A decade of nitrous oxide(N2O) monitoring in full-scale wastewater treatment processes: A critical review

全規(guī)模廢水處理過程中氧化亞氮(N2O)監(jiān)測(cè)十年：批判性綜述

來源：Water Research, Volume 161, 2019, Pages 392-412

《水研究》，第161卷，2019年，頁碼392-412

 

摘要

摘要指出，廢水處理廠(WWTPs)在生物脫氮過程中直接排放的N2O會(huì)顯著增加運(yùn)營的碳足跡。全規(guī)模N2O監(jiān)測(cè)活動(dòng)被用作有爭議的理論計(jì)算方法的替代方案，有助于擴(kuò)展對(duì)N2O生產(chǎn)途徑和觸發(fā)操作條件的知識(shí)。準(zhǔn)確的N2O監(jiān)測(cè)可以幫助找到更好的過程控制解決方案以減少排放，但量化排放和理解長期行為仍具有挑戰(zhàn)性。本綜述回顧了近年來的全規(guī)模N2O監(jiān)測(cè)活動(dòng)，分析了不同過程組的排放量化和緩解措施，重點(diǎn)關(guān)注用于識(shí)別主導(dǎo)N2O途徑和觸發(fā)條件的技術(shù)、使用操作數(shù)據(jù)和N2O數(shù)據(jù)識(shí)別緩解措施的技術(shù)以及機(jī)理建模。分析顯示，由于操作條件、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和定量方法的不同，N2O排放數(shù)據(jù)差異顯著，監(jiān)測(cè)活動(dòng)持續(xù)時(shí)間影響排放因子范圍，短期監(jiān)測(cè)通常報(bào)告較低排放，而長期監(jiān)測(cè)顯示較高排放。多變量數(shù)據(jù)挖掘方法可以有效轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為信息，確定復(fù)雜關(guān)系，機(jī)理模型與多變量工具結(jié)合可增強(qiáng)對(duì)排放模式的理解。最后，識(shí)別了有效N2O緩解策略與實(shí)際實(shí)施之間的差距，未來需要長期監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法開發(fā)以及更好理解N2O排放、能耗和系統(tǒng)性能之間的權(quán)衡。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估全規(guī)模N2O排放特征，將其轉(zhuǎn)化為可行的控制策略，并進(jìn)行全規(guī)模測(cè)試。具體目標(biāo)包括量化全規(guī)模N2O排放并探究季節(jié)性模式，揭示典型操作周期中N2O生產(chǎn)/排放與過程變量的趨勢(shì)以探索動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)行多變量統(tǒng)計(jì)分析以找到N2O排放對(duì)相關(guān)過程變量的依賴性，基于分析結(jié)果提出潛在可行的N2O控制策略并在實(shí)際廠中測(cè)試。

 

研究思路

研究思路是基于長期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先使用124天并行運(yùn)行的數(shù)據(jù)量化全規(guī)模N2O排放并探究季節(jié)性模式，然后揭示典型操作周期中N2O生產(chǎn)/排放與過程變量/條件的趨勢(shì)以探索動(dòng)態(tài)N2O排放行為，進(jìn)行多變量統(tǒng)計(jì)分析以找到N2O排放對(duì)相關(guān)過程變量的依賴性，最后基于分析結(jié)果提出控制概念并進(jìn)行全規(guī)模測(cè)試。研究利用圖形表示、特征提取方法、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘方法翻譯操作數(shù)據(jù)為信息，并結(jié)合機(jī)理模型和同位素分析等技術(shù)來理解排放機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 N2O排放因子數(shù)據(jù)：來自Fig.2和Fig.3，顯示不同處理過程的排放因子范圍，如主流過程平均EF為0.87%氮負(fù)荷，側(cè)流過程平均為2.1%。研究意義是揭示排放變異性，強(qiáng)調(diào)操作條件和測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)化的必要性，支持排放評(píng)估和機(jī)制研究。

 

 

2 季節(jié)性排放模式數(shù)據(jù)：來自Fig.4，顯示監(jiān)測(cè)時(shí)長對(duì)EF的影響，短期監(jiān)測(cè)EF較低（平均0.7%），長期監(jiān)測(cè)EF較高（平均1.7%）。研究意義是表明季節(jié)性和監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間對(duì)排放量化的影響，強(qiáng)調(diào)長期監(jiān)測(cè)的重要性以捕獲真實(shí)排放動(dòng)態(tài)。

 

 

3 過程變量與N2O排放關(guān)系數(shù)據(jù)：來自多變量分析，如DO、NO2-濃度、溫度等與N2O排放的相關(guān)性，顯示不同條件下主導(dǎo)途徑變化。研究意義是幫助識(shí)別關(guān)鍵操作參數(shù)，指導(dǎo)優(yōu)化控制以減少排放，例如通過控制DO和pH最小化排放。

4 微生物群落和酶活性數(shù)據(jù)：來自分子生物學(xué)分析，如AOB、NOB和反硝化菌豐度與N2O排放的關(guān)聯(lián)。研究意義是揭示微生物結(jié)構(gòu)對(duì)排放的影響，支持靶向微生物管理以控制排放。

5 監(jiān)測(cè)方法比較數(shù)據(jù)：來自Fig.5，顯示連續(xù)監(jiān)測(cè)和間歇監(jiān)測(cè)的EF差異，連續(xù)監(jiān)測(cè)平均EF較高（1.2%）。研究意義是評(píng)估不同監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)協(xié)議以提高數(shù)據(jù)可比性。

 

 

結(jié)論

1 N2O排放因子在不同處理過程中差異顯著，主流過程EF范圍0.01%-2%，側(cè)流過程更高，監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間影響EF估值，長期監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確。

2 季節(jié)性環(huán)境變異性如溫度影響排放模式，水溫上升季節(jié)排放較高，下降季節(jié)較低，需針對(duì)性控制策略。

3 多變量統(tǒng)計(jì)和機(jī)理模型結(jié)合能有效理解排放行為，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法有助于開發(fā)緩解措施，但實(shí)際實(shí)施存在差距。

4 未來需要長期監(jiān)測(cè)研究、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法開發(fā)以及優(yōu)化權(quán)衡N2O排放、能耗和系統(tǒng)性能。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高精度原位監(jiān)測(cè)能力，能夠?qū)崟r(shí)量化液相和氣相N2O濃度動(dòng)態(tài)。具體地，電極提供高分辨率數(shù)據(jù)（如每5分鐘平均值），支持準(zhǔn)確計(jì)算N2O排放率（通過公式考慮氣相和液相傳輸），如文檔中提到的在反應(yīng)器中連續(xù)監(jiān)測(cè)N2O濃度。這種測(cè)量幫助識(shí)別N2O產(chǎn)生熱點(diǎn)時(shí)段（如好氧相通過羥胺途徑，缺氧相通過不完全反硝化），并為多變量分析（如偏相關(guān)分析）提供可靠輸入，從而揭示過程變量（如NO3-和DO）的影響機(jī)制。研究意義是克服傳統(tǒng)采樣誤差，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，為N2O排放機(jī)制研究和控制策略驗(yàn)證提供關(guān)鍵工具，提升全規(guī)模廢水處理的環(huán)保性能。例如，電極數(shù)據(jù)可用于校準(zhǔn)機(jī)理模型，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜排放模式的理解，并指導(dǎo)實(shí)時(shí)控制優(yōu)化。