活性金屬（鐵和錳）、有機(jī)物（腐殖酸和黃腐酸）和氮循環(huán)中間體之間的化學(xué)反應(yīng)也可能產(chǎn)生N2O。

污水處理脫氮過程中N2O排放主要源于AOB同步亞硝化與反硝化途徑，該途徑中AOB反硝化與其亞硝化過程產(chǎn)生的非生物化學(xué)途徑合在一起可使N2O產(chǎn)生量達(dá)TN負(fù)荷的13.3%。其次，硝化與反硝化途徑經(jīng)AOB亞硝化過程中間產(chǎn)物NH2OH與NOH非生物化學(xué)途徑和HDN反硝化不完全所產(chǎn)生的N2O量并不高，占TN負(fù)荷的1.3%~3.5%。此外，硝化與反硝化途徑中HN-AD與COMAMMOX純菌株培養(yǎng)過程中N2O產(chǎn)量分別為TN負(fù)荷的5.6%與0.05%~0.5%。污水處理脫氮過程中各種生物途徑及其中間產(chǎn)物非生物化學(xué)途徑N2O產(chǎn)率系數(shù)總結(jié)于表1。

02 污水脫氮過程中N2O減排策略

2.1 硝化與反硝化途徑

2.1.1 常規(guī)硝化與反硝化

硝化（AOB+NOB）與反硝化（HND）途徑中AOB生物與非生物途徑只產(chǎn)生少量N2O，且NOB硝化過程并不產(chǎn)生N2O，所以，硝化過程只要保持DO≥2 mg·L-1來保證AOB和NOB硝化順序完成至NO3-，便可在很大程度上避免硝化過程N(yùn)2O產(chǎn)生。對(duì)HDN反硝化而言，關(guān)鍵是要保證能夠獲得足夠的碳源，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)水中碳源不足時(shí)，HDN反硝化便會(huì)受阻，從而導(dǎo)致NO3-反硝化不完全而止步于N2O。但是，進(jìn)水中碳源缺乏是我國污水非常普遍的情況，這就需要通過外加碳源方式去促進(jìn)完全反硝化作用；結(jié)果一舉兩得，同時(shí)可以避免N2O積累現(xiàn)象發(fā)生。此外，運(yùn)行實(shí)踐中好氧池DO也不能維持過高水平，只要硝化完全，DO則不必太高，一般控制在2 mg·L-1即可。否則，曝氣池過高DO會(huì)隨內(nèi)回流進(jìn)入缺氧池（如，A2/O工藝），從而抑制反硝化，出現(xiàn)N2O積累而溢出現(xiàn)象。

2.1.2 HN-AD好氧硝化與反硝化

HN-AD菌利用有機(jī)碳源和有氧呼吸產(chǎn)生能量，進(jìn)而完成同步異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過程。有研究發(fā)現(xiàn)，在混合菌株培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中HN-AD菌在C/N=10的條件下，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化才能有效進(jìn)行。然而，進(jìn)水中缺乏碳源是我國污水非常普遍的情況，且部分碳源屬于難生物降解物質(zhì)，可生物降解碳氮（COD/N）比一般＜5。這就意味著我國污水處理脫氮過程中，HN-AD途徑產(chǎn)生N2O可能性很小。而目前研究證實(shí)的一些HN-AD菌只有在DO≥3 mg·L-1時(shí)才能發(fā)生有效異養(yǎng)硝化-好氧反硝化，這從另一角度再次說明，實(shí)際污水處理過程，HN-AD產(chǎn)生N2O的可能微乎其微。

2.1.3 COMAMMOX硝化

COMAMMOX菌的微生物氧化酶通常在極低DO濃度下表達(dá)，并對(duì)DO有較高的親和力。COMAMMOX在低DO條件下可以成為硝化過程優(yōu)勢菌屬，但隨DO濃度增加，AOB活性逐漸增加，COMAMMOX則會(huì)失去競爭力。污水處理過程中，DO控制在2 mg·L-1左右，可有效避免COMAMMOX硝化過程產(chǎn)生N2O。

