废水生物脱氮过程是氧化亚氮(N₂ O)的重要排放源之一，多年来一直被研究者们所重视^{[1, 2, 3]}. N₂ O是一种重要的温室气体，也是引起光化学烟雾、 破坏臭氧层、 导致臭氧层空洞的重要因素之一^{[4, 5, 6]}. 同步硝化反硝化(simultaneous nitrification denitrification,SND)工艺因其比传统生物脱氮工艺具有更高的脱氮能力，近年来受到广泛的关注^[7,8].

然而有研究表明，SND过程中会产生大量的N₂ O^[9]. 由于SND工艺的溶解氧浓度比较低，故其微生物活性与传统生物脱氮工艺不同，氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)的种类多样性及数量都增加了很多，使得硝化细菌的反硝化作用增强，其N₂ O的释放规律也与传统工艺有很大区别^[10]，与传统生物脱氮工艺相比SND工艺中释放的N₂ O增加了近四倍^[9]. 如何控制SND过程中N₂ O的释放，成为限制SND工艺广泛应用的一个难题.

铁是微生物活动所必需的元素，是废水生物脱氮过程中不可少的元素之一^[11,12]，同时，Fe³⁺还是好氧条件下生物化学反应的重要氧化剂^[13,14]. 但是，过多的Fe³⁺可能会导致N₂ O的大量释放^[15]. 有研究表明，与普通活性污泥相比，复合铁酶促活性污泥在硝化反硝化和除磷效果上都更有优势^[16]. 然而迄今为止，关于Fe³⁺对SND过程氮元素迁移转化及N₂ O释放的研究却相对较少.

本研究采用实验室规模SBR反应器，来探究Fe³⁺对SND过程中氮元素迁移转化及N₂ O释放的影响.

1 材料与方法 1.1 实验装置

本实验采用的SBR反应器如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 实验装置示意Fig. 1 Schematic diagram of the experimental system

本装置由时间程序控制器控制进水(5 min)、 缺氧搅拌(1.5 h)、 曝气(3 h)、 静沉(75 min)、 出水(10 min)过程，反应器不间歇式循环运行，每周期运行时间为6 h. 通过鼓风曝气，并由磁力搅拌器搅拌以保证曝气及反应均匀. 反应器规格为： 内径25 cm，有效容积为5 L，排水比0.5. 污泥停留时间为20 d，实验过程中控制温度为25℃.

实验接种污泥来自实验室运行良好的同步硝化反硝化反应器^[10]. 该反应器已稳定运行一年多，SND率在90%以上，同步硝化反硝化率高，脱氮效果稳定.

本实验采用人工配置的模拟污水，理论进水中COD=400mg ·L^-1，NH₄⁺-N=50mg ·L^-1，TP=5mg ·L^-1，每周期进水2.5 L. 配水方案如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 模拟废水组分[10]Table 1 Composition of synthetic waste-water 成分 用量/mg·L-1 成分 用量/mg·L-1 C6H12O6 260.2 K2HPO4·3H2O 18 CH3COONa·3H2O 260.2 MgSO4·7H2O 10 NH4Cl 191 FeSO4·7H2O 10 NaHCO3 200 CaCl2·2H2O 10 KH2PO4 11 *微量元素1) 1 1)微量元素组分(每L)： 0.15 g H3BO3；0.03 g CuSO4 ·5H2O； 0.18g KI； 0.12 g MnCl2 ·4H2O； 0.06 g Na2MoO4 ·2H2O； 0.12 g ZnSO4 ·7H2O； 0.15 g CoCl2 ·6H2O； 10 g EDTA

表 1 模拟废水组分[10]Table 1 Composition of synthetic waste-water

取1.2节所述同步硝化反硝化污泥于7个有效容积为1 L的小型SBR反应器中以，按照1.1节所述周期设置运行. 在进水阶段结束后，向各反应器内投加不同浓度的FeCl₃溶液，使得各反应器内Fe³⁺浓度分别为0、 5、 10、 15、 20和40、 60mg ·L^-1. 每隔30 min取一次水样，每隔15 min取一次气样，跟踪监测投加Fe³⁺后各反应器缺氧好氧阶段(共270 min)氮元素迁移转化以及N₂ O释放的规律，通过对比分析，初步确定投加Fe³⁺对SND过程污染物去除及N₂ O释放的短期影响，并为下一阶段长期实验方案的设计提供数据支持.

