Effects of aeration and internal recycle flow on nitrous oxide emissions from a modified Ludzak-Ettinger process fed with glycerol

曝氣速率和內部回流比對以甘油為碳源的改良型Ludzak-Ettinger過程一氧化二氮排放的影響

來源：Environmental Science and Pollution Research, 2015, Volume 22, Pages 19562-19570

《環境科學與污染研究》，2015年，第22卷，19562-19570頁

 

摘要

摘要闡述了研究曝氣速率和內部回流比對以甘油為碳源的改良型Ludzak-Ettinger過程中一氧化二氮排放的影響。結果表明，降低曝氣速率從1.5到0.5 L/min使好氧罐的氣體N2O濃度和缺氧罐的溶解N2O濃度分別增加54.4%和53.4%。在高曝氣期間，N2O-N轉換比為0.9%，潛在的N2O還原菌主要是Rhodobacter，占總數21.8%。增加內部回流比從3.6到7.2使好氧罐的N2O排放速率和缺氧罐的溶解N2O濃度分別減少56%和48%。研究提出了MLE系統的有效N2O減排策略。

 

研究目的

研究目的是調查曝氣速率和內部回流比對改良型Ludzak-Ettinger過程中N2O排放的影響，特別關注甘油作為碳源時的效果，以找到減少N2O排放的操作策略，并理解微生物群落的作用。

 

研究思路

研究思路包括構建實驗室規模的MLE系統，使用甘油作為唯一碳源，在穩定運行后調整曝氣速率（高1.5 L/min和低0.5 L/min）和內部回流比（如3.6、7.2、1.0）。通過測量水質參數（如DOC、DTN、氮化合物濃度）、N2O濃度（使用氣體色譜和微電極）、微生物群落結構（基于16S rRNA基因測序）和功能基因轉錄水平（如nosZ），分析這些參數對N2O排放的影響，并統計評估數據相關性。

 

測量的數據及研究意義

1 水質參數數據，如DOC和DTN去除效率，來自圖1。研究意義是評估系統性能，顯示在高和低曝氣期間DOC和DTN去除效率均高于90%，表明甘油作為碳源能有效支持氮去除，為N2O排放分析提供基礎。

 

2 N2O濃度數據，包括好氧罐氣體N2O濃度和缺氧罐溶解N2O濃度，來自圖2。研究意義是直接量化N2O排放水平，顯示低曝氣增加N2O濃度，揭示曝氣速率對排放的負面影響，指導操作優化。

 

3 N2O排放速率時間過程數據，來自圖3。研究意義是跟蹤N2O動態變化，表明低曝氣期間排放速率更高，關聯到過程穩定性，支持時間序列分析。

 

4 內部回流比影響數據，如N2O排放速率和溶解N2O濃度在不同IRF下的變化，來自圖4。研究意義是證明高IRF比減少N2O排放，表明回流比調控能促進N2O還原，為工程參數設置提供依據。

 

5 功能基因豐度數據，如nosZ與nirK+nirS的比值，來自圖5。研究意義是鏈接微生物功能與N2O消耗，顯示高基因豐度比對應低排放，揭示生物機制在減排中的作用。

 

6 微生物群落結構數據，如Rhodobacter相對豐度，來自圖6。研究意義是識別關鍵N2O還原菌，顯示Rhodobacter在高曝氣期間占主導，解釋群落動態對排放的影響。

 

7 mRNA轉錄水平數據，如nosZ基因轉錄在不同IRF下的變化，來自圖7。研究意義是評估N2O還原活性，顯示高IRF增加轉錄水平，證實操作參數對微生物代謝的調控。

 

 

結論

1 降低曝氣速率增加N2O排放，但高曝氣期間富集Rhodobacter等N2O還原菌，有助于減排。

2 增加內部回流比減少N2O排放，通過促進缺氧罐的N2O還原活性實現。

3 甘油作為碳源在MLE過程中能維持高氮去除效率，同時通過優化曝氣和回流比可有效減少N2O排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量溶解N2O數據的研究意義在于，它提供了高精度的原位監測能力，能夠實時量化缺氧罐中的溶解N2O濃度，從而準確反映N2O的生產和積累動態。在本文中，電極數據（來自圖2和圖4）直接顯示了溶解N2O濃度隨曝氣速率和內部回流比的變化，例如低曝氣時濃度增加53.4%，而高回流比時濃度減少48%。這種測量避免了傳統采樣方法的延遲和誤差，有助于識別N2O排放熱點和機制，如反硝化過程中的不完全還原。通過精確數據，電極測量支持了操作參數優化，驗證了微生物群落（如Rhodobacter）對N2O還原的貢獻，為廢水處理廠的溫室氣體減排提供了可靠工具和決策依據。