Evaluation of nitrous oxide emission during ammonia retention from simulated industrial wastewater by microaerobic activated sludge process  

微好氧活性污泥法處理模擬工業(yè)廢水保氨過(guò)程中氧化亞氮排放的評(píng)估  

來(lái)源：Water Research, Volume 247, 2023, Article 120780  

《水研究》，第247卷，2023，文章編號(hào)120780  

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出，針對(duì)高氮工業(yè)廢水處理中氨氮（NH?-N）回收需求，本研究提出微好氧活性污泥工藝（MAS）作為預(yù)處理技術(shù)，旨在抑制硝化以保留NH?-N，同時(shí)高效去除總有機(jī)碳（TOC）。通過(guò)控制溶解氧（DO<1 mg/L）和pH（6.2或6.8），在三級(jí)反應(yīng)器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)NH?-N保留率>80%和TOC去除率>90%。然而，系統(tǒng)檢測(cè)到顯著的N?O排放（日均407–475 mg-N/day），排放因子超總氮負(fù)荷2%。N?O排放主要源于R2反應(yīng)器（貢獻(xiàn)70%–80%），其機(jī)制與酸性條件下不完全硝化及反硝化菌富集相關(guān)。pH 6.2條件下N?O排放量低于pH 6.8，表明弱酸性環(huán)境具有減排潛力。  

 

研究目的

 

評(píng)估MAS工藝在保留氨氮過(guò)程中的N?O排放特征及機(jī)制，明確不同反應(yīng)器的貢獻(xiàn)路徑，為高氮廢水預(yù)處理工藝的溫室氣體管控提供依據(jù)。  

 

研究思路

系統(tǒng)構(gòu)建：設(shè)計(jì)兩級(jí)平行MAS系統(tǒng)（S1: pH 6.2, S2: pH 6.8），每系統(tǒng)含三級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器（R1、R2、R3）及二沉池（圖1）。  

 

 

運(yùn)行條件：以模擬高氮廢水（NH?-N 480 mg/L, TN 600 mg/L, TOC 360 mg/L）為進(jìn)水，控制DO<1 mg/L，SRT=10天，HRT=30小時(shí)，運(yùn)行64天。  

 

監(jiān)測(cè)分析：  

 

水質(zhì)參數(shù)：NH?-N、NO?-N、TOC、pH、DO（圖2–3）  

 

 

氣體排放：在線監(jiān)測(cè)N?O和CO?通量（圖3b, 圖6）  

 

 

微生物基因：定量amoA（氨氧化）、nirK/nirS（亞硝酸鹽還原）、nosZ（N?O還原）基因豐度（圖5）  

 

機(jī)制解析：通過(guò)相關(guān)性分析（表1–2）及反應(yīng)速率計(jì)算（圖4, 圖7）揭示N?O產(chǎn)生途徑。  

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

NH?-N保留與TOC去除（圖3a）  

 

數(shù)據(jù)：S1和S2的NH?-N保留率分別為84.8%和82.4%，TOC去除率>90%  

 

意義：驗(yàn)證MAS工藝在弱酸性微好氧條件下可實(shí)現(xiàn)高效氨保留與碳去除，滿足后續(xù)膜回收技術(shù)的進(jìn)水要求  

N?O排放特征（圖3b, 圖6）  

 

數(shù)據(jù)：R2貢獻(xiàn)79.9%和69.0%的N?O排放，排放因子達(dá)2.43%–3.62%  

 

意義：揭示R2為關(guān)鍵排放源，其N?O產(chǎn)率（N?OR）與NO?產(chǎn)率（NO?R）量級(jí)相當(dāng)（圖7a），反映不完全硝化與反硝化耦合的高排放風(fēng)險(xiǎn)  

功能基因豐度（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：反硝化基因（nirS, nosZ-I）豐度比硝化基因（amoA）高1個(gè)數(shù)量級(jí)  

 

意義：證實(shí)系統(tǒng)中反硝化菌主導(dǎo)，為異養(yǎng)反硝化貢獻(xiàn)N?O提供微生物學(xué)證據(jù)  

反應(yīng)速率相關(guān)性（表1, 圖7）  

 

數(shù)據(jù)：R2的N?OR與NO?R顯著正相關(guān)（S1: R=0.666, S2: R=0.973）  

 

意義：表明NO??積累是觸發(fā)N?O產(chǎn)生的主要因素，支持硝化菌反硝化與化學(xué)反硝化途徑  

 

結(jié)論

工藝效能：MAS工藝在pH 6.2–6.8條件下可同步實(shí)現(xiàn)>80% NH?-N保留與>90% TOC去除，滿足氨回收預(yù)處理需求  

 

N?O排放熱點(diǎn)：R2反應(yīng)器貢獻(xiàn)70%以上N?O排放，歸因于其微好氧環(huán)境下不完全硝化（低DO）與反硝化菌富集  

 

pH調(diào)控作用：pH 6.2系統(tǒng)的N?O排放量低于pH 6.8系統(tǒng)（407 vs 475 mg-N/day），表明弱酸性條件可抑制排放  

 

減排路徑：R1的N?O源于異養(yǎng)反硝化（占總量<3%），R3以硝化菌反硝化為主（占10%–17%），需優(yōu)化R2的DO穩(wěn)定性與pH以阻斷多途徑排放  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的意義

 

Unisense N?O廢水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于：  

溶解態(tài)N?O精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)測(cè)定出水及反應(yīng)器內(nèi)溶解N?O濃度，結(jié)合氣相排放數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)液相產(chǎn)生與氣提排放的同步量化  

 

排放通量驗(yàn)證：澄清池中溶解N?O與氣相排放高度相關(guān)（S1: R=0.862, S2: R=0.883），證實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性（3.2.2節(jié)）  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)分析：溶解N?O數(shù)據(jù)揭示非曝氣區(qū)（如澄清池）的隱性排放貢獻(xiàn)（占總量8%–12%），闡明生物反硝化在缺氧環(huán)節(jié)的持續(xù)活性  

 

工藝優(yōu)化指向：通過(guò)對(duì)比R2的N?OR與NO?R量級(jí)關(guān)系（圖7a），明確高排放時(shí)段與NO??積累的耦合性，為DO/pH精細(xì)化調(diào)控提供依據(jù)