2.2 AOB同步亞硝化與反硝化

工藝運(yùn)行環(huán)境中發(fā)生硝化作用的好氧池一般DO均控制為≥2 mg·L-1，少有出現(xiàn)DO過低（<1.5 mg·L-1）的現(xiàn)象，除非曝氣設(shè)備出現(xiàn)異常。也就是說，AOB反硝化現(xiàn)象只有在運(yùn)行異常情況下方可能發(fā)生，但其產(chǎn)生N2O的作用并不能因此而掉以輕心。當(dāng)?shù)虳O<1.5 mg·L-1時(shí)，會(huì)導(dǎo)致AOB利用NO2-作為電子受體將其反硝化產(chǎn)生終產(chǎn)物N2O。同時(shí)，低DO容易導(dǎo)致NOB被抑制，造成NO2-積累。此外，通過控制系統(tǒng)污泥齡（SRT）有效持留NOB亦可降低N2O排放量。若能控制系統(tǒng)保持長SRT（約為 20 d），則有利于比增長速率較低（0.801 d-1）的NOB生長，可降低系統(tǒng)中NO2-濃度，最終降低系統(tǒng)N2O產(chǎn)量。因此，硝化過程應(yīng)保持DO在2 mg·L-1左右，控制系統(tǒng)SRT盡可能要長（如，20 d，同步生物除磷時(shí)例外），避免因NOB受DO、SRT抑制而積累NO2-，從而導(dǎo)致AOB反硝化發(fā)生產(chǎn)生N2O。

2.3 其它控制措施

2.3.1 加入銅元素

傳統(tǒng)硝化與反硝化途徑HDN反硝化過程的Nos酶是含銅酶，其活性中心具有催化位點(diǎn)CuZ，含有銅離子，因此，加入銅元素則有利于加強(qiáng)Nos酶活性。銅元素是Nos酶進(jìn)行生物合成的必需物質(zhì)，并且它的含量能夠影響N2O產(chǎn)量。然而，在實(shí)際污水處理系統(tǒng)中，銅元素的作用及其對(duì)HDN反硝化過程中N2O產(chǎn)量影響尚未見報(bào)道。

2.3.2 pH與溫度

此外，污水處理過程中，脫氮微生物相關(guān)酶活性與pH密切相關(guān)，且影響污水中N元素存在形態(tài)，從而會(huì)影響污水處理廠N2O產(chǎn)量。硝化過程中AOB與NOB代謝過程適宜pH值分別為7.0~8.5和6.5~7.5。因此，當(dāng)pH>8.5或＜6.5時(shí)，NOB代謝活性較AOB更易受pH抑制，致NO2-積累，進(jìn)而導(dǎo)致N2O產(chǎn)生。因此，污水處理過程中，避免pH過高或過低環(huán)境可有效降低N2O排放。

溫度主要通過化學(xué)平衡、酶活性和溶解度來影響N2O產(chǎn)生。首先，溫度擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致NH4+和NO2-氧化反應(yīng)不平衡。其次，溫度為25℃時(shí)，Nos酶活性可能增強(qiáng)，從而降低N2O積累速率?？傊?，夏季時(shí)污水處理可實(shí)現(xiàn)N2O產(chǎn)生最小化。

03 結(jié)語

污水處理生物脫氮過程N(yùn)2O釋放于硝化與反硝化過程，主要與AOB及其同步反硝化、HDN、HN-AD和COMAMMOX等生物途徑，以及硝化過程中間產(chǎn)物NH2OH與NOH之非生物化學(xué)途徑有關(guān)。常規(guī)硝化與反硝化（AOB+HDN）途徑在正常運(yùn)行工況下N2O排放量并不是很大，約只占進(jìn)水TN負(fù)荷的1.3%；即使是HN-AD與COMAMMOX代謝過程，兩者N2O產(chǎn)生量也不足TN負(fù)荷得0.5%。而AOB亞硝化（非生物途徑）及其同步反硝化（生物途徑，主途徑）過程是污水處理生物脫氮過程中N2O排放的首要途徑，N2O排放量可高達(dá)TN負(fù)荷的13.3%。原因是硝化過程DO受限引起NO2-積累所誘發(fā)的AOB反硝化。

為此，污水處理過程中應(yīng)盡量避免低DO、NO2-積累和碳源不足等現(xiàn)象。運(yùn)行實(shí)踐中，可通過以下3種措施控制N2O排放：①好氧池DO應(yīng)控制在2 mg·L-1左右；②如果不涉及生物除磷，SRT盡可能要延長至≥20 d；③進(jìn)水碳源不足時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充外加碳源。這些技術(shù)措施可有效防范N2O于未然。