Impact of N2O Emissions on Nitritation in Two Sequencing Batch Reactors: Activated Sludge Reactor and Biofilm System

N2O排放對兩種序批式反應器中亞硝化過程的影響：活性污泥反應器與生物膜系統

來源： Environmental Engineering Science, Volume 33, Number 2, 2016

《環境工程科學》第33卷第2期，2016年

 

摘要

摘要部分闡述了本研究評估了在兩種序批式反應器（活性污泥序批式反應器ASSBR和序批式生物膜反應器SBBR）中處理富銨廢水時N2O排放對亞硝化過程的影響。在穩定運行期間，兩種反應器的NH4-N去除效率無顯著差異，亞硝化結束時亞硝酸鹽積累率均高于85%。但SBBR的總氮去除效率（81.7%±1.5%）高于ASSBR（66.5%±5.7%）。典型周期顯示，進水NH4-N濃度為120 mg/L和240 mg/L時，SBBR中亞硝化過程的N2O排放分別占去除總氮的2.3%±0.4%和6.5%±0.9%，僅為ASSBR排放量（6.6%±0.6%和14.1%±1.6%）的1/3至1/2。N2O產量隨進水銨濃度增加而增加，結果有助于進一步理解部分亞硝化系統中的N2O排放機制。

 

研究目的

研究目的是比較活性污泥序批式反應器（ASSBR）和序批式生物膜反應器（SBBR）在亞硝化過程中的氮去除性能及N2O排放特性，評估進水銨濃度對排放的影響，為優化工藝減少溫室氣體排放提供依據。

 

研究思路

研究思路包括設置ASSBR和SBBR兩種反應器，在進水銨濃度120 mg/L和240 mg/L條件下運行，采用12小時周期操作（包括厭氧、好氧/缺氧階段）。通過監測氮化合物（NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN）濃度、化學需氧量（COD）、溶解氧（DO）、pH值等參數，并使用丹麥Unisense微電極實時測量溶解N2O濃度，計算N2O生成和排放速率。比較兩種反應器在不同負荷下的性能差異，分析N2O產生與亞硝酸鹽積累的關系。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了典型周期內氮化合物（NH4-N、NO2-N、NO3-N）和COD濃度隨時間變化。數據來自圖2和圖3（低負荷和高負荷工況）。研究意義在于揭示亞硝化過程中氮轉化動態，顯示SBBR的亞硝酸鹽積累較低，表明其更高效的同步硝化反硝化作用，減少中間產物積累。

 

 

2 測量了溶解N2O濃度隨時間變化，并計算N2O排放速率。數據來自圖2c1、c2和圖3c1、c2（低負荷和高負荷）。研究意義在于直接量化N2O產生峰值與亞硝酸鹽積累的關聯，證實高亞硝酸鹽濃度是N2O產生的主要驅動因素，為控制排放提供關鍵參數。

3 測量了總氮去除效率和N2O轉化率（N2O-N占去除TN的百分比）。數據來自表1和表2（匯總數據）。研究意義在于量化SBBR的優越性（TN去除率更高，N2O排放更低），表明生物膜系統能有效降低溫室氣體排放，支持工藝選擇。

 

 

4 測量了溶解氧（DO）和pH值變化。數據來自圖2b1、b2和圖3b1、b2。研究意義在于顯示DO水平（ASSBR為0.12-0.23 mg/L，SBBR為1.69-1.94 mg/L）對N2O產生的影響，低DO促進硝化菌反硝化途徑，增加排放。

 

結論

1 SBBR比ASSBR具有更高的總氮去除效率（81.7%對66.5%）和更低的N2O排放（低負荷時排放量僅為ASSBR的1/3-1/2），表明生物膜系統在減排方面更具優勢。

2 N2O排放隨進水銨濃度增加而顯著增加，在240 mg/L時ASSBR和SBBR的N2O轉化率分別達14.1%和6.5%，突出高負荷下的排放風險。

3 亞硝酸鹽積累是N2O產生的關鍵因素，ASSBR中更高的亞硝酸鹽濃度導致更大量排放，優化操作控制亞硝酸鹽可有效減排。

 

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實現了高精度、實時的原位監測，能夠捕捉N2O生成瞬時動態。電極數據（如圖2和圖3所示）直接反映了水相中N2O濃度變化，避免了傳統廢氣測量的滯后性和復雜性。通過連續監測，研究準確識別了N2O產生峰值與亞硝酸鹽積累的同步性（如亞硝酸鹽達5-6 mg/L時N2O急劇上升），驗證了AOB反硝化途徑的主導作用。電極的高靈敏度（檢測限低）和快速響應能力使排放計算更可靠，支持了模型驗證（如排放速率計算）。這種技術簡化了非封閉系統的監測，為污水處理廠實時減排策略提供了實用工具，提升了數據可靠性和過程控制能力。