取1.2节所述同步硝化反硝化污泥于A、 B、 C共3个有效容积为5 L的SBR反应器中(如图 1). 待反应器运行稳定后，根据1.3.1节中确定的Fe³⁺浓度，分别向B、 C两个反应器中连续投加FeCl₃溶液，A反应器作为空白对照.

稳定运行3个污泥龄后(60 d)，跟踪监测周期内氮、 磷等元素及N₂ O的变化情况，同时进行污泥性能测试，研究不同浓度Fe³⁺对SND过程氮元素迁移转化及N₂ O释放的影响.

本实验主要分析的水质项目包括： pH、 溶解氧(DO)、 氨氮(NH₄⁺-N)、 亚硝氮(NO^-₂-N)、 硝氮(NO₃^--N)、 总氮(TN)^[17]. 氨氮、 亚硝氮、 硝氮、 总氮、 总磷的测定均按照文献^[18]的方法. pH使用pH计(PHS-3C,中国)测定； DO使用溶解氧仪(HQ30d53LDO,美国)进行测定. 水体中Fe³⁺浓度的测定采用邻菲罗啉-分光光度法^[18]，污泥中Fe³⁺含量测定则是将污泥利用硝酸-高氯酸消解后^[19]，采用邻菲罗啉-分光光度法测定溶液中铁，从而计算出反应器中Fe³⁺含量.

污泥脱氢酶活性测定方法为TTC比色法^[20]，胞内聚合物(polyhydroxybutyrate,PHB)的分析测定采用的是气相色谱法^[21]，污泥体积指数(sludge volume index,SVI)测定方法为量筒法.

在密闭SBR反应器内，每间隔15 min利用气体采样泵采集气样于气袋中，利用GC-ECD(SP-3410，北京瑞利分析仪器公司)检测N₂ O浓度，色谱柱为Poropak Q填充柱，色谱条件为： 进样口温度为50℃，柱温为 50℃，检测器温度为390℃^[22]. 采集的样品在24 h内进行分析. N₂ O转化率通过N₂ O的生产量与TN消耗量的比值来计算^[23].

2 结果与讨论 2.1 不同Fe³⁺浓度对SND过程的短期影响

向SND反应器中投加Fe³⁺至不同浓度，结果发现，不同Fe³⁺浓度下氮的迁移转化规律基本一致，如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 不同Fe3+浓度对SND过程的短期影响Fig. 2 Short-term effect of Fe3+ concentration on the performance of SND process

Fe³⁺浓度在0~20mg ·L^-1区间时，Fe³⁺浓度越高，氨氮的转化速率越快，并且硝氮和亚硝氮的积累速率也越慢，而在更高的浓度区间内，Fe³⁺浓度的升高却导致氨氮去除率下降了2%~5%，硝氮的积累量增加了10%~30%，同时也导致了更多N₂ O的释放. 根据实验结果，在上述两个不同的Fe³⁺浓度区间内分别选择20mg ·L^-1和60mg ·L^-1作为B、 C反应器内Fe³⁺浓度，进行下一步研究，详细分析Fe³⁺对SND过程中氮迁移转化和N₂ O释放的影响.

连续投加Fe³⁺使得各反应器中Fe³⁺浓度稳定两个月后，测得A、 B、 C这3个反应器出水中各污染物的去除情况如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 Fe3+对污染物去除率的影响/%Table 2 Effect of Fe3+ on the pollutant removal rate/% 项目 反应器A 反应器B 反应器C COD 92.25±0.05 94.55±0.04 89.91±0.08 氨氮 98.79±0.10 99.10±0.09 98.90±0.12 总氮 86.52±2.31 92.80±2.54 60.79±2.13 总磷 62.38±4.32 70.64±5.21 99.13±2.63

表 2 Fe3+对污染物去除率的影响/%Table 2 Effect of Fe3+ on the pollutant removal rate/%

与对照组相比，B反应器的污染物去除率均有所增加，而C反应器的COD和总氮去除率有所减少，但总磷的去除率大大升高，接近完全去除的水平. 这说明，Fe³⁺的存在对磷的去除有显著的促进作用，较低浓度的Fe³⁺会促进COD和氮的去除，而过高浓度的Fe³⁺则会抑制该过程.

