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Impact of N2O Emissions on Nitritation in Two Sequencing Batch Reactors: Activated Sludge Reactor and Biofilm System
N2O排放對兩種序批式反應器中亞硝化過程的影響：活性污泥反應器和生物膜系統
來源： Environmental Engineering Science, Volume 33, Number 2, 2016
《環境工程科學》，第33卷，第2期，2016年
摘要
摘要闡述了研究比較了活性污泥序批式反應器（ASSBR）和序批式生物膜反應器（SBBR）在處理富銨廢水時亞硝化過程中的N2O排放。結果表明，在穩定運行期間，兩種反應器的銨氮去除效率無顯著差異，亞硝酸鹽積累率均高于85%。但SBBR的總氮去除效率（81.7%±1.5%）高于ASSBR（66.5%±5.7%）。在典型循環中，當進水銨氮濃度為120 mg/L和240 mg/L時，SBBR中亞硝化過程的N2O排放分別占去除總氮的2.3%±0.4%和6.5%±0.9%，分別為ASSBR的1/3至1/2（6.6%±0.6%和14.1%±1.6%）。此外，兩種反應器的N2O產量隨進水銨濃度增加而增加。這些結果有助于進一步理解部分亞硝化系統中的N2O排放。
研究目的
研究目的是評估活性污泥序批式反應器（ASSBR）和序批式生物膜反應器（SBBR）在亞硝化過程中的氮去除性能和N2O排放特性，比較兩種反應器在不同進水銨濃度下的N2O產生量，以深入理解部分亞硝化系統中N2O的排放機制。
研究思路
研究思路包括設置兩個實驗室規模的序批式反應器：ASSBR（工作體積5L）和SBBR（工作體積13L，填充塑料纖維生物膜載體），接種來自污水處理廠的污泥，在12小時循環（包括進水、厭氧反應、好氧/缺氧反應、沉淀和排水階段）下運行。操作條件控制為溫度30°C±2°C，溶解氧（DO）在ASSBR中為0.12-0.23 mg/L，在SBBR中為1.69-1.94 mg/L，進水銨氮濃度設置為120 mg/L和240 mg/L。通過在線監測和采樣測量化學需氧量（COD）、銨氮（NH4-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、總氮（TN）、pH、DO和溶解N2O濃度（使用丹麥Unisense電極），計算氮去除效率和N2O轉換率，并分析典型循環中的動態變化。
測量的數據及研究意義
1 NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN和COD的濃度變化數據，來自圖2和圖3。研究意義是評估反應器的氮去除性能和亞硝化效率，顯示SBBR的TN去除更高，表明生物膜系統具有更好的同步硝化反硝化能力，為優化工藝提供依據。
2 N2O排放濃度和時間曲線數據，來自圖2c1、c2和圖3c1、c2。研究意義是量化亞硝化過程中的溫室氣體排放，揭示N2O產生與亞硝酸鹽積累正相關，幫助識別排放熱點和控制策略。
3 污染物去除效率數據，如COD、NH4-N、TN去除率和亞硝酸鹽積累率（NAR），來自表1。研究意義是比較兩種反應器的整體性能，證實SBBR在高效脫氮的同時減少N2O排放，支持生物膜技術的環境優勢。
4 N2O轉換率數據，即N2O產量占去除總氮的百分比，來自表2。研究意義是量化排放強度，顯示ASSBR的N2O轉換率更高，尤其在高銨負荷下，強調操作參數對減排的重要性。
5 pH、DO和游離氨（FA）濃度數據，來自圖2和圖3。研究意義是關聯環境條件與N2O排放，低DO和高FA促進亞硝化但增加N2O風險，為過程控制提供指導。
結論
1 SBBR的總氮去除效率（81.7%±1.5%）顯著高于ASSBR（66.5%±5.7%），表明生物膜系統在部分亞硝化過程中具有更好的脫氮性能。
2 N2O排放隨進水銨濃度增加而增加，在ASSBR和SBBR中分別從6.6%±0.6%升至14.1%±1.6%和從2.3%±0.4%升至6.5%±0.9%，突出高銨負荷下的排放風險。
3 SBBR的N2O排放量始終低于ASSBR，約為其1/3至1/2，證明生物膜反應器能有效減少亞硝化過程中的溫室氣體排放。
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、原位的實時監測能力，能夠準確量化亞硝化過程中溶解N2O濃度的動態變化。在本研究中，電極數據（來自圖2和圖3）直接捕捉了N2O排放的時間曲線，顯示排放峰值與亞硝酸鹽積累階段一致，從而驗證了亞硝酸鹽是N2O產生的關鍵驅動因子。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產生的具體階段（如好氧期的高排放），并支持計算N2O轉換率（表2），為評估反應器性能和環境impact提供可靠數據。此外，電極數據與DO、pH等參數結合，揭示了低DO條件促進AOB反硝化途徑增加N2O排放的機制，為優化曝氣策略和減少溫室氣體排放提供了實證基礎。