研究簡介:一氧化二氮(N2O)的全球變暖潛力是二氧化碳的310倍，會導(dǎo)致臭氧消耗和平流層的正輻射強迫。在生物脫氮過程中，即使進水氨的一小部分以N2O的形式排放，也會導(dǎo)致廢水處理廠(WWTP)的碳排放顯著增加。由于N2O還原酶的天然缺乏，氨氧化細菌(AOB)產(chǎn)生N2O的兩種主要機制已廣為人知作為羥胺（NH2OH）途徑（氨→NH2OH→NOH→N2O或氨→NH2 OH→NO→N 2 O)和AOB反硝化(亞硝酸鹽→NO→N 2 O)途徑。上述兩種N 2 O生產(chǎn)途徑受到污水處理廠溶解氧(DO)和NO 2–等運行因素的強烈影響。AGS因其高效硝化速率和快速沉降特性而被認(rèn)為是一種有前途的廢水高效脫氮工藝。(22?27)一般而言，AGS系統(tǒng)受DO、NO2–和pH等環(huán)境因素影響較大，導(dǎo)致N2密集氧氣排放。AGS系統(tǒng)中N 2 O產(chǎn)生和途徑的理解進一步復(fù)雜化，因為它們與需氧顆粒尺寸之間的聯(lián)系的不確定性。顆粒尺寸控制顆粒內(nèi)溶質(zhì)的傳質(zhì)，從而調(diào)節(jié)氮轉(zhuǎn)化效率和N2O排放。不幸的是顆粒尺寸對AOB產(chǎn)生N2O的影響仍然未知，但一些研究結(jié)果調(diào)查了AGS系統(tǒng)硝化過程中的氮周轉(zhuǎn)。環(huán)境因素對AOB排放N2O的影響尚未深入探討，也沒有采用全面的方法（特別是同位素分析，排除異養(yǎng)反硝化的干擾）來研究AOB的N 2 O排放。本研究旨在通過整合實時N2O監(jiān)測、N2O同位素分析、N2O生產(chǎn)率和微生物特征，探討不同顆粒尺寸的AGS系統(tǒng)中不同DO和NO2–水平對AOB產(chǎn)生N2O的綜合影響。

Unisense微呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用

液態(tài)污水的N2O濃度采用N 2 O微傳感器（N2O-R，Unisense A/S，丹麥）檢測，測量范圍為0–53.3 mg N 2O–N/L。每批試驗前均用新鮮配制的飽和N2O溶液進行五點校準(zhǔn)。

實驗結(jié)果

提出了一種減少AGS過程中N2O排放的潛在策略。它可以通過選擇較小的好氧顆粒、抑制NO2–積累并達到滿足最大要求的適當(dāng)DO水平，顯著有利于污水處理廠的主流AGS系統(tǒng)實現(xiàn)碳足跡中和目標(biāo)。硝化能力。事實證明，較大的好氧顆粒不僅會阻礙氨氧化速率，還會通過AOB反硝化途徑誘導(dǎo)更多的N2O排放。相比之下，較小的顆粒(0.5 mm)是在適當(dāng)?shù)腄O水平（例如3.0 mg-O2/L）和更低的條件下最大限度地減少N2O產(chǎn)生的相對最佳選擇。將好氧區(qū)較大的較小顆粒置于合適的好氧環(huán)境中進行硝化，可以顯著減少N2O排放。

圖1、N2O排放因子與(A)顆粒尺寸、(B)NO 2–濃度、(C)DO濃度之間的關(guān)系。(D)各種顆粒尺寸、DO和NO2–濃度下的N2O排放因子。

圖2、具體N2O生成速率與(A)顆粒尺寸、(B)NO2–濃度、(C)DO濃度。(D)各種顆粒尺寸、DO和NO2–濃度下的N2O生產(chǎn)率。

圖3、特定AOR與(A)顆粒尺寸、(B)NO2–濃度、(C)DO濃度之間的關(guān)系。(D)不同顆粒尺寸、DO和NO2–濃度下特定N2O生成速率與AOR之間的相關(guān)性。I、II、III和IV分別代表0、10、30和50mg-N/L的NO2–濃度。

圖4、N2O消耗試驗:在三種不同粒徑(即0.5、1.0和2.0 mm)的均勻混合好氧顆粒系統(tǒng)中，在DO水平為1.0、2.0和3.0 mg-O2/L時的N2O(液相)濃度。

圖5、粒徑為0.5 mm的AGS:在(A)0.5、(B)1.0、(C)1.5、(D)2.0、(E)2.5、(F)3.0 mg-O2/L不同的DO濃度下，各組初始NO2-和NO3-濃度分別約為0和50 mg-N/L的氣態(tài)N2O、NO2-和NH4+的分布情況。

結(jié)論與展望

本論文研究揭示了操作因素在AGS系統(tǒng)中AOB產(chǎn)生N2O的關(guān)鍵作用及其機制。為了減少一氧化二氮(N2O)對于抵消好氧顆粒污泥(AGS)系統(tǒng)中的碳足跡具有重要意義。然而關(guān)于N2O產(chǎn)生機制及其途徑貢獻仍然存在重大知識差距。為了解決這個問題，研究人員研究了不同顆粒尺寸、溶解氧(DO)和亞硝酸鹽(NO 2–)水平對N2O生成的影響全面研究了AGS系統(tǒng)硝化過程中的氨氧化細菌（AOB）。生化和同位素實驗表明，增加DO或降低NO2–水平會降低N2O排放因子（減少13.8或19.5%）和生產(chǎn)率（減少0.08或0.35 mg/g VSS/h)通過削弱AOB反硝化途徑的作用，因為增加DO會競爭AOB反硝化所需的更多電子。較小的顆粒(0.5 mm)傾向于通過增強NH2OH途徑的作用來減少N2O的產(chǎn)生，而較大的顆粒（2.0 mm）則通過AOB反硝化途徑誘導(dǎo)顯著更高的N2O產(chǎn)量（在較高的NO2–級別）。