Characteristics of Nitrous Oxide Emissions from Partial Nitrification Process Treating High Ammonium Wastewater

處理高銨廢水的部分硝化過程氧化亞氮排放特性

來源 Advanced Materials Research, Volumes 1073-1076,, Pages 844-848, Online published 11 December 2014

《先進(jìn)材料研究》，第1073-1076卷，第844-848頁，2014年12月11日在線發(fā)布

 

摘要

摘要闡述了研究團隊使用兩個間歇曝氣的序批式反應(yīng)器研究了處理高銨廢水的部分硝化過程中氧化亞氮的排放特性。兩個反應(yīng)器分別接種活性污泥絮體和好氧顆粒污泥。在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過間歇曝氣控制策略成功實現(xiàn)了部分硝化。氧化亞氮排放量分別占總進(jìn)水氮負(fù)荷率的6.5%和8.9%。氧化亞氮主要在非曝氣期產(chǎn)生，但曝氣期貢獻(xiàn)了反應(yīng)器中91.8%和90.6%的氧化亞氮排放。聚羥基丁酸酯可作為異養(yǎng)反硝化的碳源，導(dǎo)致接種好氧顆粒污泥的IASBR2產(chǎn)生更多氧化亞氮。

 

研究目的

研究目的是調(diào)查處理高銨廢水的部分硝化過程中氧化亞氮的生成和排放特性。氧化亞氮是一種強效溫室氣體，其全球變暖潛能值是二氧化碳的300倍。生物脫氮過程會導(dǎo)致氧化亞氮的生成和排放，但目前關(guān)于部分硝化過程中氧化亞氮排放的研究較少。因此，本研究旨在通過在線測量反應(yīng)器液相中的溶解氧化亞氮濃度，深入了解部分硝化過程中的氧化亞氮排放規(guī)律。

 

研究思路

研究思路是建立兩個相同的實驗室規(guī)模間歇曝氣序批式反應(yīng)器（IASBR1和IASBR2），分別接種活性污泥絮體和好氧顆粒污泥。反應(yīng)器處理合成高銨廢水，采用間歇曝氣控制策略（5個連續(xù)的30分鐘非曝氣/50分鐘曝氣周期）以實現(xiàn)部分硝化。使用丹麥Unisense的氧化亞氮微電極在線測量液相中的溶解氧化亞氮濃度。通過批量實驗確定氧化亞氮通過擴散和空氣吹脫的傳質(zhì)系數(shù)K值。基于質(zhì)量平衡方程，計算氧化亞氮的生成速率、排放速率、累積量以及排放總量，并分析其與反應(yīng)器運行條件（如PHB含量）的關(guān)系。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量了反應(yīng)器出水中的銨、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度隨時間的變化，該數(shù)據(jù)來自圖2。研究意義在于驗證間歇曝氣策略能否成功實現(xiàn)部分硝化，并確定反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間。數(shù)據(jù)顯示兩個反應(yīng)器均實現(xiàn)了高效的部分硝化（亞硝酸鹽積累效率分別為87%和93%）。

 

2 通過批量實驗測量了僅靠擴散（非曝氣條件）和依靠空氣吹脫（曝氣條件）下溶解氧化亞氮濃度的衰減，確定了氧化亞氮排放速率與濃度的線性關(guān)系及傳質(zhì)系數(shù)K值。研究意義在于為后續(xù)計算實際反應(yīng)器運行周期內(nèi)的氧化亞氮排放速率提供關(guān)鍵參數(shù)。

3 測量了一個典型運行周期內(nèi)兩個IASBR中溶解氧化亞氮濃度的動態(tài)變化，該數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義在于直接觀察氧化亞氮在非曝氣期積累、在曝氣期被迅速吹脫的實時動態(tài)過程，這是理解排放規(guī)律的基礎(chǔ)。

 

4 基于測得的溶解氧化亞氮濃度動態(tài)曲線和已確定的K值，計算了氧化亞氮的生成速率、排放速率、累積量以及排放總量占進(jìn)水氮負(fù)荷的比例。研究意義在于量化了氧化亞氮的排放量（IASBR1為6.5%，IASBR2為8.9%），并揭示了盡管氧化亞氮主要在非曝氣期生成，但絕大部分排放（約90%以上）發(fā)生在曝氣期，凸顯了空氣吹脫是主要的排放機制。

5 測量了IASBR2中好氧顆粒污泥的PHB含量在典型周期內(nèi)的變化，該數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義在于將PHB的消耗（作為內(nèi)碳源用于反硝化）與氧化亞氮的持續(xù)生成聯(lián)系起來，解釋了IASBR2排放量更高的原因，即碳源不足導(dǎo)致反硝化不完全，產(chǎn)生更多氧化亞氮。

 

結(jié)論

1 間歇曝氣策略能有效促進(jìn)部分硝化過程，兩個反應(yīng)器在穩(wěn)定運行期均實現(xiàn)了高的亞硝酸鹽積累效率（87%和93%）。

2 部分硝化過程會產(chǎn)生顯著的氧化亞氮排放，排放量分別占進(jìn)水氮負(fù)荷的6.5%（IASBR1）和8.9%（IASBR2），高于傳統(tǒng)污水處理廠的典型值。

3 氧化亞氮主要在非曝氣期生成，但其排放主要發(fā)生在曝氣期（貢獻(xiàn)超過90%），空氣吹脫是主要的排放機制。

4 好氧顆粒污泥中儲存的PHB在外部碳源耗盡后可作為內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化，但碳源不足易導(dǎo)致反硝化不完全，從而產(chǎn)生更多的氧化亞氮，這使得接種好氧顆粒污泥的IASBR2排放量更高。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧化亞氮微電極測量數(shù)據(jù)在本研究中具有關(guān)鍵的方法學(xué)和研究意義。該微電極是一種微型Clark型傳感器，能夠在線、原位、高頻率（每0.5秒）地測量液相中的溶解氧化亞氮濃度，檢測限低至0.04 mg/L。與傳統(tǒng)僅測量氣相排放（尾氣法）相比，這種直接測量液相濃度的方法不僅能最終量化排放總量（通過結(jié)合傳質(zhì)模型計算），更重要的是能實時追蹤氧化亞氮在反應(yīng)器內(nèi)的生成和積累動態(tài)。研究通過測量獲得了典型周期內(nèi)溶解氧化亞氮濃度的連續(xù)變化曲線（圖3），這為了解氧化亞氮在非曝氣期（由于缺氧條件促進(jìn)反硝化）生成和積累，以及在曝氣期被迅速吹脫的完整過程提供了直接證據(jù)。基于這些高分辨率的時間序列數(shù)據(jù)，研究才能準(zhǔn)確計算氧化亞氮的生成速率和排放速率，并明確區(qū)分不同運行階段（曝氣/非曝氣）對排放的貢獻(xiàn)。此外，通過觀察到IASBR2在外部碳源耗盡后因PHB利用而持續(xù)產(chǎn)生氧化亞氮的現(xiàn)象，該測量數(shù)據(jù)為揭示內(nèi)碳源反硝化與氧化亞氮生成之間的關(guān)聯(lián)提供了有力支持。因此，Unisense微電極的應(yīng)用是實現(xiàn)對部分硝化過程中氧化亞氮排放行為進(jìn)行深入、定量機制解析的核心技術(shù)手段。