結果與討論

N?O生成特性

經過4個月以上運行期，A?-SBR和AO-SBR實現穩定的脫氮除磷。批次實驗1考察反硝化除磷與傳統反硝化過程N?O生成的差異。

圖2和圖3展示典型周期內反硝化除磷（SBR-1）與傳統反硝化（SBR-2）過程中COD、氮、磷和PHA的變化。SBR-1厭氧階段，COD在30分鐘內迅速降至最低，伴隨PHA合成和PO?3?-P釋放。后續缺氧階段發生同步反硝化與PO?3?-P攝取，PHA被消耗（圖2），呈現典型DPAOs表型。SBR-2僅含缺氧階段，期間COD消耗、NO??-N還原和PO?3?-P釋放同時發生，僅生成少量PHA（圖3），呈現傳統反硝化菌表型。

SBR-1中，N?O主要在缺氧階段生成，厭氧階段幾乎未檢測到；KNO?溶液投加后，溶解態N?O-N濃度在前15分鐘迅速升至0.87 mg/L，隨后急劇降至接近零（圖2）。類似地，SBR-2缺氧初期也觀察到N?O瞬時積累（圖3），但其最高溶解態N?O濃度僅0.08 mg/L，遠低于SBR-1。此外，尾氣N?O也被測定，氣相和液相總N?O生成量見表1。可見SBR-1的N?O生成量（占TN去除量的0.41±0.034%）雖顯著高于SBR-2（0.013±0.0056%），但遠低于先前反硝化除磷系統的報道值（2.34–21.6%）（Wang et al.2011a,b）。這可能歸因于使用了丙酸鹽與乙酸鹽的混合碳源，而非單一乙酸鹽。相較于乙酸鹽，丙酸鹽作為碳源顯著降低了廢水處理過程的N?O生成（Zhu and Chen 2011）。

表1批次實驗中N?O生成量與反硝化效率

識別反硝化除磷中一氧化二氮生成的成因

SBR-1使用PHA作為反硝化碳源，SBR-2使用乙酸鹽和丙酸鹽。因此推測，使用PHA進行反硝化及高NO??-N積累是導致兩反應器N?O生成差異的原因。

使用PHA反硝化導致N?O生成

該成因首先通過向反硝化除磷污泥的缺氧批次實驗2中添加乙酸鹽驗證（圖4）。結果顯示：未添加乙酸鹽時，DPAOs利用厭氧階段合成的PHA作為反硝化碳源，最大N?O-N積累量達0.85 mg/L；添加乙酸鹽后，DPAOs可利用乙酸鹽作為反硝化碳源，最大N?O-N積累量僅0.21 mg/L。這表明使用PHA反硝化會增加N?O生成。相較于乙酸鹽，PHA降解速率較慢，無法為反硝化提供充足電子，導致反硝化酶之間競爭電子（Kampschreur et al.2009）。N?O還原酶（Nos）因還原N?O是反硝化最后一步而缺乏競爭優勢，抑制了N?O還原（Kampschreur et al.2009;Wang et al.2011b）。

為驗證該假設，進行批次實驗3，結果如圖5所示。乙酸鹽添加顯著提高了N?O還原速率，因乙酸鹽降解速率是PHA的6–20倍，Nos可獲得充足電子還原N?O（Third et al.2003）。當添加硝酸鹽時，硝酸鹽還原酶（Nar）在電子競爭中優于Nos，PHA氧化提供的電子優先用于硝酸鹽還原，抑制了N?O還原（Kampschreur et al.2009）。而同時供應乙酸鹽和硝酸鹽時，乙酸鹽提供的電子足以支持硝酸鹽和N?O的還原，故N?O還原不受抑制。這些結果表明，使用PHA反硝化時，有限的電子無法滿足反硝化酶需求，且Nos與Nar競爭電子的能力較弱。

高NO??-N濃度導致N?O生成

圖2和圖3顯示，SBR-1的NO??-N積累高達8.51 mg/L，遠高于SBR-2（4.91 mg/L）。可能原因是SBR-1使用內碳源（PHA）反硝化，而SBR-2使用乙酸和丙酸。較低的PHA降解速率導致反硝化酶競爭電子，硝酸鹽還原速率遠高于亞硝酸鹽還原速率（Kampschreur et al.2009;Wang et al.2011b）。批次實驗2進一步證實NO??-N積累導致N?O生成。

