摘要:

酸性pH條件此前被發現會促進廢水生物處理中異養反硝化過程中的氧化亞氮（N2O）積累。然而，這一現象的機制仍需闡明。本研究以富集的甲醇利用型反硝化菌群為例，系統研究了pH（6.0–9.0）對以N2O為唯一電子受體時的N2O還原動力學的影響，以及pH對以N2O作為硝酸鹽還原中間產物時的N2O積累的影響。同時考察了pH對硝酸鹽和亞硝酸鹽還原的依賴性。在整個研究pH范圍內，最大生物量特異性N2O還原速率均高于相應的最大硝酸鹽和亞硝酸鹽還原速率。然而，最大生物量特異性N2O還原速率在最優pH范圍（7.5–8.0）之外對pH變化的敏感性遠高于硝酸鹽和亞硝酸鹽還原速率。N2O還原酶的半飽和系數隨pH從6.0升至9.0，從0.10 mg N2O-N/L增加至0.92 mg N2O-N/L。在pH 6.0時，分別在有甲醇（作為外源碳源）和無甲醇條件下，反硝化產生的硝酸鹽中有約20%和40%以N2O形式積累；而在pH 6.5時，這些比例分別降至0%和30%。在pH 7.0至9.0范圍內，無論甲醇是否可用，均未觀察到N2O積累。這些結果表明，在低pH條件下，不同氮氧化物還原酶之間對電子的競爭可能在N2O積累中起作用。

1.引言

反硝化是全球氮循環的內在組成部分。完整的異養反硝化包括從硝酸鹽（NO3?）到亞硝酸鹽（NO2?）、一氧化氮（NO）、氧化亞氮（N2O）最終到氮氣（N2）的序列還原反應。參與這些過程的四種酶分別為：硝酸鹽還原酶（Nar）、亞硝酸鹽還原酶（Nir）、一氧化氮還原酶（Nor）和氧化亞氮還原酶（Nos）。作為中間產物，N2O在特定條件下可積累并隨后釋放到大氣中。這尤其引發環境關注，因為N2O是一種強效溫室氣體，其100年內的全球變暖潛能是CO2的約300倍（IPCC,2007）。此外，N2O還被認為是21世紀主要的臭氧消耗物質（Ravishankara et al.,2009）。

在污水處理廠（WWTP）中，由于缺乏主動stripping，缺氧區/階段中的N2O排放相對較?。ˋhn et al.,2010;Foley et al.,2010）。然而，如果反硝化過程中產生N2O積累，其在好氧區/階段初期可能被顯著剝離。當發生同步硝化反硝化（SND）時，反硝化產生的N2O也可能被剝離（Zeng et al.,2003）。已報道導致反硝化過程中N2O積累的因素包括：低pH（Hanaki et al.,1992;Thorn and Sorensson,1996）、低化學需氧量與氮比值（COD/N）（Chung and Chung,2000;Kishida et al.,2004）、內部儲存物質的消耗（Schalk-Otte et al.,2000）、高濃度游離亞硝酸（Zhou et al.,2008）或H2S（Schonharting et al.,1998）以及低溶解氧（DO）濃度（Otte et al.,1996;Tallec et al.,2008）。碳源類型也影響N2O積累（Lu and Chandran,2010）。

在這些因素中，低pH被認為是導致反硝化中N2O積累的重要脅迫因子（Hanaki et al.,1992;Thorn and Sorensson,1996）。Hanaki等（1992）使用污水廠回流活性污泥觀察到，pH 6.5時的N2O積累顯著高于pH 7.5；而pH 7.5和8.5之間差異較小。Thorn and Sorensson（1996）使用中試廠活性污泥發現，pH 6.0時超過40%的反硝化硝酸鹽以N2O形式積累，pH低于5.0時幾乎100%積累。土壤中N2O產生的研究較為廣泛，因為土壤貢獻了大氣中約65%的N2O排放（Van Den Heuvel et al.,2011）。普遍認為，反硝化產生的含氮氣體中N2O比例隨pH降低而增加（Koskinen and Keeney,1982;Simek and Cooper,2002;Van Den Heuvel et al.,2011）。然而，其機制仍不明確，需進一步闡明。

本研究旨在更好地理解pH影響N2O積累的內在原因。為此，在不同pH條件下研究了以N2O為唯一電子受體時的N2O還原過程，以及硝酸鹽還原過程中N2O積累的過程。污水處理廠的操作pH通常為6.5–8.5（Metcalf&Eddy,Inc.,2003），但在某些情況下可能略微超出此范圍。因此，本研究選擇了較寬的pH范圍（6.0–9.0）以覆蓋可能的情況。特別系統研究了最大生物量特異性N2O還原速率（km,N2O）和Nos對N2O的半飽和系數（KS,N2O）。同時，還研究了pH對硝酸鹽和亞硝酸鹽還原的依賴性。本研究使用富集的甲醇利用型反硝化菌群。甲醇是污水處理廠中常用的外源碳源，用于增強反硝化，either作為主反應器的補充碳源（Ginige et al.,2009）或作為單獨后反硝化系統的唯一碳源（Baytshtok et al.,2009;Mokhayeri et al.,2009）。因此，深入理解pH對甲醇利用型反硝化菌產生N2O的影響，不僅有助于揭示pH對N2O產生的一般效應，還對接收甲醇的污水處理廠操作具有重要實踐意義。

2.材料與方法

2.1.反應器設置與操作

利用從澳大利亞布里斯班一家生活污水處理廠取得的污泥接種，在一個8L序批式反應器（SBR）中富集甲醇利用型反硝化菌群。反應器在室溫（22.0–23.0°C）下運行，周期為6小時，包括：40分鐘缺氧進料與反應、240分鐘缺氧反應、9分鐘曝氣（以剝離反硝化產生的氮氣并改善沉降）、6分鐘排泥、60分鐘沉降和5分鐘排水。每周期緩慢泵入2L合成廢水，沉降后排出1.8L上清液，使水力停留時間（HRT）為24小時。沉降前排出200mL混合液，以保持污泥停留時間（SRT）約10天。SBR運行由可編程邏輯控制器（PLC）自動控制。使用miniCHEM-DO2和pH探頭在線連續監測DO濃度和pH。通過添加0.5M鹽酸儲備液將pH自動控制在7.2±0.1。還使用微傳感器定期監測反應器中的液相N2O（見2.4節）。此外，每周通過在整個6小時周期內每30分鐘取樣測量銨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽和甲醇濃度進行周期研究。每周測量混合液懸浮固體（MLSS）和混合液揮發性懸浮固體（MLVSS）濃度。系統運行超過一年以達到穩態，硝酸鹽和甲醇去除率均》99%。

所用合成廢水進料包含1.82L溶液A和0.18L溶液B。溶液A包含（每升）：1.348g NaNO3；0.222g MgSO?·7H?O；0.022g CaCl?·2H?O；0.192g K?HPO?；0.314g NH?Cl和2.2mL營養液。溶液B包含（每升）：7.4mL甲醇。營養液包含（每升）：1.5g FeCl?·6H?O；0.15g H?BO?；0.03g CuSO?·5H?O；0.18g KI；0.12g MnCl?·4H?O；0.06g Na?MoO?·2H?O；0.12g ZnSO?·7H?O；0.15g CoCl?·6H?O；10g乙二胺四乙酸（EDTA）。完整進料包含200mg N/L的硝酸鹽和800mg/L的甲醇化學需氧量（COD）。