Nitrous Oxide Production in a Granule-based Partial Nitritation Reactor: A Model-based Evaluation

基于顆粒的部分亞硝化反應器中氧化亞氮的產生：模型評估

來源：Scientific Reports, Volume 7, Article number: 45609, 2017

《科學報告》第7卷，文章編號45609，2017年

 

摘要

摘要闡述了研究利用已建立的雙途徑N2O模型（包含氨氧化細菌AOB的反硝化途徑和羥胺氧化途徑）來評估顆粒基部分亞硝化反應器中N2O的產生。模型通過比較模擬結果與實驗數據（如N2O監測曲線和同位素測量）進行驗證，揭示了顆粒內部N2O產生途徑的轉變。模擬表明，氧氣濃度和顆粒大小的增加會顯著增強N2O產生，且N2O產生與氨氧化速率線性相關。

 

研究目的

研究目的是通過數學模型評估顆粒基部分亞硝化反應器中N2O的產生機制，識別關鍵影響因素（如溶解氧和顆粒大小），并驗證雙途徑模型在預測N2O動態和途徑貢獻方面的適用性，以優化反應器操作減少溫室氣體排放。

 

研究思路

研究思路是應用已有的雙途徑N2O模型（AOB反硝化和羥胺氧化）到實驗室規模的顆粒基部分亞硝化序批式反應器，通過校準模型參數與實驗數據（如氮化合物濃度、N2O排放和同位素分析）進行驗證。隨后進行模擬分析，探討不同溶解氧濃度和顆粒大小對N2O產生的影響，并分析顆粒內部的底物分布和途徑貢獻。

 

測量的數據及研究意義

1 氮化合物濃度（NH4+、NO2-）和溶解氧動態：數據來自圖1A。研究意義是驗證模型對反應器基本性能的預測能力，確保模型能準確描述硝化過程，為N2O產生機制分析提供基礎。

 

2 溶解N2O和排放N2O濃度：數據來自圖1B和1C。研究意義是量化N2O產生動態，驗證模型對氣體排放的預測準確性，幫助識別高峰排放期，為控制策略提供依據。

3 N2O產生途徑貢獻（通過同位素分析）：數據來自圖1D。研究意義是直接區分AOB反硝化和羥胺氧化途徑的貢獻，揭示操作條件（如溶解氧）對途徑選擇的影響，深化對N2O產生機制的理解。

4 顆粒內部底物分布（如NH2OH、電子載體、氧氣）和N2O產生速率：數據來自圖2。研究意義是模擬顆粒內部的微環境，顯示底物擴散如何影響N2O空間分布，證明途徑貢獻隨顆粒深度變化，突出擴散限制的作用。

 

5 不同溶解氧和顆粒大小下的N2O產生和氨氧化速率：數據來自圖3和圖4。研究意義是評估關鍵操作參數對N2O產生的全局影響，建立N2O與氨氧化速率的線性關系，為實際反應器優化提供理論支持。

 

 

 

結論

1 雙途徑N2O模型能準確預測顆粒基部分亞硝化反應器的N2O動態和途徑貢獻，驗證了模型在復雜系統中的適用性。

2 顆粒內部N2O產生受底物擴散控制，AOB反硝化途徑在缺氧內核占主導，而羥胺氧化途徑在好氧表層貢獻顯著。

3 N2O產生與氨氧化速率呈線性正相關，且受溶解氧和顆粒大小間接影響，這為減少N2O排放的操作優化提供了關鍵見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量溶解N2O數據的研究意義在于其高精度和實時性，能直接捕捉反應器運行中的N2O動態變化。在實驗中，電極用于監測液相N2O濃度（如圖1B），提供了連續的時間序列數據，這些數據與模型預測對比，驗證了N2O產生途徑的準確性。例如，數據揭示了N2O峰值出現在特定操作階段，幫助識別了AOB反硝化和羥胺氧化途徑的貢獻變化。實際意義在于，這些測量使研究人員能量化環境因素（如溶解氧）對N2O排放的即時影響，為模型校準提供了可靠實驗證據，從而優化反應器條件以最小化溫室氣體產生。同時，電極數據與同位素分析結合，增強了途徑貢獻分析的可靠性，推動了N2O控制策略的開發。