随着全球气候变化问题加剧，污水生物处理过程中产生的强温室气体氧化亚氮（N₂O）逐渐成为环保领域的研究热点。作为《京都议定书》规定的六种温室气体之一，N₂O的全球增温潜势是二氧化碳的298倍。如何在保证污水处理效率的同时减少N₂O排放，成为行业亟待解决的关键问题。
一、N₂O的形成机制与来源
污水生物处理中的N₂O主要来源于硝化和反硝化两个过程。硝化阶段，氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）在将氨氮（NH₄⁺）氧化为亚硝酸盐（NO₂⁻）和硝酸盐（NO₃⁻）的过程中，因羟胺（NH₂OH）不完全氧化而释放N₂O。值得注意的是，AOB虽具备反硝化能力，但缺乏氧化亚氮还原酶（NOS），导致其反硝化产物仅为N₂O，加剧了排放。
反硝化阶段是N₂O的主要汇，但同时也是重要来源。反硝化细菌通过硝酸盐还原酶（NAR）、亚硝酸盐还原酶（NIR）、一氧化氮还原酶（Nor）和NOS逐步将NO₃⁻还原为N₂。当电子分配失衡或NOS活性不足时（如红球菌属等缺乏NOS的菌种），N₂O易积累并释放。此外，厌氧氨氧化菌（Anammox）和完全氨氧化菌（Comammox）虽以高效脱氮著称，但其N₂O释放机制尚未完全明确，需进一步研究。
二、影响N₂O排放的关键因素
微生物群落结构是决定N₂O产量的核心因素。研究表明，具有完整反硝化酶系统的细菌（如自养反硝化菌）占比越高，N₂O释放量越低。环境条件同样显著影响N₂O生成：
碳源类型：乙酸等易代谢碳源会促进N₂O产生，而甲醇等则有助于降低排放。
碳氮比（C/N）：低碳氮比导致反硝化碳源不足，N₂O积累风险增加。
溶解氧（DO）：低DO促进NH₂OH不完全氧化，高DO则抑制NOS活性，二者均可能推高N₂O浓度。
温度与pH：高温加速N₂O释放，而中性至弱碱性环境（pH 7.5-8.0）更利于NOS发挥作用。
三、N₂O减量工艺优化策略
当前减量技术主要从工艺调控和微生物强化两方面入手：
工艺参数优化
强化反硝化：延长缺氧段停留时间，提高NOS活性，促进N₂O还原为N₂。
溶解氧精准控制：维持DO在1.6-2.0mg/L范围，平衡硝化与反硝化需求，减少N₂O泄漏。
C/N比调节：补充外源碳源（如甲醇），确保反硝化充分进行。
微生物群落调控
富集高效菌种：通过生物炭或石墨烯载体提升NOS活性，增强N₂O消耗能力。
抑制非目标菌群：优化运行参数减少AOB等N₂O高产菌的优势地位。
创新技术应用
膜生物反应器（MBR）：通过截留大分子有机物，减少毒性物质对反硝化菌的抑制。
电化学耦合系统：利用电极调控微生物电子传递路径，定向促进N₂O还原。
四、未来发展方向
尽管现有技术已取得一定成效，但N₂O减量化仍面临挑战。未来需进一步解析微生物代谢网络，开发低成本、高选择性的NOS强化技术，并探索N₂O资源化利用途径（如转化为工业原料）。此外，建立全流程监测体系，将N₂O排放纳入污水处理绩效评估，将是推动行业低碳转型的关键。
综上，污水生物处理中的N₂O减排需多措并举，通过工艺创新与微生物调控协同发力，在保障水质达标的同时助力“双碳”目标实现。