在好氧段末期，分别从3个反应器中去污泥测试其SVI及脱氢酶活性，结果如表 3所示.

表 3(Table 3)

表 3 Fe3+对污泥性能的影响Table 3 Effect of Fe3+ on sludge performance 项目 反应器A 反应器B 反应器C SVI/mL·g-1 51.32±0.32 38.22±0.28 39.06±0.35 脱氢酶活性/mg·(L·h)-1 38.18±1.13 54.02±1.26 36.54±3.16

表 3 Fe3+对污泥性能的影响Table 3 Effect of Fe3+ on sludge performance

可以发现，Fe³⁺对反应器内活性污泥的脱氢酶活性及SVI均有明显影响. Fe³⁺对污泥沉降性能有明显的改善作用，主要是因为FeCl₃作为常用的絮凝剂，能够对反应器内活性污泥起到絮凝作用. 与对照组相比，Fe³⁺浓度为20mg ·L^-1的B反应器的脱氢酶活性得到了显著的增强，达到了54.02mg ·(L ·h)^-1，而更高浓度的C反应器活性却有所减弱，只有36.54mg ·(L ·h)^-1. 而生物体的脱氢酶活性在很大程度上反映了生物体的活性，而且直接表示生物细胞对其基质降解能力的强弱^[24,25]. 由此可见适宜浓度的Fe³⁺可以提高SND过程中污泥系统的活性，但是过高浓度的Fe³⁺却会对其产生抑制作用.

图 3为长期实验中不同浓度Fe³⁺对SND过程氮元素迁移转化的影响. 在进水之后，由于稀释作用，NH₄⁺-N含量急剧降低，同时NO₃^--N和NO^-₂-N浓度由于进水过程中短暂的硝化作用而有些许的升高，然后又迅速降为0，之后反应器中各类含氮污染物的含量趋向于稳定. 在90 min进入好氧阶段后，NH₄⁺-N含量逐渐减少，NO₃^--N和NO^-₂-N含量都有所增加，此时系统开始进行硝化作用^[26]. 同时，由于溶解氧浓度仍然较低，局部厌氧环境也诱导了反硝化作用的进行. 而在210 min之后NO^-₂-N浓度开始下降，这是因为NH₄⁺-N已经渐渐被耗尽，硝化作用逐渐减弱，而NO^-₂-N含量则因为反硝化作用的进行逐渐减少. 最终NH₄⁺-N和NO^-₂-N含量都非常低，说明硝化反应进行的很彻底，而NO₃^--N因为反硝化作用的不完全而有些许的积累^[26].

图 3

Fig. 3

图 3 Fe3+对SND过程中氮元素迁移转化的影响Fig. 3 Effect of Fe3+ on nitrogen immigration and transformation during SND processes

相比于对照组，B反应器总氮的去除率提高了8.3%，主要是由于适量浓度Fe³⁺的存在使得反应器出水中硝氮的含量下降，而且出水中氨氮的去除率也比对照组稍高，相比之下，C反应器由于好氧阶段亚硝氮的积累，导致总氮去除率降低了18.9%. 分析原因主要在于低浓度的Fe³⁺能强化污泥的反硝化速率，污泥的硝化、 反硝化能力均得到了提高^[16]. B反应器加入了适量的Fe³⁺，拥有特殊的污泥结构，为保持较高的污泥活性和生物量创造条件，系统的硝化效能得到较大的提高. 而且铁元素是微生物呼吸代谢过程中的电子链传递的重要影响因素^[16]，Fe³⁺的投加也会增强系统中反硝化菌的活性，因此B反应器好氧段末期硝氮的积累量低于对照组. 然而，由于微生物对Fe³⁺的需求是微量的，由2.2.2节实验可知，适量的Fe³⁺投加会增强脱氢酶活性，而随着Fe³⁺浓度的升高，脱氢酶活性明显又受到了抑制，因此过量的Fe³⁺会导致脱氢酶活性降低，也在一定程度上减少了相应硝化细菌和反硝化细菌的种类和数量^[27]，使得生物体活性下降，最终导致污染物的去除效果降低. 由此可以看出，Fe³⁺对污泥的强化作用是有局限性的，投加高浓度的Fe³⁺不但没有促进效果反而会抑制污泥的处理效果. 所以，添加适量的Fe³⁺对污水生物脱氮而言,可以取得较传统活性污泥更好的硝化和反硝化效果.

