行业专项 研究：BAF滤池焦化废水过程中N2O和NO的产生机理与群落功能

污水处理过程中释放的氧化亚氮（N2O）和一氧化氮（NO）气体因具有严重的温室效应和大气污染作用而受到了广泛关注，但目前对含有高氨氮及难降解有机物的工业废水处理过程中温室气体排放的研究还较少。本研究针对焦化废水，一类典型的难降解工业废水，开展研究。探究了曝气生物滤池（BAF）工艺对焦化废水中有机物和氮素的去除效果，以及在处理过程中N2O和NO等气体的排放因子及产生机理。研究结果表明，BAF对焦化废水中化学氧量（COD）及氨氮的平均去除率可分别达到73.3%和92.83%，但是N2O和NO的排放因子也高达23.58%和0.03%，显著高于一般生活污水处理过程的排放量。批次实验表明硝化过程是N2O和NO气体的主要来源，分别占据排放总量的97.17%和93.89%。分别从BAF反应器的上中下三个部位采集微生物样品进行16S rRNA基因高通量测序分析其群落结构，结果显示氨氧化细菌（AOB）和反硝化细菌遍布整个反应器，但仅有少量的亚硝酸盐氧化细菌（NOB）分布在反应器底部。基因功能预测（PICRUSt）结果表明微生物群体中不平衡的N2O和NO还原酶含量是导致该处理过程产生大量N2O气体的潜在原因。本研究为深刻了解工业废水处理过程中温室气体的排放特征及制定可行的控制策略具有重要意义。
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2.材料和方法：

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) l9 R, e. i8 y4 v: d$ d图1 曝气生物滤池（biological aerated filter, BAF）示意图

污水在进入BAF之前先流经一个厌氧滤池反应器（AF），AF与BAF的规格相同，直径为100 mm，总体积为5 L。BAF顶端密封并留有气孔用于收集气体。反应器一侧的上中下位置设有三个取样口。反应器接种污泥取自河北某焦化废水处理厂，废水也同样取自该厂的原始进水，其COD和氨氮浓度分别为27500 mg/L以及5150 mg/L。此外，焦化废水中还有较高浓度的氰化物（220 mg/L）和挥发性酚（3600 mg/L）。原始废水稀释20倍后进入BAF反应器，经过3个月的调试运行后反应器达到稳定，维持水力停留时间40 h。稳定运行后每天测定进出水中氨氮、亚硝氮和硝态氮的浓度并收集气体用于分析N2O和NO浓度。
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为分析硝化过程以及反硝化过程对N2O及NO产生总量的贡献以及原焦化废水中有毒物质对N2O及NO产生量的影响，本研究设计了四个密闭摇瓶批次实验，参数设定如下：

① 仅含焦化废水；
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/ ^0 j3 m/ f$ `1 _" a- F② 仅含合成废水；

③ 焦化废水+硝化抑制剂；

' r% G) p: L, l  l- [5 e7 |+ ?0 F4 U④ 合成废水+硝化抑制剂。
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( d7 y! ?4 t. u1 L溶液总体积均为200 mL，合成废水的COD与三氮浓度与焦化废水一致，硝化抑制剂采用10 mg/L 烯丙基硫脲（ATU）以及1000 mg/L次氯酸钠（NaClO3）分别抑制氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌。
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8 H" V9 @7 T3 Q反应器稳定运行一个月后采集不同高度位置的微生物样品用于群落结构分析。提取样品总DNA后，使用515F (GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)和806R (GGACTACHVGGGTWTCTAAT)扩增16S rRNA基因，在Illumina MiSeq平台测序，并在97%相似度水平进行OTU聚类分析群落结构，并利用PICRUSt预测微生物功能，尤其是与微生物氮转化相关的功能分析。
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3.结果与分析
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图2 两级AF-BAF对焦化废水中污染物的去除效果
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图3 BAF处理焦化废水时N2O和NO的排放速率

" A% u) t) p: Q' r8 q! n厌氧生物反应器可将具有复杂结构的大分子难降解有机物转化为小分子有机物，以降低焦化废水的毒性并提高其生物可利用性，随后的BAF对废水中的COD以及NH3-N具有良好的去除效果，使得出水中COD浓度低于300 mg/L，氨氮浓度为16.0 mg/L，对应平均去除率分别为73.3%和92.83%。而且由亚硝氮和硝态氮的浓度可以看出系统中存在着短程硝化反硝化脱氮过程。对气体的检测分析计算可以得出，BAF中N2O和NO的排放因子分别为23.58%和0.09%，显著高于生活废水处理过程中的排放因子。


图4 批次试验四个摇瓶中三氮浓度变化以及N2O和NO的排放速率

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批次实验结果表明硝化反应产生的N2O及NO气体均占气体排放总量的90%以上。由于硝化过程中会产生大量的NO2-N，在溶解氧浓度较低的情况下，AOB误将NO2-N作为电子受体并由此产生大量的N2O气体。另外，由于焦化废水中大量的难降解有机物使得异养菌缺少足够的有机物而导致活性降低，有毒物质的存在也会抑制反硝化菌的还原酶活性中心，在降低污水处理效果的同时增大了温室气体的排放量。


图5 BAF反应器中不同高度的微生物群落在门类和属类的分布

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图6 BAF反应器中不同高度的微生物功能代谢途径（a）以及与氮代谢相关的功能（b）热图分析
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$ `7 P" ?) D6 a; I2 s由图5中可以看出，Proteobacteria门和Bacteroidetes门是BAF反应器中最主要的两类微生物，分别占总量的约80%和10%。在属水平上，Nitrosomonas属的高丰度证实了反应器优越的氨氧化性能，但其空间分布非常明显，丰度由底部向上逐渐升高。另外，群落分析结果表明Nitrospirae属仅在反应器的底部被发现，也呼应了短程硝化是反应器脱氮的主要过程。除了大量的硝化与反硝化细菌，系统中还包含可分解硫代硫酸盐离子的Limnobacter属以及分解Mn (II)的Planctomyces属细菌等，这些菌属在焦化废水难降解有机物以及重金属离子的去除中发挥着重要作用。
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PICRUSt分析结果表明BAF反应器中具有多类代谢途径，其中包括多种与氮代谢相关的功能，如：亚硝酸盐还原酶、NO还原酶、N2O还原酶等。但这些代谢功能受反应器内不同的溶解氧浓度以及有毒物质的影响同样具有明显的空间差异性。亚硝酸盐还原酶的活性在反应器的底部最高，也使反应器底部成为硝化反应的主要场所。NO还原酶和N2O还原酶受反应器底部高浓度有毒物质和难降解有机物的影响，其活性远低于反应器的中部以及上部位置，导致硝化过程所产生的N2O以及NO气体无法被有效还原，使得反应器底部成为温室气体产生的最主要场所。
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4. 结论

9 D- P6 _; P, O$ r3 H本研究证实了BAF反应器在处理含高浓度氨氮以及难降解有机物焦化废水的可行性，明确了硝化作用是脱氮过程中产生N2O和NO等温室气体的主要产生过程，同时焦化废水中的有毒物质会对微生物群落和功能产生不利影响，并通过抑制酶活性最终影响出水水质并增大温室气体的排放量。作者：郑茂盛
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