Effect of anoxic to aerobic duration ratios on nitrogen removal and nitrous oxide emission in the multiple anoxic/aerobic process  

缺氧與好氧持續(xù)時(shí)間比率對(duì)多重缺氧/好氧過(guò)程中氮去除和氧化亞氮排放的影響  

來(lái)源：Environmental Technology, Volume 40, Issue 13, 2019, Pages 1676-1685

《環(huán)境技術(shù)》，第40卷，第13期，2019年，頁(yè)碼1676-1685

 

摘要  

摘要指出，研究調(diào)查了在多重缺氧/好氧過(guò)程中，缺氧與好氧持續(xù)時(shí)間比率對(duì)氮去除和氧化亞氮（N2O）排放的影響。使用三個(gè)序批式反應(yīng)器（SBRs），具有不同的缺氧持續(xù)時(shí)間（50分鐘，SBRH；40分鐘，SBRM；30分鐘，SBRL）和固定的好氧持續(xù)時(shí)間30分鐘。最高總無(wú)機(jī)氮去除率85.8%在SBRH中獲得，最低N2O排放因子1.9%在SBRL中獲得。通過(guò)硝化、反硝化和同時(shí)硝化反硝化批次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)N2O排放受缺氧時(shí)間、亞硝酸鹽積累和電子競(jìng)爭(zhēng)影響。微生物群落分析顯示變形菌門(mén)（Proteobacteria）和擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）為優(yōu)勢(shì)門(mén)，硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospira）豐度在SBRH中最高。

 

研究目的  

研究目的是評(píng)估缺氧與好氧持續(xù)時(shí)間比率對(duì)多重缺氧/好氧過(guò)程中氮去除效率和N2O排放的影響，并揭示N2O排放機(jī)制，以優(yōu)化過(guò)程操作和減少溫室氣體排放。

 

研究思路  

研究思路是建立三個(gè)并行SBR反應(yīng)器，設(shè)置不同缺氧時(shí)間（50min、40min、30min）和固定好氧時(shí)間（30min），在25°C下運(yùn)行。使用合成廢水，監(jiān)測(cè)氮去除和N2O排放。通過(guò)模擬SBR循環(huán)實(shí)驗(yàn)和批次實(shí)驗(yàn)（硝化、反硝化、同時(shí)硝化反硝化），測(cè)量參數(shù)動(dòng)態(tài)。使用丹麥Unisense N2O微電極在線監(jiān)測(cè)溶解N2O濃度。分析微生物群落結(jié)構(gòu)通過(guò)16S rDNA測(cè)序。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，評(píng)估不同比率下的性能和排放特征。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 來(lái)自圖1的模擬SBR循環(huán)數(shù)據(jù)：顯示NH4-N、NO2-N、NO3-N濃度和溶解N2O濃度動(dòng)態(tài)。研究意義是揭示不同AO比率下氮轉(zhuǎn)化和N2O排放的時(shí)間模式，表明缺氧時(shí)間延長(zhǎng)促進(jìn)氮去除但可能增加N2O積累。  

 

2 來(lái)自表1的系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)：顯示effluent NO3-N濃度（SBRH 5.73 mg/L, SBRL 11.04 mg/L）和TIN去除百分比（SBRH 85.8%, SBRL 73.1%）。研究意義是量化不同AO比率下的處理效率，確認(rèn)較長(zhǎng)缺氧時(shí)間提高氮去除。  

 

3 來(lái)自批次硝化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）：顯示N2O排放因子（無(wú)亞硝酸鹽添加時(shí)0.2%，有添加時(shí)SBRH 1.9%、SBRL 2.1%）。研究意義是表明亞硝酸鹽添加增加N2O排放，硝化過(guò)程中N2O產(chǎn)生受底物影響。  

 

4 來(lái)自批次反硝化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）：顯示N2O排放因子（SBRH 20.7% with N2 purging）。研究意義是證明反硝化過(guò)程中，尤其是內(nèi)源碳利用時(shí)，N2O排放較高，且N2吹掃促進(jìn)排放。  

 

5 來(lái)自批次同時(shí)硝化反硝化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表4）：顯示N2O排放因子（無(wú)亞硝酸鹽添加時(shí)SBRH 16.1%、SBRL 8.8%，有添加時(shí)SBRH 31.3%、SBRL 36.3%）。研究意義是表明同時(shí)硝化反硝化是N2O主要排放源，亞硝酸鹽存在顯著增加排放。  

 

6 來(lái)自圖2的微生物群落數(shù)據(jù)：顯示門(mén)水平Proteobacteria（SBRH 33.7%, SBRL 38.9%）和Bacteroidetes（SBRH 39.6%, SBRL 41.0%）豐度，屬水平Nitrospira豐度（SBRH 3.4%, SBRL 1.1%）。研究意義是 linking微生物組成與AO比率，較長(zhǎng)缺氧時(shí)間富集Nitrospira，可能影響氮轉(zhuǎn)化。

 

結(jié)論  

1 較長(zhǎng)缺氧時(shí)間（50min/30min）提高總無(wú)機(jī)氮去除率至85.8%，但可能增加N2O排放風(fēng)險(xiǎn)。  

2 N2O排放受缺氧時(shí)間、亞硝酸鹽積累和碳源類型影響，反硝化過(guò)程中內(nèi)源碳利用導(dǎo)致較高排放（達(dá)20.7%）。  

3 同時(shí)硝化反硝化是N2O主要排放途徑，亞硝酸鹽添加顯著增加排放因子至31.3-36.3%。  

4 微生物群落分析顯示Proteobacteria和Bacteroidetes為優(yōu)勢(shì)門(mén)，Nitrospira豐度在較長(zhǎng)缺氧時(shí)間反應(yīng)器中較高，可能與低DO環(huán)境適應(yīng)相關(guān)。  

5 優(yōu)化AO比率和控制亞硝酸鹽積累可減少N2O排放，同時(shí)維持高氮去除效率。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，能夠準(zhǔn)確量化溶解N2O濃度動(dòng)態(tài)，響應(yīng)時(shí)間僅10秒。在研究中，電極數(shù)據(jù)（來(lái)自圖1和批次實(shí)驗(yàn)）直接捕獲了N2O的產(chǎn)生和消耗速率，例如在模擬SBR循環(huán)中顯示N2O濃度峰值在好氧階段增加，在缺氧階段減少。這幫助識(shí)別N2O排放的關(guān)鍵階段和條件，如好氧階段亞硝酸鹽積累觸發(fā)N2O產(chǎn)生，缺氧階段內(nèi)源反硝化導(dǎo)致N2O積累。電極數(shù)據(jù)還驗(yàn)證了N2吹掃對(duì)N2O排放的促進(jìn)作用，提供機(jī)制見(jiàn)解。研究意義是為N2O排放機(jī)制提供實(shí)證支持，指導(dǎo)過(guò)程控制策略（如調(diào)整缺氧時(shí)間或曝氣）以減少排放，并增強(qiáng)對(duì)微生物代謝途徑的理解。