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(yǎng)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(huán)境科學(xué)》，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(yǎng)物去除（BNR）排放的重要污染物，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的265倍，即使少量排放也會(huì)導(dǎo)致顯著的碳足跡。生物氮去除通常通過硝化/反硝化進(jìn)行，也通過高級(jí)工藝如亞硝化/反硝化和完全自養(yǎng)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(xì)菌激活）以及異養(yǎng)反硝化。本文對(duì)BNR過程中N2O排放的現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行了批判性回顧，重點(diǎn)分析了最主要的影響參數(shù)，如低溶解氧、高亞硝酸鹽積累、低化學(xué)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(qiáng)調(diào)需要標(biāo)準(zhǔn)化測量和報(bào)告程序。

 

研究目的

研究目的是對(duì)生物營養(yǎng)物去除過程中N2O排放的機(jī)制、影響因素、量化方法和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面綜述，以識(shí)別關(guān)鍵操作參數(shù)，提出減排策略，并為污水處理廠優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)，從而降低碳足跡。

 

研究思路

研究思路采用文獻(xiàn)綜述方法，系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)室、中試和全尺度研究中N2O排放數(shù)據(jù)，聚焦于影響N2O產(chǎn)生的主要參數(shù)（如溶解氧、亞硝酸鹽、碳氮比、pH、溫度等），評(píng)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(jié)N2O量化技術(shù)（如在線測量、離線分析），并回顧數(shù)學(xué)模型（如活性污泥模型擴(kuò)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(shù)據(jù)及研究意義

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

 

 

 

 

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

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

4 pH和溫度對(duì)N2O排放的數(shù)據(jù)，來自Table 1中Law等（2011）和Adouani等（2015）研究，如pH8時(shí)N2O產(chǎn)生最高。研究意義在于證實(shí)環(huán)境參數(shù)調(diào)控微生物途徑活性，建議控制pH近中性和溫度約20°C以穩(wěn)定過程。

5 N2O量化方法和排放因子數(shù)據(jù)，討論在線和離線測量差異。研究意義在于突出標(biāo)準(zhǔn)化量化的必要性，避免低估排放，支持準(zhǔn)確碳足跡評(píng)估。

 

結(jié)論

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

2 優(yōu)化操作參數(shù)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(jìn)工藝如局部亞硝化-厭氧氨氧化需謹(jǐn)慎優(yōu)化以避免高排放。

3 需要開發(fā)綜合數(shù)學(xué)模型涵蓋所有微生物和非生物途徑，并結(jié)合可靠量化技術(shù)（如連續(xù)在線監(jiān)測），以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測和減排。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如秒級(jí)記錄），這些數(shù)據(jù)能捕捉N2O動(dòng)態(tài)變化，例如在進(jìn)料后瞬時(shí)峰值。研究意義在于使研究人員能夠準(zhǔn)確量化凈N2O生產(chǎn)速率，區(qū)分液相和氣相排放，驗(yàn)證操作條件（如間歇曝氣）對(duì)排放的瞬時(shí)影響。此外，這種測量技術(shù)與代謝組學(xué)結(jié)合，有助于關(guān)聯(lián)物理化學(xué)參數(shù)與微生物響應(yīng)，為模型校準(zhǔn)提供可靠輸入，增強(qiáng)了對(duì)N2O產(chǎn)生機(jī)制的理解，是開發(fā)實(shí)時(shí)控制策略和減少污水處理廠溫室氣體排放的關(guān)鍵工具。