Modeling nitrous oxide production by a denitrifying-enhanced biologically phosphorus removing(EBPR) activated sludge in the presence of different carbon sources and electron acceptors

在不同碳源和電子受體存在下反硝化增強生物除磷（EBPR）活性污泥中一氧化二氮產(chǎn)生的建模

來源：Water Research, Volume 142, 2018, Pages 55-64

《水研究》，第142卷，2018年，第55-64頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究擴展了IWA活性污泥模型No. 2d（ASM2d），以識別在結合氮磷去除的活性污泥系統(tǒng)中導致缺氧一氧化二氮（N2O）產(chǎn)生的最重要機制。新模型采用三階段反硝化概念，并針對從當?shù)卮笮蜕餇I養(yǎng)去除污水處理廠取出的活性污泥進行的一相/兩相批次實驗數(shù)據(jù)進行了評估。實驗重點研究了不同外部碳源（乙酸、乙醇）和電子受體（亞硝酸鹽、硝酸鹽）對聚磷菌（PAOs）增強生物除磷和普通異養(yǎng)菌（OHOs）外部碳基反硝化中N2O產(chǎn)生機制的影響。實驗結果表明，無論碳源和COD/N比如何，N2O產(chǎn)生主要受亞硝酸鹽存在支配。模型能夠準確預測（R2 > 0.9）N2O-N、NO3-N、NO2-N、可溶性COD和PO4-P的行為。模擬結果顯示，只有OHOs負責N2O產(chǎn)生，而存在的反硝化PAOs僅將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一個擴展的數(shù)學模型，以揭示在反硝化增強生物除磷（EBPR）活性污泥系統(tǒng)中，不同碳源和電子受體條件下N2O產(chǎn)生的關鍵機制，特別是評估亞硝酸鹽和碳源類型對N2O積累的影響，并為實際污水處理廠提供N2O減排策略的理論基礎。

 

研究思路

研究思路基于擴展ASM2d模型，引入N2O作為新狀態(tài)變量，將反硝化過程分為三步（硝酸鹽還原為亞硝酸鹽、亞硝酸鹽還原為N2O、N2O還原為氮氣）。通過一相和兩相批次實驗，使用從實際污水處理廠取出的活性污泥，在不同碳源（乙酸、乙醇）和電子受體（硝酸鹽、亞硝酸鹽）條件下測量N2O、NO3-N、NO2-N、COD和PO4-P的動態(tài)變化。實驗數(shù)據(jù)用于校準和驗證模型，通過敏感性分析確定關鍵動力學參數(shù)，并使用Nelder-Mead simplex方法進行參數(shù)估計。模型最終在全規(guī)模污水處理廠數(shù)據(jù)上進行驗證。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)：N2O、NO3-N、NO2-N、COD和PO4-P的濃度變化，來自Fig.3和Fig.4。研究意義：這些數(shù)據(jù)顯示，亞硝酸鹽的存在導致顯著的N2O積累（最高達17.8 mg N/L），而硝酸鹽條件下N2O產(chǎn)生較少，表明亞硝酸鹽是N2O產(chǎn)生的主要驅動因素，與碳源類型無關。這驗證了模型中對亞硝酸鹽抑制N2O還原酶的假設，并為模型校準提供了基礎。

 

 

2 數(shù)據(jù)：FNA（游離亞硝酸）濃度計算值，來自Fig.6。研究意義：FNA濃度與N2O積累相關，但實驗表明亞硝酸鹽濃度本身是更直接的抑制因子，這支持了模型中使用的亞硝酸鹽抑制函數(shù)，并解釋了在不同pH條件下N2O產(chǎn)生的變化。

 

3 數(shù)據(jù)：模型預測與實驗數(shù)據(jù)的擬合度（R2值）。研究意義：高R2值（>0.9）表明模型能準確模擬N2O動態(tài)，證實了OHOs是N2O主要生產(chǎn)者，而PAOs僅參與部分反硝化，這為模型在全規(guī)模應用提供了可靠性。

 

結論

1 N2O產(chǎn)生主要受亞硝酸鹽存在支配，無論碳源類型如何，亞硝酸鹽強烈抑制N2O還原酶，導致N2O積累。

2 擴展的ASM2d模型能準確預測N2O、NO3-N、NO2-N、COD和PO4-P行為，確認只有OHOs負責N2O產(chǎn)生，而PAOs僅將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。

3 模型校準顯示亞硝酸鹽抑制常數(shù)（KNO2,H3）約為14.5 mg N/L，與文獻一致，且參數(shù)估計可靠，盡管部分參數(shù)存在高相關性。

4 研究結果強調(diào)在實際EBPR系統(tǒng)中，控制亞硝酸鹽濃度是減少N2O排放的關鍵，模型可用于優(yōu)化污水處理過程。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于，其N2O微傳感器（如N2O-R型）提供了高精度、實時的溶解N2O濃度監(jiān)測，時間分辨率高，能捕獲N2O動態(tài)變化。在本文中，Unisense電極用于批次實驗中直接測量液體相N2O濃度（如Fig.3和Fig.4），數(shù)據(jù)用于驗證模型預測。意義包括：首先，它允許在秒級間隔內(nèi)監(jiān)測N2O產(chǎn)生和消耗，揭示了亞硝酸鹽添加后N2O的立即積累，這直接支持了亞硝酸鹽抑制機制的假設。其次，高分辨率數(shù)據(jù)使能準確量化N2O產(chǎn)生速率，為模型參數(shù)校準提供了實驗依據(jù)，例如確定N2O還原動力學參數(shù)。最后，這種實時監(jiān)測避免了傳統(tǒng)氣相色譜的延遲，確保了實驗數(shù)據(jù)的可靠性，從而增強了模型在全規(guī)模應用中的可信度。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)是連接實驗觀察和數(shù)學模型的關鍵，為理解N2O產(chǎn)生機制和開發(fā)減排策略提供了堅實工具。