Nitrogen Removal and Nitrous Oxide Emission in an Anaerobic/Oxic/Anoxic Sequencing Biofilm Batch Reactor

厭氧/好氧/缺氧序批式生物膜反應器中氮去除和氧化亞氮排放

來源：ENVIRONMENTAL ENGINEERING SCIENCE, Volume 35, Number 1, 2017

《環境工程科學》，第35卷，第1期，2017年

 

摘要

這篇論文研究了厭氧/好氧/缺氧序批式生物膜反應器（A/O/A SBBR）在處理碳限制廢水時的氮去除和氧化亞氮（N2O）排放特性。摘要指出，通過好氧期的同步亞硝化-反亞硝化和缺氧期的聚羥基丁酸酯（PHB）驅動反亞硝化，實現了高總氮去除效率（95.97±2.85%），其中好氧期貢獻57.62±4.43%，缺氧期貢獻39.00±4.07%。同時，N2O排放占去除總氮的15.47±2.65%，且72.25±4.86%的N2O在缺氧期產生。PHB驅動反亞硝化在提高氮去除效率的同時刺激了N2O排放。高通量測序分析顯示，Thauera和Denitratisoma屬為潛在反硝化菌，促進了氮去除。

 

研究目的

研究目的是開發一種經濟高效的生物污水處理系統，通過A/O/A SBBR充分利用廢水中有機物進行氮去除，同時評估N2O排放特性，以優化工藝并減少溫室氣體排放。

 

研究思路

研究思路首先在A/O/A SBBR中操作碳限制廢水（C/N=4）處理，通過實時控制方法調節厭氧、好氧和缺氧階段時長。測量氮化合物濃度、化學需氧量、PHB含量和溶解N2O濃度等參數，分析氮去除路徑和N2O產生機制。結合高通量16S rRNA基因測序分析微生物群落結構，探討氮去除和N2O排放的微生物驅動因素。

 

測量的數據及研究意義

1 總氮和化學需氧量去除性能數據：測量了反應器運行期間總氮和化學需氧量的進水、出水濃度及去除效率，來自圖1。研究意義是驗證A/O/A SBBR在碳限制條件下可實現高氮去除（95.97±2.85%）和化學需氧量去除（84.02±5.11%），為工藝優化提供實證基礎。

 

2 典型周期內氮化合物和控制參數數據：監測了典型周期中pH、溶解氧、氮化合物濃度、PHB含量和溶解N2O的動態變化，來自圖2。研究意義是揭示好氧期同步亞硝化-反亞硝化和缺氧期PHB驅動反亞硝化的具體過程，表明PHB消耗與N2O產生相關，闡明氮去除路徑和N2O排放關鍵點。

 

3 溶解和排放N2O濃度數據：記錄了連續周期中溶解N2O濃度和排放量，來自圖3。研究意義是量化N2O產生量（好氧期2.19±0.67 mg/L，缺氧期5.55±0.73 mg/L），顯示缺氧期是N2O主要排放階段，強調PHB驅動反亞硝化對N2O排放的貢獻。

 

4 微生物群落結構數據：通過高通量測序分析了門、綱、屬水平的微生物組成，來自圖4。研究意義是發現Proteobacteria為優勢門（58.31%），Thauera（10.35%）和Denitratisoma（7.00%）為潛在反硝化菌，Nitrosomonas（4.82%）為氨氧化菌，關聯微生物活動與氮去除及N2O排放。

 

5 氮去除和N2O生產比較數據：總結了不同反應器條件下的總氮去除效率和N2O生產，來自表1。研究意義是通過對比顯示A/O/A SBBR在提高氮去除效率的同時導致更高N2O排放（15.47±2.65%），突出工藝的環境權衡。

 

 

結論

A/O/A SBBR通過好氧期同步亞硝化-反亞硝化和缺氧期PHB驅動反亞硝化實現了高效氮去除，但刺激了N2O排放，其中缺氧期貢獻主要N2O產量。微生物分析表明Thauera和Denitratisoma為關鍵反硝化菌，Nitrosomonas與N2O產生相關。該工藝適合小規模污水處理，但需平衡氮去除和溫室氣體控制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense N2O微電極測量溶解N2O數據的研究意義在于實現了高精度原位監測，能夠實時捕捉反應器中N2O濃度的動態變化。微電極系統直接測量液相N2O濃度，避免了傳統采樣破壞性，提供連續時間序列數據（如圖2和圖3所示）。這有助于精確量化好氧和缺氧階段N2O產生量，識別PHB驅動反亞硝化作為主要排放源（占72.25±4.86%）。高時空分辨率數據驗證了N2O排放與氮化合物濃度（如亞硝酸鹽）和微生物活動的關聯，為理解氮轉化機制和優化工藝參數（如缺氧期時長）提供關鍵證據，最終支持減少溫室氣體排放的實踐策略。