Advances in analysis, quantification and modelling of N2O emission in SBRs under various DO set points

不同 DO 設定點下 SBR 中 N 2 O 排放分析、量化和建模的進展

來源：Journal of Physics: Conference Series 2412 (2022) 012009

 

摘要核心內容

 

摘要指出：本研究聚焦序批式反應器（SBR）中不同溶解氧（DO）設定點和溫度條件下 N?O排放的動態特征與調控機制。通過實驗測試與數學模型開發相結合，研究發現：

DO和溫度顯著影響N?O排放：DO=1.0–1.5 mg/L時N?O排放最高（尤其在20°C），而DO=0.7 mg/L可抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，降低排放。

數學模型驗證：雙路徑模型（NN羥胺路徑和ND亞硝酸鹽還原路徑）成功模擬了DO和亞硝酸鹽（NO??）對N?O生成的交互影響。

工程啟示：優化DO控制（≤0.7 mg/L）是減少污水處理廠溫室氣體排放的關鍵策略。

 

研究目的

 

量化影響：探究DO（0.5–1.5 mg/L）和溫度（10–30°C）對SBR中N?O排放的劑量效應。

機制解析：通過數學模型揭示AOB（氨氧化菌）的兩條N?O生成路徑（NN與ND）的貢獻比例。

優化控制：確定抑制NOB活性、降低N?O排放的DO和溫度最優范圍。

 

研究思路

 

采用實驗測試→數據驅動建模→多因子優化框架：

 

實驗設計：

 

兩套4L SBR反應器，接種Swarzewo污水廠活性污泥。

變量：DO（0.5/0.7/1.0/1.5 mg/L）×溫度（10/16/30°C）。

N?O監測：丹麥Unisense微電極實時檢測液相和氣相N?O濃度（圖2）。

 

 

 

數學模型開發：

 

構建雙路徑模型（NN和ND路徑），基于酶反應動力學（圖1）和化學計量學（表1）。

 

 

 

使用GPS-X和MATLAB模擬N?O生成動力學。

 

多因子優化：

 

響應面分析法（RSM）量化DO與溫度交互效應（圖3–4）。

 

 

 

測量數據及其研究意義

1. 反應器性能數據（實驗尺度）

 

數據來源：

 

N?O濃度：Unisense微電極實時監測（圖2，表2）。

 

 

氮轉化速率：氨利用速率（AUR）、硝酸鹽生成速率（NPR）（表2）。

 

研究意義：

 

DO=1.0–1.5 mg/L時N?O排放最高（0.187 mg/L，30°C），證明高DO促進AOB的ND路徑（亞硝酸鹽還原）（表2）。

DO=0.7 mg/L時NOB活性受抑（NPR最低），驗證其為部分硝化（partial nitritation）的優化點。

 

2. 數學模型輸出（機制尺度）

 

數據來源：

 

雙路徑模型參數（表1，圖1）。

RSM交互效應分析（圖3）。

 

研究意義：

 

ND路徑主導低DO條件（DO<1.0 mg/L時貢獻>70%），NN路徑在高DO時增強（圖1）。

HNO?（游離亞硝酸）濃度升高抑制ND路徑，解釋高NO??時N?O排放非線性增長（模型驗證）。

 

3. 多因子優化數據（工程尺度）

 

數據來源：

 

RSM重要性分析：DO對N?O排放貢獻62%（圖4）。

等值線圖顯示最低N?O區（DO≤0.7 mg/L, T=16°C）（圖3）。

 

研究意義：

 

DO是N?O排放的主控因子（圖4），為實時控制提供優先級。

最優窗口：DO=0.7 mg/L + T=20°C可降耗能25%且減排（圖3）。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術優勢

 

高分辨率動態捕獲：Unisense微電極實現液相與氣相N?O同步監測（μM級精度），首次在實驗中量化瞬態DO波動引發的N?O脈沖式排放（如DO從0.5→1.5 mg/L時N?O瞬時增加400%）。

 

跨膜傳輸量化：通過氣/液雙探頭數據，計算N?O生成/消耗速率（N?O-FR），揭示ND路徑主導期（低DO）的還原動力學特征。

 

科學意義

 

機制關聯性驗證：

 

N?O峰值與NO??積累時段高度重合（表2，r>0.9），證實亞硝酸鹽應激是ND路徑的觸發條件。

低溫（10°C）下DO升高仍致N?O激增（DO=1.5 mg/L時+329%），否定“低溫減排”經驗假設（表2）。

 

模型校準基石：

 

電極提供的分鐘級動態數據校準了ND路徑的氧抑制函數（模型選項3），顯著提升預測精度（R2>0.9）。

 

結論

 

核心發現：

 

DO=1.0–1.5 mg/L是N?O排放熱點，高溫（30°C）進一步放大效應。

DO=0.7 mg/L可抑制NOB活性，實現部分硝化并減排。

雙路徑模型成功量化NN/ND路徑貢獻，ND路徑主導低DO條件。

 

工程推薦：

 

最優控制窗口：DO=0.7 mg/L + T=20°C，兼顧脫氮效率與減排目標。

實時DO調控是污水處理廠減少碳足跡的關鍵抓手。

 

總結：本研究通過Unisense電極的高精度監測與數學模型解析，首次量化DO與溫度對SBR中N?O排放的交互效應，提出DO≤0.7 mg/L的優化控制策略。電極數據驗證了ND路徑的氧敏感性，為污水處理廠溫室氣體精準管控提供理論支撐。