Mathematical Modeling of Nitrous Oxide Production during Denitrifying Phosphorus Removal Process  

反硝化除磷過程中一氧化二氮產(chǎn)生的數(shù)學(xué)建模  

來源: Environmental Science & Technology, 2015, 49, 14, 8595–8601

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，2015年，第49卷第14期，第8595–8601頁

 

摘要：  

這篇論文的摘要指出，反硝化除磷過程在交替厭氧/缺氧條件下進(jìn)行，微生物內(nèi)部存儲(chǔ)聚合物如聚羥基烷酸酯（PHA）的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)和消耗對(duì)一氧化二氮（N2O）積累有重要作用。研究首次開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述PHA消耗對(duì)N2O積累的影響，模型考慮了四步缺氧聚磷存儲(chǔ)和四步缺氧生長(zhǎng)過程，并應(yīng)用四個(gè)獨(dú)立的反硝化除磷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，由于使用PHA時(shí)N2O還原率較低，PHA消耗在N2O積累中起重要作用。  

 

研究目的：  

研究目的是開發(fā)一個(gè)數(shù)學(xué)模型來理解和預(yù)測(cè)反硝化除磷過程中N2O的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，特別是關(guān)注PHA利用階段對(duì)N2O積累的影響，以填補(bǔ)現(xiàn)有模型忽略N2O生產(chǎn)的空白，并為優(yōu)化污水處理過程提供工具。  

 

研究思路：  

研究思路基于開發(fā)一個(gè)新的數(shù)學(xué)模型，該模型整合了反硝化除磷的關(guān)鍵生物過程，包括厭氧PHA存儲(chǔ)、缺氧聚磷存儲(chǔ)和缺氧生長(zhǎng)，并采用四步反硝化步驟（從硝酸鹽到氮?dú)?via 亞硝酸鹽、一氧化氮和N2O）。模型參數(shù)部分從文獻(xiàn)獲取，部分通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，使用四個(gè)不同條件下的反硝化除磷案例數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，通過比較模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來評(píng)估模型的有效性。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 氮氧化物數(shù)據(jù)（包括NO3、NO2和N2O濃度）：這些數(shù)據(jù)來自圖1A、1C、2A、2C、3A、3C、4A和4C，研究意義是監(jiān)測(cè)反硝化過程的動(dòng)態(tài)，識(shí)別N2O積累的關(guān)鍵點(diǎn)，用于驗(yàn)證模型對(duì)氮還原路徑的預(yù)測(cè)。  

 

 

 

2. 磷和PHA數(shù)據(jù)（包括PO4和PHA濃度）：這些數(shù)據(jù)來自圖1B、1D、2B、2D、3B、3D、4B和4D，研究意義是關(guān)聯(lián)PHA消耗與磷攝取和N2O生產(chǎn)，幫助理解內(nèi)部存儲(chǔ)物周轉(zhuǎn)對(duì)N2O積累的機(jī)制。  

3. 模型參數(shù)數(shù)據(jù)（如qPHA、μDPAO1等）：這些數(shù)據(jù)來自表1，研究意義是確定反硝化除磷過程中影響N2O積累的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為模型校準(zhǔn)和優(yōu)化提供依據(jù)。  

 

結(jié)論：  

論文得出結(jié)論，開發(fā)的數(shù)學(xué)模型能有效描述反硝化除磷過程中的N2O積累、氮還原、磷釋放和攝取以及PHA動(dòng)態(tài)，驗(yàn)證了模型在不同條件下的適用性。N2O積累主要由于反硝化聚磷微生物（DPAOs）使用PHA作為碳源時(shí)N2O還原率較低，這表明PHA消耗是N2O生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，模型可用于優(yōu)化污水處理以減少N2O排放。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

在Case IV中，使用丹麥Unisense的N2O微傳感器在線監(jiān)測(cè)溶解N2O濃度，這種測(cè)量方法提供了高時(shí)間分辨率和連續(xù)的數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)離線采樣的延遲和誤差，能精確捕捉N2O的瞬時(shí)變化和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。研究意義在于增強(qiáng)了N2O數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，使模型驗(yàn)證更加嚴(yán)格，有助于深入理解N2O在反硝化除磷中的產(chǎn)生機(jī)制，并為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制N2O排放提供了技術(shù)支撐。