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系統受DO、NO2–和pH等環境因素影響較大，導致N2密集氧氣排放。AGS系統中N 2 O產生和途徑的理解進一步復雜化，因為它們與需氧顆粒尺寸之間的聯系的不確定性。顆粒尺寸控制顆粒內溶質的傳質，從而調節氮轉化效率和N2O排放。不幸的是顆粒尺寸對AOB產生N2O的影響仍然未知，但一些研究結果調查了AGS系統硝化過程中的氮周轉。環境因素對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監測、N2O同位素分析、N2O生產率和微生物特征，探討不同顆粒尺寸的AGS系統中不同DO和NO2–水平對AOB產生N2O的綜合影響。

Unisense微呼吸系統的應用

液態污水的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。

實驗結果

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DO水平，顯著有利于污水處理廠的主流AGS系統實現碳足跡中和目標。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反硝化途徑誘導更多的N2O排放。相比之下，較小的顆粒(0.5 mm)是在適當的DO水平（例如3.0 mg-O2/L）和更低的條件下最大限度地減少N2O產生的相對最佳選擇。將好氧區較大的較小顆粒置于合適的好氧環境中進行硝化，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生產率。

圖3、特定AOR與(A)顆粒尺寸、(B)NO2–濃度、(C)DO濃度之間的關系。(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N2O、NO2-和NH4+的分布情況。

結論與展望

本論文研究揭示了操作因素在AGS系統中AOB產生N2O的關鍵作用及其機制。為了減少一氧化二氮(N2O)對于抵消好氧顆粒污泥(AGS)系統中的碳足跡具有重要意義。然而關于N2O產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的產生，而較大的顆粒（2.0 mm）則通過AOB反硝化途徑誘導顯著更高的N2O產量（在較高的NO2–級別）。