圖4顯示，向DPAOs污泥添加亞硝酸鹽顯著刺激N?O生成，最大N?O-N積累量達6.19 mg/L，遠高于硝酸鹽添加反應器。該結果與Lemaire et al.(2006)一致，表明亞硝酸鹽添加的N?O生成速率是硝酸鹽的五倍。類似地，Zhou et al.(2008a)證實高濃度NO??-N導致N?O積累，其后續研究揭示Nos活性受高NO??-N積累抑制（Zhou et al.2011）。

但批次實驗2發現有趣現象（圖4）：當同時添加亞硝酸鹽和乙酸鹽時，N?O生成遠低于僅添加亞硝酸鹽的反應器。這解釋了為何傳統反硝化過程盡管NO??-N積累達4.91 mg/L，卻幾乎不產生N?O——外碳源可減輕亞硝酸鹽對Nos活性的抑制。

綜上，Nos競爭電子的弱勢和高NO??-N積累是反硝化除磷系統N?O生成的兩大主因。

控制反硝化除磷過程中的一氧化二氮生成

反硝化除磷利用同一碳源同步脫氮除磷，具有節約碳源和氧氣的巨大潛力。但大量N?O生成嚴重阻礙其應用。基于上述分析，可通過兩種途徑降低N?O生成：(a)連續投加硝酸鹽以減少反硝化酶間電子競爭；(b)使用丙酸鹽作為碳源以減少亞硝酸鹽積累。

硝酸鹽投加策略對一氧化二氮生成的影響

硝酸鹽脈沖投加時，缺氧階段初始NO??-N濃度始終較高（25 mg/L）。PHA氧化提供的電子不足以將NO??完全還原為N?，有限的電子優先用于將NO??-N還原為NO??-N和N?O。若采用連續投加策略，NO??-N濃度可維持在較低水平。此時，NO??-N完全還原為N?的電子需求可被滿足，從而減少N?O積累。通過批次實驗4比較脈沖與連續投加條件下的N?O和NO??-N積累。圖6顯示兩種策略下N?O生成差異：連續投加顯著降低N?O生成和NO??-N積累。Zhou et al.(2008b)同樣發現，通過連續向缺氧階段輸送含亞硝酸鹽的液流，新型兩污泥三級系統的N?O生成減少。

碳源對一氧化二氮生成的影響

NO??-N積累是反硝化除磷中N?O生成的主因。若減少NO??-N積累，則可降低N?O生成。丙酸鹽是DPAOs的良好碳源，可減少反硝化除磷過程中的NO??-N積累（Carvalho et al.2007）。因此，以丙酸鹽為DPAOs碳源可減少N?O生成。批次實驗5結果清晰證實丙酸鹽的減排優勢（圖7，表1）：相較于乙酸鹽及乙丙混合酸鹽，單獨使用丙酸鹽顯著降低NO??-N積累和N?O生成。NO??-N是反硝化中間產物，其積累受硝酸鹽還原酶（Nar）和亞硝酸鹽還原酶（Nir）活性影響（Wang et al.2011a）。碳源對Nar和Nir活性有不同影響，導致硝酸鹽還原速率（N1）與亞硝酸鹽還原速率（N2）比值不同。高N1/N2比會導致高NO??-N積累（Wang et al.2011a;Zhu and Chen 2011）。如表2所示，丙酸鹽降低了N1/N2比，與較低的NO??-N積累一致。

表2不同碳源下NO??-N與NO??-N還原速率比較

*數據為三次測試的平均值±標準偏差

但該結果與Wang et al.(2011a)結論相悖，其短期實驗發現使用乙丙混合酸鹽或丙酸鹽時N?O生成顯著增加。差異在于本研究DPAOs由乙丙混合酸鹽馴化，而該研究僅用乙酸鹽馴化。兩研究的DPAOs種類可能不同，需進一步探究不同碳源馴化的反硝化除磷系統中N?O生成與微生物群落的關系。

因此，連續投加硝酸鹽或使用丙酸鹽為碳源均可減少反硝化除磷過程的N?O生成。此外，減少厭氧時間、使用污泥堿性發酵液及添加銅離子（Cu2?）等措施也有報道可降低生物脫氮除磷過程的N?O生成（Wang et al.2011b;Zhu and Chen 2011;Zhu et al.2012），其在反硝化除磷工藝中的適用性值得深入研究。

結論

相較于傳統反硝化過程，反硝化除磷過程顯著增加N?O生成。兩大主因導致此現象：一是利用PHA反硝化引發反硝化酶間電子競爭，N?O還原酶在電子捕獲中缺乏競爭優勢；二是過量亞硝酸鹽積累抑制N?O還原酶活性。因此，可通過兩種途徑降低N?O生成：(a)連續投加硝酸鹽減少反硝化酶間電子競爭；(b)使用丙酸鹽為碳源減少亞硝酸鹽積累。