Novel abiotic reactions increase nitrous oxide production during partial nitrification: Modeling and experiments  

部分硝化過(guò)程中新型非生物反應(yīng)增加一氧化二氮產(chǎn)生：建模與實(shí)驗(yàn)  

來(lái)源：Chemical Engineering Journal, Volume 281, 2015, Pages 1017-1023

《化學(xué)工程期刊》，第281卷，2015年，第1017-1023頁(yè)

 

摘要：  

論文摘要指出，本研究擴(kuò)展了詳細(xì)的活性污泥模型（ASM），以包括由于羥基胺（NH2OH）和亞硝酸鹽之間反應(yīng)產(chǎn)生的非生物雜交一氧化二氮（N2O）生產(chǎn)。模型參數(shù)從一系列非生物和生物批次測(cè)試中提取，顯示在實(shí)驗(yàn)條件下，非生物N2O生產(chǎn)速率比生物N2O生產(chǎn)速率高1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。質(zhì)量傳遞系數(shù)（kLa）在非生物和生物測(cè)試中分別為19 h?1和21 h?1。二階反應(yīng)速率常數(shù)表明，活性污泥的存在增強(qiáng)了非生物雜交N2O生產(chǎn)速率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)得到標(biāo)準(zhǔn)自由能估計(jì)的支持，顯示雜交反應(yīng)（ΔG° = -538 kJ/mol）比羥基胺氧化還原酶（HAO）介導(dǎo)的NH2OH氧化（ΔG° = -247 kJ/mol）更熱力學(xué)有利。修訂后的模型成功預(yù)測(cè)了氨氮去除速率（49 mg N/L·h）以及從獨(dú)立進(jìn)行的動(dòng)態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)中觀察到的N2O生產(chǎn)的時(shí)間位置。納入非生物雜交N2O生產(chǎn)應(yīng)顯著改善部分硝化系統(tǒng)的N2O排放估計(jì)，但也會(huì)改變硝化菌的物質(zhì)和能量平衡，因?yàn)檫@些非生物反應(yīng)有效地重新路由了NH2OH。  

 

研究目的：  

本研究的目的是（1）確定描述非生物雜交N2O生產(chǎn)的模型參數(shù)，（2）使用測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)估模型預(yù)測(cè)，（3）確定非生物雜交反應(yīng)對(duì)生物廢水處理系統(tǒng)中N2O生產(chǎn)預(yù)測(cè)的影響。  

 

研究思路：  

研究思路基于開(kāi)發(fā)一個(gè)修訂的活性污泥模型，將非生物雜交N2O生產(chǎn)反應(yīng)納入現(xiàn)有框架。首先，通過(guò)非生物和生物批次實(shí)驗(yàn)測(cè)量N2O動(dòng)態(tài)，提取模型參數(shù)如反應(yīng)速率常數(shù)和質(zhì)量傳遞系數(shù)。參數(shù)通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，并使用最小化歸一化均方根誤差（NRMSE）方法優(yōu)化。然后，將非生物反應(yīng)項(xiàng)整合到多群體懸浮生長(zhǎng)模型中，包括氨氧化細(xì)菌（AOB）和異養(yǎng)細(xì)菌（HET）的代謝過(guò)程。模型驗(yàn)證通過(guò)比較預(yù)測(cè)結(jié)果與獨(dú)立動(dòng)態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成，并輔以熱力學(xué)分析評(píng)估反應(yīng)可行性。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. N2O濃度數(shù)據(jù)：來(lái)自圖1、圖2、圖3和圖4。這些數(shù)據(jù)直接測(cè)量了非生物和生物條件下N2O的產(chǎn)生動(dòng)態(tài)，研究意義是量化非生物反應(yīng)的貢獻(xiàn)，驗(yàn)證模型對(duì)N2O生產(chǎn)的預(yù)測(cè)能力，并理解羥基胺與亞硝酸鹽反應(yīng)的主導(dǎo)作用。  

 

 

 

 

2. 氮轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)：包括氨氮去除和亞硝酸鹽生產(chǎn)，來(lái)自圖4。這些數(shù)據(jù)記錄了部分硝化過(guò)程中的氮物種變化，研究意義是評(píng)估模型對(duì)氮去除速率的準(zhǔn)確性，并識(shí)別非生物反應(yīng)對(duì)整體氮平衡的影響。  

3. 羥基胺濃度影響數(shù)據(jù)：來(lái)自圖3。顯示不同初始羥基胺濃度對(duì)N2O生產(chǎn)的影響，研究意義是確定非生物反應(yīng)在低羥基胺條件下的主導(dǎo)性，并揭示反應(yīng)機(jī)制對(duì)操作條件的敏感性。  

4. 金屬成分影響數(shù)據(jù)。通過(guò)排除特定金屬（如鐵、錳、銅、鋅、鎳）測(cè)試非生物N2O生產(chǎn)，研究意義是識(shí)別催化非生物反應(yīng)的關(guān)鍵金屬離子（如銅離子），并理解反應(yīng)的環(huán)境影響因素。  

 

結(jié)論：  

研究通過(guò)分析批次數(shù)據(jù)，確定了非生物雜交N2O生產(chǎn)的模型參數(shù)，顯示非生物反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于生物反應(yīng)。修訂后的模型成功預(yù)測(cè)了氨氮去除速率和N2O生產(chǎn)的時(shí)間位置，特別是在溶解氧為0.8-4.3 mg/L的操作范圍內(nèi)。非生物雜交反應(yīng)在羥基胺濃度較低時(shí)主導(dǎo)N2O生產(chǎn)，并且這些反應(yīng)可能通過(guò)重新路由NH2OH影響硝化菌的物質(zhì)和能量平衡，從而改變部分硝化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略。  

 

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

在實(shí)驗(yàn)中，使用丹麥Unisense的N2O微傳感器連續(xù)測(cè)量溶解N2O濃度，測(cè)量間隔為1-5分鐘。這種測(cè)量方法提供了高時(shí)間分辨率的連續(xù)數(shù)據(jù)，能夠精確捕捉N2O的瞬時(shí)變化和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，避免了傳統(tǒng)離線采樣的延遲和誤差。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在部分硝化中的快速產(chǎn)生機(jī)制，特別是非生物反應(yīng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)。連續(xù)測(cè)量為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制N2O排放提供了技術(shù)支撐，并對(duì)廢水處理過(guò)程的優(yōu)化和減排策略具有重要應(yīng)用價(jià)值。