研究简介:一氧化二氮(N2O)的全球变暖潜力是二氧化碳的310倍，会导致臭氧消耗和平流层的正辐射强迫。在生物脱氮过程中，即使进水氨的一小部分以N2O的形式排放，也会导致废水处理厂(WWTP)的碳排放显著增加。由于N2O还原酶的天然缺乏，氨氧化细菌(AOB)产生N2O的两种主要机制已广为人知作为羟胺（NH2OH）途径（氨→NH2OH→NOH→N2O或氨→NH2 OH→NO→N 2 O)和AOB反硝化(亚硝酸盐→NO→N 2 O)途径。上述两种N 2 O生产途径受到污水处理厂溶解氧(DO)和NO 2–等运行因素的强烈影响。AGS因其高效硝化速率和快速沉降特性而被认为是一种有前途的废水高效脱氮工艺。(22−27)一般而言，AGS系统受DO、NO2–和pH等环境因素影响较大，导致N2密集氧气排放。AGS系统中N 2 O产生和途径的理解进一步复杂化，因为它们与需氧颗粒尺寸之间的联系的不确定性。颗粒尺寸控制颗粒内溶质的传质，从而调节氮转化效率和N2O排放。不幸的是颗粒尺寸对AOB产生N2O的影响仍然未知，但一些研究结果调查了AGS系统硝化过程中的氮周转。环境因素对AOB排放N2O的影响尚未深入探讨，也没有采用全面的方法（特别是同位素分析，排除异养反硝化的干扰）来研究AOB的N 2 O排放。本研究旨在通过整合实时N2O监测、N2O同位素分析、N2O生产率和微生物特征，探讨不同颗粒尺寸的AGS系统中不同DO和NO2–水平对AOB产生N2O的综合影响。


Unisense微呼吸系统的应用


液态污水的N2O浓度采用N 2 O微传感器（N2O-R，Unisense A/S，丹麦）检测，测量范围为0–53.3 mg N 2O–N/L。每批试验前均用新鲜配制的饱和N2O溶液进行五点校准。


实验结果


提出了一种减少AGS过程中N2O排放的潜在策略。它可以通过选择较小的好氧颗粒、抑制NO2–积累并达到满足最大要求的适当DO水平，显着有利于污水处理厂的主流AGS系统实现碳足迹中和目标。硝化能力。事实证明，较大的好氧颗粒不仅会阻碍氨氧化速率，还会通过AOB反硝化途径诱导更多的N2O排放。相比之下，较小的颗粒(0.5 mm)是在适当的DO水平（例如3.0 mg-O2/L）和更低的条件下最大限度地减少N2O产生的相对最佳选择。将好氧区较大的较小颗粒置于合适的好氧环境中进行硝化，可以显着减少N2O排放。

图1、N2O排放因子与(A)颗粒尺寸、(B)NO 2–浓度、(C)DO浓度之间的关系。(D)各种颗粒尺寸、DO和NO2–浓度下的N2O排放因子。

图2、具体N2O生成速率与(A)颗粒尺寸、(B)NO2–浓度、(C)DO浓度。(D)各种颗粒尺寸、DO和NO2–浓度下的N2O生产率。

图3、特定AOR与(A)颗粒尺寸、(B)NO2–浓度、(C)DO浓度之间的关系。(D)不同颗粒尺寸、DO和NO2–浓度下特定N2O生成速率与AOR之间的相关性。I、II、III和IV分别代表0、10、30和50mg-N/L的NO2–浓度。

图4、N2O消耗试验:在三种不同粒径(即0.5、1.0和2.0 mm)的均匀混合好氧颗粒系统中，在DO水平为1.0、2.0和3.0 mg-O2/L时的N2O(液相)浓度。

图5、粒径为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浓度下，各组初始NO2-和NO3-浓度分别约为0和50 mg-N/L的气态N2O、NO2-和NH4+的分布情况。


结论与展望


本论文研究揭示了操作因素在AGS系统中AOB产生N2O的关键作用及其机制。为了减少一氧化二氮(N2O)对于抵消好氧颗粒污泥(AGS)系统中的碳足迹具有重要意义。然而关于N2O产生机制及其途径贡献仍然存在重大知识差距。为了解决这个问题，研究人员研究了不同颗粒尺寸、溶解氧(DO)和亚硝酸盐(NO 2–)水平对N2O生成的影响全面研究了AGS系统硝化过程中的氨氧化细菌（AOB）。生化和同位素实验表明，增加DO或降低NO2–水平会降低N2O排放因子（减少13.8或19.5%）和生产率（减少0.08或0.35 mg/g VSS/h)通过削弱AOB反硝化途径的作用，因为增加DO会竞争AOB反硝化所需的更多电子。较小的颗粒(0.5 mm)倾向于通过增强NH2OH途径的作用来减少N2O的产生，而较大的颗粒（2.0 mm）则通过AOB反硝化途径诱导显着更高的N2O产量（在较高的NO2–级别）。