Minimizing N2O emissions and carbon footprint on a full-scale activated sludge sequencing batch reactor

最小化全規模活性污泥序批式反應器的氧化亞氮排放和碳足跡

來源 WATER RESEARCH, Volume 71, 2015, Pages 1-10

《水研究》，第71卷，2015年，第1-10頁

 

摘要

論文摘要闡述了研究團隊在一個全規模市政污水處理廠的序批式反應器中進行了連續在線量化氧化亞氮排放的研究。結果表明，生物污水處理系統的氧化亞氮排放量為97.1±6.9克N2O-N/千克NH4-N消耗量，相當于進水NH4-N負荷的6.8%。在該污水處理廠中，氧化亞氮排放平均占總碳足跡的60%以上。研究在序批式反應器中實施了不同的循環配置以達成可接受的出水值。每種循環配置由不同時間長度的曝氣和非曝氣階段序列組成，由固定的銨設定點控制。具有長曝氣階段的循環顯示出最大的氧化亞氮排放，從而導致碳足跡增加。實踐證明，采用間歇曝氣（曝氣階段最長為20-30分鐘，后接短時缺氧階段）的循環配置能有效減少氧化亞氮排放，且不影響硝化性能或增加電力消耗。這是首次在全規模條件下識別出成功的氧化亞氮減排操作策略的研究。

 

研究目的

研究目的是評估全規模序批式反應器中不同操作循環配置對氧化亞氮排放和碳足跡的影響，并識別有效的減排方法。氧化亞氮是一種強效溫室氣體，對全球變暖有重要貢獻，而污水處理過程是其重要人為來源。通過在線監測和碳足跡計算，研究旨在找到能最小化氧化亞氮排放和整體碳足跡的操作策略，為污水處理廠的優化運行提供依據。

 

研究思路

研究思路是在一個全規模市政污水處理廠的兩個序批式反應器上連續監測氧化亞氮排放33天，共143個循環。使用商業氣體收集罩和氣體分析儀進行在線氣體監測，同時采用丹麥Unisense的氧化亞氮微傳感器測量溶解氧化亞氮濃度。測試三種不同的循環配置（A、B和C型），這些配置在曝氣和缺氧階段的時長和序列上有所不同。收集進水出水水質數據（如COD、NH4+、NO2-、NO3-）、溶解氧、溫度等參數，并記錄電廠電力消耗。基于監測數據計算氧化亞氮排放因子和碳足跡（包括直接氧化亞氮排放和間接電力消耗相關的二氧化碳排放）。通過比較不同循環配置下的排放性能和碳足跡，評估間歇曝氣策略的有效性，并實施一個實驗性循環配置（D型）進行驗證。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了不同循環配置（A、B、C型）下的氧化亞氮排放速率、溶解氧化亞氮濃度、銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度和溶解氧的時序剖面，該數據來自圖3。研究意義在于揭示氧化亞氮排放的動態模式，顯示排放主要發生在曝氣階段，并與溶解氧化亞氮積累相關，表明瞬時的缺氧/好氧條件轉換和亞硝酸鹽積累可能觸發氧化亞氮產生途徑，為理解排放機制提供實證。

 

2 測量了各循環配置下的平均氧化亞氮排放因子（以每千克進水NH4-N負荷或消耗NH4-N的克數表示），該數據來自圖4。研究意義在于量化不同操作模式的排放水平，顯示A型循環排放最低（約3克N2O-N/kg NH4-N負荷），而B和C型循環排放較高（約39-46克N2O-N/kg NH4-N負荷），凸顯循環配置對排放量的顯著影響。

 

3 測量了污水處理廠的電力消耗和由此計算的間接二氧化碳排放當量，以及氧化亞氮排放的直接二氧化碳當量，從而得出總碳足跡，該數據來自圖5。研究意義在于評估氧化亞氮排放對整體碳足跡的貢獻（平均占60.6%），遠高于電力消耗的貢獻（39.3%），強調控制氧化亞氮排放對減少污水處理廠碳足跡的關鍵作用。

 

4 測量了實驗性D型循環配置下的氧化亞氮排放剖面和營養鹽濃度，該數據來自圖6。研究意義在于驗證間歇曝氣策略的有效性，顯示D型循環（短曝氣脈沖）能維持低排放因子（7.83±2.5克N2O-N/kg NH4-N負荷），類似A型循環，證實短曝氣階段結構而非總曝氣時長是減排主因。

 

5 測量了各循環配置下的進水銨負荷和消耗量，該數據來自圖7。研究意義在于確保不同配置下的氮負荷可比性，顯示所有循環的銨負荷相似（20-25 kg NH4-N/循環），排除負荷差異對排放影響的混淆，強化循環配置本身是排放變化的主導因素。

 

6 測量了進水出水水質參數如COD、總氮、銨氮、總磷等，以及混合液懸浮固體濃度，該數據來自表1。研究意義在于確認污水處理廠的整體性能（COD和總氮去除率超89%），提供背景數據確保排放結果的可比性和可靠性，支撐循環配置比較的合理性。

 

 

結論

1 全規模序批式反應器的氧化亞氮排放高于其他配置的污水處理系統，平均排放因子為進水NH4-N負荷的6.8%，可能由于瞬時銨、亞硝酸鹽濃度變化和缺氧/好氧條件轉換激活了氧化亞氮產生途徑。

2 氧化亞氮排放是污水處理廠碳足跡的主要貢獻者，平均占總碳足跡的60%以上，遠高于電力消耗的貢獻，凸顯其環境重要性。

3 通過實施間歇曝氣循環配置（如A型和D型），可有效減少氧化亞氮排放，而不影響硝化性能或增加電力消耗，證實操作策略是可行的減排手段。

4 曝氣模式（短曝氣脈沖）是控制氧化亞氮排放的關鍵因素，而非總曝氣時長，這為全規模污水處理廠優化運行提供了具體指導。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧化亞氮微傳感器測量溶解氧化亞氮數據在本研究中具有關鍵的機理解析和實時監測意義。該微傳感器能夠以高時間分辨率直接測量生物反應器混合液中的溶解氧化亞氮濃度，提供傳統氣體排放監測無法獲得的內部動態信息。通過實時記錄溶解氧化亞氮的時序變化（如圖3A.2、B.2、C.2所示），研究揭示了氧化亞氮在曝氣停止后繼續積累的現象，表明氧化亞氮在缺氧條件下仍持續產生，這可能源于硝化菌反硝化途徑或異養反硝化作用。這些數據幫助識別了氧化亞氮的產生不僅限于曝氣階段，而是貫穿循環多個階段，深化了對全規模系統中氧化亞氮產生機制的理解。此外，溶解氧化亞氮濃度與排放速率的耦合分析（如圖3）證實了氧化亞氮排放主要源于液相積累氣體的吹脫，強調了質量傳輸過程的重要性。微傳感器的應用使得研究能夠捕捉到短暫的操作轉換（如缺氧/好氧過渡）對氧化亞氮產生的瞬時影響，為間歇曝氣策略的減排效果提供了直接證據。總之，Unisense電極的高精度測量為優化操作參數、減少氧化亞氮排放提供了實證基礎，推動了污水處理過程的環境可持續性。