Model-based identification of the dominant N?O emission pathway in a full-scale activated sludge system  

基于模型的全規(guī)模活性污泥系統(tǒng)中主導(dǎo)N?O排放路徑識別  

來源：Journal of Cleaner Production 336 (2022) 130347

《清潔生產(chǎn)雜志》，第336卷，2022年，文章編號130347  

 

摘要內(nèi)容  

論文摘要提出了一種基于擴展活性污泥模型（ASM2d-N?O）的方法，用于識別污水處理廠（WWTP）中N?O排放的主要路徑。研究通過校準和驗證模型，在芬蘭Viikinm?ki污水處理廠進行應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)反硝化（DHET）是N?O主要產(chǎn)生途徑，但同時是重要的消耗途徑；好氧區(qū)貢獻93%的N?O總排放量。排放因子（EF）為0.94%（進水總氮負荷），顯著低于IPCC默認值（1.6%），模型應(yīng)用可減少年碳排放952噸CO?當(dāng)量。  

 

研究目的  

將波蘭S?upsk廠驗證的ASM2d-N?O模型推廣至芬蘭Viikinm?ki廠，評估其通用性。  

 

識別主導(dǎo)N?O排放路徑及貢獻率。  

 

提出新型校準協(xié)議以減少參數(shù)調(diào)整數(shù)量。  

 

量化N?O排放因子，優(yōu)化碳足跡（CF）評估。  

 

研究思路  

模型構(gòu)建：基于GPS-X平臺建立水力、生物動力學(xué)及N?O排放子模型，包括：  

 

進水組分表征

 

非理想流反應(yīng)器分區(qū)（圖1a）  

 

ASM2d擴展N?O模塊（圖2a）  

 

校準與驗證：  

 

初步校準（10參數(shù)）→ 靈敏度分析（圖4）→ 相關(guān)性矩陣（表2）→ 最終校準（4個關(guān)鍵參數(shù)：ηN2O,H、ηNO2,H、μAOB、μNOB）  

 

 

驗證集評估（NSE、RMSE、Janus系數(shù)，表3）  

 

模型比較：對比ASM2d-N?O與Blomberg等（2018）的ASM3-N?O模型性能（圖8）。  

 

路徑分析：量化各生物反應(yīng)區(qū)N?O產(chǎn)消速率（圖9）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

常規(guī)水質(zhì)參數(shù)（NH??-N、NO??-N、堿度）：  

 

來源：在線分析儀（圖6a-d）  

 

意義：校準模型基礎(chǔ)，反映脫氮效率。  

溶解N?O濃度：  

 

來源：Unisense電極（圖7a-b,d-e）  

 

意義：直接監(jiān)測生物反應(yīng)器內(nèi)N?O動態(tài)，驗證模型預(yù)測準確性。  

氣體N?O排放：  

 

來源：FTIR分析儀（圖7c,f）  

 

意義：量化實際排放量，計算排放因子。  

微生物群落數(shù)據(jù)：  

 

來源：生物量測定  

 

意義：解釋異養(yǎng)菌（DHET）主導(dǎo)N?O產(chǎn)消的原因（高生物量占比）。  

運行參數(shù)（DO、溫度、SRT）：  

 

來源：自動化監(jiān)控系統(tǒng)  

 

意義：關(guān)聯(lián)操作條件與N?O排放關(guān)系。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義  

高分辨率監(jiān)測：Unisense電極實時測量好氧區(qū)（Z4、Z6）溶解N?O濃度（圖7a-b,d-e），捕捉瞬態(tài)波動（如周末負荷變化導(dǎo)致的濃度峰值），為模型提供高精度驗證數(shù)據(jù)。  

 

路徑機制解析：結(jié)合模型預(yù)測（圖9），電極數(shù)據(jù)揭示N?O在好氧區(qū)主要由DHET（78%）和羥胺氧化（20%）產(chǎn)生，而缺氧區(qū)DHET是凈消耗者，明確了區(qū)域貢獻差異。  

 

排放模型優(yōu)化：溶解N?O濃度是氣體排放預(yù)測的直接輸入，電極數(shù)據(jù)驗證了基于OTR的KLa計算方法比傳統(tǒng)經(jīng)驗公式更準確（圖8e vs 圖8f），提升排放因子可靠性。  

 

結(jié)論  

主導(dǎo)路徑：DHET是主要N?O產(chǎn)生途徑（好氧區(qū)占78%），但同時也是重要消耗者；AOB反硝化路徑貢獻可忽略（<3%）。  

 

區(qū)域貢獻：好氧區(qū)貢獻93%的N?O排放，缺氧區(qū)僅7%（圖9d）。  

 

排放因子：模型EF（0.94%進水總氮負荷）顯著低于IPCC默認值（1.6%），應(yīng)用模型可減少年碳排放952噸CO?當(dāng)量。  

 

模型價值：嚴格的校準協(xié)議（靈敏度分析+參數(shù)降維）提升預(yù)測精度，證實機理模型在碳足跡評估中的優(yōu)越性。