Enhanced nitrogen removal and minimization of N2O emission in a constant-flow multiple anoxic and aerobic process

恒定流量多級(jí)缺氧好氧工藝中強(qiáng)化脫氮及N2O排放的最小化

來(lái)源：Journal of Water Process Engineering, Volume 26, 2018, Pages 336-341

《水處理工程雜志》，第26卷，2018年，第336-341頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了本研究評(píng)估了恒定流量多級(jí)缺氧好氧（AO）工藝中的氮去除和一氧化二氮（N2O）排放。研究了溶解氧（DO）、碳源和投加模式對(duì)N2O排放的影響。氨氮和總氮的去除率分別為99.8%和74.1%。有限的DO、有機(jī)碳的存在和高亞硝酸鹽濃度增強(qiáng)了硝化過(guò)程中的N2O排放。亞硝酸鹽的內(nèi)源反硝化顯示出高N2O排放潛力，尤其是一次性投加亞硝酸鹽時(shí)。編碼N2O還原酶的nosZ基因廣泛分布于變形菌門（39.6%）、β-變形菌綱（31.6%）和羅爾斯通氏菌屬（20.0%）。研究表明，硝化過(guò)程中高DO濃度和不存在有機(jī)碳、反硝化過(guò)程中避免內(nèi)源亞硝酸鹽反硝化以及恒定投加操作模式都有利于最小化N2O排放。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估恒定流量多級(jí)AO工藝中的氮去除性能和N2O排放特征，探究不同操作條件（DO濃度、碳源類型、投加模式）對(duì)N2O產(chǎn)生的影響，分析微生物群落結(jié)構(gòu)和nosZ基因分布，并提出最小化N2O排放的策略。

 

研究思路

研究思路基于運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的恒定流量多級(jí)AO反應(yīng)器（厭氧/好氧I/缺氧I/好氧II/缺氧II/好氧III/沉淀池組合工藝），在低DO條件下處理合成廢水。通過(guò)批次實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同DO濃度、有機(jī)碳存在與否、亞硝酸鹽濃度以及投加模式（一次性投加與連續(xù)投加）對(duì)硝化和反硝化過(guò)程中N2O排放的影響。使用Unisense N2O微電極在線監(jiān)測(cè)溶解N2O濃度，通過(guò)氣相色譜分析氣相N2O。采用16S rRNA測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)，并通過(guò)nosZ基因擴(kuò)增測(cè)序研究N2O還原酶的分布特征。最后綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出N2O減排策略。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)：不同條件下硝化過(guò)程中的氮?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)和N2O排放因子，來(lái)自Table 2。研究意義：數(shù)據(jù)顯示低DO（0.4 mg/L）下的N2O排放因子（1.1%）比高DO（7.0 mg/L）條件下（0.6%）高82%，證實(shí)低DO增強(qiáng)N2O排放；添加有機(jī)碳使N2O排放因子從約0.9%增至18.8-23.2%，表明異養(yǎng)反硝化活動(dòng)顯著促進(jìn)N2O產(chǎn)生；亞硝酸鹽濃度從0增至20 mg/L時(shí)，N2O排放因子線性增加（R2=0.98），證明亞硝酸鹽是N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

 

2 數(shù)據(jù)：反硝化過(guò)程中的氮去除速率和N2O排放因子，來(lái)自Table 3。研究意義：數(shù)據(jù)顯示外源碳（乙酸鈉）反硝化速率（6.42 mg N/g VSS·h）高于內(nèi)源碳（PHB）反硝化（3.88 mg N/g VSS·h）；亞硝酸鹽反硝化的N2O排放因子（3.7-4.7%）高于硝酸鹽反硝化（2.2-1.7%）；一次性投加模式的N2O積累高于連續(xù)投加模式，表明投加方式影響N2O還原酶抑制程度。

 

3 數(shù)據(jù)：微生物群落和nosZ基因分布，來(lái)自Fig. 2和Fig. 3。研究意義：微生物群落以變形菌門（33.5%）、擬桿菌門（29.1%）和浮霉菌門（13.8%）為主；nosZ基因主要分布于變形菌門（39.6%）、β-變形菌綱（31.6%）和羅爾斯通氏菌屬（20.0%），這揭示了具有N2O還原能力菌株的系統(tǒng)發(fā)育位置，為調(diào)控微生物群落以減少N2O排放提供靶點(diǎn)。

 

 

 

結(jié)論

1 恒定流量多級(jí)AO工藝可實(shí)現(xiàn)高效脫氮（氨氮去除率99.8%，總氮去除率74.1%），但N2O排放受多種因素影響。

2 硝化過(guò)程中，低DO、有機(jī)碳存在和高亞硝酸鹽濃度顯著增強(qiáng)N2O排放，主要源于硝化菌反硝化和異養(yǎng)反硝化作用。

3 反硝化過(guò)程中，亞硝酸鹽作為電子受體、內(nèi)源碳利用以及一次性投加模式會(huì)導(dǎo)致更高的N2O排放，因亞硝酸鹽抑制N2O還原酶。

4 微生物分析顯示nosZ基因廣泛分布于特定菌群（如β-變形菌），但排放因子表明在實(shí)際過(guò)程中N2O還原仍受環(huán)境條件抑制。

5 建議采用高DO硝化、避免硝化期有機(jī)碳、防止內(nèi)源亞硝酸鹽反硝化及連續(xù)投加模式以最小化N2O排放。

 

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N2O微傳感器（如N2O-R型）提供了對(duì)溶解態(tài)N2O的高精度、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)能力，時(shí)間分辨率高，能捕捉N2O動(dòng)態(tài)變化細(xì)節(jié)。在本研究中，該電極用于批次實(shí)驗(yàn)中連續(xù)監(jiān)測(cè)液體相N2O濃度，數(shù)據(jù)直接用于計(jì)算N2O產(chǎn)生速率和排放因子。意義包括：首先，它允許在秒級(jí)間隔內(nèi)追蹤N2O積累和消耗過(guò)程，準(zhǔn)確揭示了亞硝酸鹽添加后N2O的立即升高，直接證明了亞硝酸鹽對(duì)N2O還原酶的抑制效應(yīng)。其次，高分辨率數(shù)據(jù)使能量化不同條件下的N2O排放因子（如Table 2和Table 3），為比較不同場(chǎng)景下的排放潛力提供了可靠量化基礎(chǔ)。最后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避免了傳統(tǒng)離線方法（如氣相色譜）的延遲和采樣誤差，確保了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，從而支持了模型驗(yàn)證和機(jī)制解析。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)是連接操作條件與N2O排放響應(yīng)的關(guān)鍵工具，為理解N2O產(chǎn)生機(jī)制和開(kāi)發(fā)減排策略提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。