由图 4中可以看出，长期Fe³⁺投加对SND过程中N₂ O释放的影响与短期实验的结果相似. 缺氧阶段N₂ O释放量很低，是因为系统采用的前置反硝化工艺，反应器中还残留有上个周期的硝酸盐，而且有机物浓度较高，使得反硝化反应比较彻底，N₂ O被迅速还原为N₂. 进入好氧阶段后，N₂ O释放速率急剧升高，此时系统同时进行硝化和反硝化作用，同时产生大量的N₂ O. 3组反应器的N₂ O释放量分别为(31.21±3.67)mg、 (30.29±3.19)mg、 (45.26±4.26)mg，N₂ O转化率分别为6.85%、 6.65%、 9.93%，高浓度Fe³⁺下N₂ O释放速率与另外两组相比有明显的增加. 这可能是因为较高的Fe³⁺对微生物产生了一定的毒害作用，降低了脱氢酶等酶活性，使得生物活性大大降低，从而导致硝化或反硝化反应的不完全，因此好氧阶段后期有大量NO^-₂的积累，而有研究表明，当NO^-₂浓度出现积累时，会刺激N₂ O的产生^[5,28]. 因此，高浓度的Fe³⁺会诱导大量的N₂ O释放出来.

图 4

Fig. 4

图 4 Fe3+对SND过程中N2 O释放的影响Fig. 4 Effect of Fe3+ on N2 O emission during SND processes

另外，过量的Fe³⁺会导致缺氧阶段磷的快速化学去除，从而微生物合成的胞内碳源PHB含量降低，异养反硝化过程对碳源的竞争更加激烈，也会导致N₂ O的释放大量增加. TP和PHB的含量变化如图 5所示，3个反应器的总磷曲线变化规律有较大差异，而在好氧阶段，PHB作为反硝化作用的主要碳源，也是反硝化作用速率的限制因素.

图 5

Fig. 5

图 5 Fe3+对SND过程中总磷和PHB的影响Fig. 5 Effect of Fe3+ on TP and PHB during SND processes

如图 5中A反应器，在厌氧条件下聚磷菌可以将磷酸盐水解，释放出能量，并将其中一部分能量以PHB的形式储存于菌体内，同时分解后的无机磷酸盐则会被释放到体外，即聚磷菌的厌氧释磷，而好氧条件下聚磷菌将储存的PHB分解,释放出能量用于聚磷菌的好氧吸磷，最终达到除磷的目的^[26]. 而加入Fe³⁺的反应器中该现象却受到明显的抑制，B、 C反应器污泥系统TP的峰值也有不同程度的降低. 一般情况下认为聚磷菌的释磷作用越强则反应器中TP的去除率越高^[26]，但加入Fe³⁺后TP的去除率比对照组提高了5%~30%，这主要是因为加入Fe³⁺后会进行化学除磷，Fe³⁺可以与磷酸根结合生成难溶的磷酸铁，从而提高了总磷去除率^[29]. 还有可能是因为Fe³⁺可以促进聚磷菌的好氧聚磷作用，在好氧阶段会吸附更多的磷酸根，因此反应器系统中总磷含量较低.

从3条PHB变化曲线看出，B、 C反应器中PHB含量相比对照组有所下降，而在低碳氮比的条件下，由于外加碳源不足，导致生物体依靠胞内碳源作为生长基质^[30]，因此PHB的减少就使得反硝化作用中各种反硝化酶相互之间竞争电子供体，使NO还原酶的活性要高于N₂ O还原酶，从而导致了N₂ O的积累.

3 结论

(1)适宜浓度的Fe³⁺可以提高SND过程中COD及氮的去除率，但过高浓度的Fe³⁺对SND过程有抑制效果.

(2)60mg ·L^-1的Fe³⁺会刺激SND过程中N₂ O的释放，主要体现在高浓度的Fe³⁺会导致污泥脱氢酶活性降低，从而降低生物活性，导致亚硝酸盐的积累，造成了N₂ O的积累. 而且高浓度的Fe³⁺会导致PHB的含量降低，从而导致各种酶之间竞争电子供体，加速了N₂ O的积累.

(3)Fe³⁺对于SND过程中总磷的去除有很大影响，因为增加了化学除磷的效果，总磷的去除率提高了5%~30%.