温室气体(如CO2、CH4、N2O等)排放量的增加是导致全球变暖的重要原因,其中,N2O是一种重要的温室气体。N2O温室效应约为CO2的265倍,且在大气中稳定存在114年。污水生化处理工艺中的生物脱氮过程是N2O的一个重要来源,其N2O年释放量约占全球N2O总释放量的2.5-25%。因此,城市污水处理生物脱氮过程中N2O排放规律和生成机制的研究对N20释放量的削减具有重大的理论和实践意义。以吉林地区2家污水处理厂为研究对象,进行了 N2O时空释放规律的实地考察,分析了 N20释放量与工艺类型、运行状况、水质参数、环境因子和微生物群落结构的关系。在此基础上,结合污水处理厂监测数据,识别与N2O释放密切相关的因子,在实验室可控条件下,重点研究了实验室模拟A/O工艺在不同DO浓度(O池曝气强度分别为0.5、1、1.5和3.5 L/min)和pH(进水pH值分别为5、6、8和9)条件下的运行效果及N20逸散情况,并对不同运行条件下的微生物群落结构及功能进行了解析,从而为N20的削减提供理论及实践依据。对A20和氧化沟工艺N2O释放量的实地监测结果表明,A20工艺总体释放量较高,并且在四个季节的沉砂池和好氧池均检测到了 N20的释放(平均为0.75±0.23 mg/h和0.21±0.05 mg/h),而氧化沟工艺仅在秋季好氧池和春季的进水中检测到N2O的释放(分别为0.21±0.08 mg/h和0.2±0.06)。通过对不同季节污水处理厂微生物群落结构和各影响因素以及N20释放量的RDA分析可知,DO和pH是影响N20释放的重要因子,且在本研究的污水处理厂检测范围内(DO为0-5.6 mg/L、pH为6.30-7.07 mg/L)呈负相关。DO浓度的急剧变化会立即导致N2O释放速率的增加,N2O的平均释放量在好氧池内DO平均浓度为0.58、1.67、3.2和6.12mg/L时分别稳定在进水总氮比例的0.011%、0.046%、0.308%和0.229%。DO浓度为1.67 mg/L时,微生物多样性较高(shannon指数为5.30),且反硝化菌和亚硝态氮氧化菌(NOB)的相对丰度较高,而检测到的氨氧化菌(AOB)最少,因而使得该条件下N2O的释放量较少,且常规污染物去除效果较好(氨氮去除率为88.1%,TN去除率为63.19%)。网络图分析结果显示,大多数潜在的反硝化菌与N2O排放呈负相关,而与AOB则呈正相关,表明通过控制适宜的DO浓度可以实现反硝化菌、AOB和NOB的调节和控制,从而成为减少N20排放的可行策略。因此,综合考虑N20的排放及水质指标,最佳的DO浓度为1.67mg/L。在连续5d进水pH值为5、6、8和9时,N2O平均排放量分别占进水总氮的0.329%、0.103%、0.085%和0.793%。好氧池是N20的主要排放源,在进水pH为5时,羟胺脱氢酶(HAO)和氨单加氧酶(AMO)被抑制程度的不同以及NH2OH和HNO2之间的化学反应是N20生成的主要原因,而进水pH为9时,NH2OH的不完全氧化是N2O产生的主要原因。控制进水pH值范围为7-8有助于生物脱氮和N20排放量的削减。微生物群落结构的分析表明,N2O的排放与硝化菌和反硝化菌之间没有显著的相关性,这说明pH对N2O生成的影响更可能与其对细菌酶的活性和含氮化合物形态的影响有关,而与细菌群落结构本身的变化相关性不大。因此,在生物脱氮过程中,调节和控制pH在一定范围内可减少N2O的释放。