A review on nitrous oxide (N2O) emissions during biological nutrient removal from municipal wastewater and sludge reject water

市政污水和污泥回流水中生物營養物去除過程中一氧化二氮排放的綜述

來源：Science of the Total Environment, Volume 596-597, 2017, Pages 106-123

《總體環境科學》，第596-597卷，2017年，106-123頁

 

摘要

摘要闡述了氧化亞氮（N2O）是污水處理過程中生物營養物去除（BNR）排放的重要污染物，其溫室效應是二氧化碳的265倍，即使少量排放也會導致顯著的碳足跡。生物氮去除通常通過硝化/反硝化進行，也通過高級工藝如亞硝化/反硝化和完全自養氮去除。N2O排放的微生物途徑包括羥胺氧化和硝化菌反硝化（均由氨氧化細菌激活）以及異養反硝化。本文對BNR過程中N2O排放的現有文獻進行了批判性回顧，重點分析了最主要的影響參數，如低溶解氧、高亞硝酸鹽積累、低化學需氧量與氮比等。研究還討論了N2O量化方法、建模及減排策略，強調需要標準化測量和報告程序。

 

研究目的

研究目的是對生物營養物去除過程中N2O排放的機制、影響因素、量化方法和數學模型進行全面綜述，以識別關鍵操作參數，提出減排策略，并為污水處理廠優化設計和運行提供指導，從而降低碳足跡。

 

研究思路

研究思路采用文獻綜述方法，系統分析實驗室、中試和全尺度研究中N2O排放數據，聚焦于影響N2O產生的主要參數（如溶解氧、亞硝酸鹽、碳氮比、pH、溫度等），評估不同生物氮去除工藝（如硝化/反硝化、亞硝化/反硝化、局部亞硝化-厭氧氨氧化）的排放特征，總結N2O量化技術（如在線測量、離線分析），并回顧數學模型（如活性污泥模型擴展）以模擬排放途徑，最終提出基于多途徑理解的減排建議。

 

測量的數據及研究意義

1 氮負荷率對N2O排放的影響數據，來自Table 1中多項研究，如Quan等（2012）顯示高氮負荷率（如448.5 mg L?1 d?1）導致更高N2O排放因子（8.2%）。研究意義在于表明超負荷運行會加劇不完全反硝化，指導污水處理廠需控制氮負荷以最小化排放。

 

 

 

 

2 反應器配置和操作條件對N2O排放的數據，來自Table 1和文本中不同系統（如SBR、氧化溝）比較，例如氧化溝系統N2O排放因子較低（0.25%）。研究意義在于揭示反應器設計（如間歇曝氣）可優化氧分布，減少N2O熱點，為工藝選擇提供依據。

3 碳源類型和可用性對N2O排放的數據，來自Table 1中Zhu和Chen（2011）等研究，顯示使用污泥發酵液而非乙酸可降低排放。研究意義在于強調碳源組成影響反硝化酶活性，促進N2O還原，指導碳源管理以增強減排。

4 pH和溫度對N2O排放的數據，來自Table 1中Law等（2011）和Adouani等（2015）研究，如pH8時N2O產生最高。研究意義在于證實環境參數調控微生物途徑活性，建議控制pH近中性和溫度約20°C以穩定過程。

5 N2O量化方法和排放因子數據，討論在線和離線測量差異。研究意義在于突出標準化量化的必要性，避免低估排放，支持準確碳足跡評估。

 

結論

1 N2O排放主要來自氨氧化細菌的硝化菌反硝化和羥胺氧化途徑，以及異養反硝化，低溶解氧和高亞硝酸鹽是關鍵觸發因素。

2 優化操作參數如溶解氧控制（約2 mg L?1）、適度碳氮比和溫度管理可有效減少排放，而先進工藝如局部亞硝化-厭氧氨氧化需謹慎優化以避免高排放。

3 需要開發綜合數學模型涵蓋所有微生物和非生物途徑，并結合可靠量化技術（如連續在線監測），以實現精準預測和減排。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，丹麥Unisense電極（如Clark型微傳感器）用于高分辨率測量溶解N2O濃度，提供實時數據（如秒級記錄），這些數據能捕捉N2O動態變化，例如在進料后瞬時峰值。研究意義在于使研究人員能夠準確量化凈N2O生產速率，區分液相和氣相排放，驗證操作條件（如間歇曝氣）對排放的瞬時影響。此外，這種測量技術與代謝組學結合，有助于關聯物理化學參數與微生物響應，為模型校準提供可靠輸入，增強了對N2O產生機制的理解，是開發實時控制策略和減少污水處理廠溫室氣體排放的關鍵工具。