Assessment of Nitrous Oxide and Carbon Dioxide Emissions and the Carbon Footprint in an Aerobic Granular Sludge Reactor Treating Domestic Wastewater

好氧顆粒污泥反應(yīng)器處理生活污水的氧化亞氮和二氧化碳排放及碳足跡評(píng)估

來(lái)源：ENVIRONMENTAL ENGINEERING SCIENCE Volume 39, Number 6, 2022

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過(guò)中試規(guī)模序批式反應(yīng)器（SBR-AGS） 處理真實(shí)生活污水，量化了 N?O與CO?排放特征：

 

處理效能：AGS濃度1.7±0.40 gVSS/L，沉降性?xún)?yōu)異（SVI??<50 mL/g），BOD?去除率84%，NH??-N去除率65%（表1）。

 

 

N?O排放：22.9%的脫氮氮轉(zhuǎn)化為N?O，排放因子（EF_N?O）達(dá)5.67%±1.68%（表2），其中氣相貢獻(xiàn)97.1%（流量基準(zhǔn)排放因子FBEF_N?O=3.65×10?3 g N?O-N/L），液相釋放僅占2.9%（FBRF_N?O=0.11×10?3 g N?O-N/L）（表3）。

 

 

 

碳足跡：盡管CO?排放量更高（FBEF_CO?=0.297 g/L），但N?O的全球變暖潛勢(shì)（GWP）是CO?的265倍，導(dǎo)致其全球變暖貢獻(xiàn)（GWI）占比83.6%，遠(yuǎn)超CO?的16.4%（圖4）。

 

 

研究目的

 

填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白：量化真實(shí)污水條件下AGS工藝的N?O與CO?排放，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究多基于合成污水的局限。

 

解析排放機(jī)制：揭示脫氮路徑（硝化/反硝化）與N?O生成的關(guān)聯(lián)，識(shí)別關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

 

評(píng)估碳足跡：計(jì)算N?O與CO?對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)權(quán)重，為低碳污水處理提供依據(jù)。

 

研究思路

 

采用中試反應(yīng)器+多參數(shù)同步監(jiān)測(cè)框架：

 

系統(tǒng)構(gòu)建：

 

107L SBR-AGS反應(yīng)器處理真實(shí)生活污水（COD=355±47 mg/L，NH??-N=36±7 mg/L），運(yùn)行周期6小時(shí)（進(jìn)水1h→缺氧0.5h→好氧3.9h→沉降0.5h→排水4min）。

 

監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)：

 

常規(guī)參數(shù)：DO、pH、氮形態(tài)（NH??、NO??、NO??）動(dòng)態(tài)（圖2）。

 

 

氣體排放：Guardian SP氣體分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣相N?O/CO?（分辨率15秒）。

溶解態(tài)N?O：Unisense電極原位測(cè)量液相N?O（檢測(cè)限0.005 mg N?O-N/L）。

 

數(shù)據(jù)分析：

 

計(jì)算排放因子（EF）、流量基準(zhǔn)排放因子（FBEF）及全球變暖貢獻(xiàn)率（GWI）。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 污泥特性與處理效能（工藝尺度）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：

 

顆粒結(jié)構(gòu)：56%顆粒>212μm（圖1），鏡檢顯示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（圖1插圖）。

 

脫氮性能：好氧段DO>8 mg/L時(shí)NO??積累至26 mg/L，TN去除率僅29%（圖2B）。

 

研究意義：

 

證實(shí)低有機(jī)負(fù)荷（0.70±0.09 kg COD/m3·d）下可形成AGS，但小粒徑顆粒（<200μm）限制同步硝化反硝化能力。

 

2. 溫室氣體排放動(dòng)態(tài)（過(guò)程尺度）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：

 

N?O釋放：缺氧期溶解N?O積累至9.0 mg N?O-N/L（Unisense數(shù)據(jù)），曝氣初期氣相N?O瞬時(shí)釋放峰值0.82 mg/s（圖3B）。

 

CO?排放：好氧段持續(xù)釋放，峰值12.6 mg CO?/s（圖3A）。

 

研究意義：

 

揭示“缺氧期溶解積累→曝氣期氣提釋放”的N?O遷移路徑（圖3B），解釋97.1% N?O經(jīng)氣相排放的主因。

 

3. 碳足跡貢獻(xiàn)（環(huán)境尺度）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：

 

GWI分配：N?O貢獻(xiàn)83.6% GWI，CO?僅16.4%（圖4）。

排放因子：EF_N?O=5.67%顯著高于IPCC默認(rèn)值1.6%（表2）。

 

研究意義：

量化AGS工藝的隱性氣候風(fēng)險(xiǎn)，指明N?O減排為碳足跡管控核心。

 

結(jié)論

工藝可行性：AGS可有效處理低濃度生活污水，但脫氮效率受限（NO??積累）。

排放主控因子：

高DO（>8 mg/L）抑制反硝化，導(dǎo)致NO??積累與N?O生成。

缺氧期溶解N?O積累是氣相排放的“儲(chǔ)存庫(kù)”。

碳足跡主導(dǎo)：N?O貢獻(xiàn)超80% GWI，是工藝優(yōu)化的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專(zhuān)項(xiàng)解讀

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

高分辨監(jiān)測(cè)：

溶解態(tài)N?O分鐘級(jí)動(dòng)態(tài)捕捉（圖3B），揭示傳統(tǒng)氣相監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

檢測(cè)限0.005 mg/L，精準(zhǔn)量化液相N?O積累（峰值9.0 mg N?O-N/L）。

 

機(jī)制解析能力：

明確缺氧期N?O積累與曝氣釋放的時(shí)空關(guān)聯(lián)（圖3B→C），驗(yàn)證“溶解-氣提”遷移模型。

 

科學(xué)價(jià)值

 

排放路徑量化：

溶解態(tài)N?O僅占總量2.9%，但決定后續(xù)氣相釋放強(qiáng)度（圖3C）。

支撐“FBEF_N?O與FBRF_N?O”雙因子排放模型（表3）。

 

工藝優(yōu)化指導(dǎo)：

溶解N?O峰值位置指示缺氧段反硝化不完全，建議優(yōu)化碳源投加或缺氧時(shí)長(zhǎng)。

 

應(yīng)用意義

 

實(shí)時(shí)預(yù)警：Unisense電極可集成至AGS智能控制系統(tǒng)，通過(guò)溶解N?O閾值預(yù)警排放風(fēng)險(xiǎn)。

減排評(píng)估：液相監(jiān)測(cè)為曝氣策略?xún)?yōu)化（如間歇曝氣）提供直接反饋參數(shù)。

 

總結(jié)：本研究通過(guò)Unisense電極的高精度溶解氣體監(jiān)測(cè)，揭示AGS工藝中N?O的“缺氧積累-曝氣釋放”遷移規(guī)律，其液相數(shù)據(jù)為解析排放機(jī)制提供了不可替代的視角。結(jié)合氣相監(jiān)測(cè)，首次量化了溶解態(tài)N?O對(duì)整體排放的貢獻(xiàn)（2.9%），確立了以N?O控制為核心的AGS碳減排路徑。