Characteristics of N2O Emission in Distilled Water and Activated Sludge Mixture  

蒸餾水與活性污泥混合物中N2O排放特性  

來源：Water, Air, & Soil Pollution, Volume 230, Article number 31, 2019

《水、空氣與土壤污染》，第230卷，文章編號31，2019年

 

摘要  

本研究通過批次實驗測定了N2O在蒸餾水和活性污泥混合物中的總體積傳質系數（KLa），發現兩種介質中N2O排放過程存在顯著差異。蒸餾水中N2O的KLa值（約0.01 min?1）在不同初始濃度下保持穩定，而活性污泥混合物中KLa值（0.008–0.014 min?1）隨初始N2O濃度增加而升高，這是由于污泥中微生物的內源反硝化作用消耗N2O所致。研究表明，活性污泥中的生化反應干擾了N2O傳質過程，因此建議在計算生物脫氮過程中N2O排放速率時使用蒸餾水而非活性污泥混合物測定KLa值。

 

研究目的  

本研究旨在探究蒸餾水和活性污泥混合物中N2O的排放特性，通過測定兩種介質中的總體積傳質系數（KLa），分析N2O從液相向氣相釋放的機制差異，并評估微生物生化反應對N2O傳質過程的影響，為準確計算污水處理過程中N2O排放速率提供方法學依據。

 

研究思路  

研究采用六聯攪拌器裝置，在非密封燒杯中對蒸餾水和活性污泥混合物（MLSS≈3540 mg/L）進行實驗。通過注入不同體積的壓縮N2O氣體形成梯度初始濃度（蒸餾水組：0.92–21.61 mg N/L；污泥組：3.21–21.98 mg N/L），在恒定攪拌速度（110 r/min）和室溫（16.2–18.2°C）條件下，使用丹麥Unisense微電極在線監測溶解N2O濃度衰減曲線，擬合指數方程計算KLa值，并對比兩種介質的排放持續時間、傳質系數變化及微生物反應的影響。

 

測量的數據及研究意義  

1 初始N2O濃度與傳質系數（KLa）關系數據，來自Fig.2（蒸餾水）和Fig.4（活性污泥）。研究意義：蒸餾水KLa穩定（0.01±0.0008 min?1），表明N2O排放僅受物理傳質控制；活性污泥KLa隨濃度增加（0.008→0.014 min?1），揭示微生物內源反硝化消耗N2O，導致表觀傳質系數升高，說明生化反應干擾測量準確性。  

 

 

2 N2O排放持續時間數據，來自Fig.3（蒸餾水）和Fig.5（活性污泥）。研究意義：蒸餾水中排放時間隨初始濃度拋物線增長（220–525 min），符合物理傳質規律；活性污泥中呈線性縮短，證實微生物反應加速N2O消耗，需區分物理與生化貢獻。  

 

 

3 排放速率對比數據，來自Fig.7。研究意義：活性污泥N2O排放速率低于蒸餾水，差值區域"S"（約0.53 mg N/L·min）量化了內源反硝化速率，為建模提供關鍵參數。  

 

4 微生物活性影響數據。研究意義：低N2O濃度（<15 mg N/L）時微生物反應弱，高濃度時細胞內聚合物驅動反硝化，強調操作條件對N2O歸趨的影響。

 

結論  

1 蒸餾水中N2O傳質系數穩定，排放速率僅取決于實時溶解濃度，適用于物理傳質過程模擬。  

2 活性污泥中N2O傳質系數受初始濃度和微生物活動雙重影響，內源反硝化消耗N2O導致表觀KLa升高，無法真實反映傳質過程。  

3 建議采用蒸餾水測定KLa值計算N2O排放速率，避免活性污泥中生化反應干擾，提高生物脫氮過程N2O排放評估的準確性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究使用丹麥Unisense微電極（測量范圍0.1–500 μM，誤差<2%）在線監測溶解N2O濃度，每秒采集數據，實現高分辨率實時監測。研究意義在于：該電極精準捕捉N2O濃度衰減曲線（R2≥0.95），為擬合指數方程（C_{N2O}=C_0 e^{-KLa t}）提供可靠數據源，從而準確計算KLa值。在活性污泥體系中，電極數據揭示N2O濃度非對稱下降（前200分鐘快速衰減，后180分鐘緩慢衰減），間接證實細胞內聚合物消耗動態（Fig.4），為區分物理傳質與生化反應提供關鍵證據。Unisense電極的高靈敏度確保了低濃度N2O（如0.1 mg N/L）的檢測可靠性，避免了傳統氣相色譜法在非密封系統中的誤差，為N2O排放機制研究提供了技術保障。