Mitigation of N2O emissions via enhanced denitrification in a biological landfill leachate treatment using external carbon from fermented sludge  

利用發酵污泥外加碳源強化生物垃圾滲濾液處理反硝化過程減少N2O排放  

來源：Chemosphere, Volume 325, 2023, Article 139114

《Chemosphere》2023年第325卷，文章編號139114  

 

摘要內容

 

研究通過熱厭氧發酵污水污泥產生碳源（SF），用于強化垃圾滲濾液（LL）生物處理的反硝化過程，以降低N2O排放。在1.5天污泥停留時間（SRT）和40.48 g COD/L·d有機負荷率（OLR）下，SF的水解效率達14.68%，sCOD濃度14.42 g/L，VFAs濃度7.85 g COD/L。微生物分析顯示發酵過程以蛋白水解菌（如Coprothermobacter）為主。添加SF后，反硝化速率（KNR）達7.54 mg NO3-N/g VSS·h，比甲醇高2.43倍。N2O排放測試表明，SF使液相N2O還原速率（KN2O）達6.70 mg N/g VSS·h，N2O氣體排放量比僅用LL降低1.72倍。  

 

研究目的

探究污泥熱厭氧發酵產碳源的性能優化（OLR影響）。  

 

解析發酵過程微生物群落結構與功能。  

 

驗證發酵碳源（SF）對垃圾滲濾液反硝化及N2O減排的效果。  

 

研究思路

污泥發酵優化：  

 

分三階段（OLR: 14.48→40.48→57.96 g COD/L·d）運行熱厭氧發酵反應器，評估水解效率、sCOD和VFAs產量（圖1）。  

 

微生物分析：  

 

高通量測序比較發酵前后污泥菌群變化，識別關鍵功能菌屬（圖2）。  

 

反硝化與N2O減排驗證：  

 

對比SF、甲醇（MeOH）及純LL對反硝化速率的影響（圖3a）。  

 

 

通過液相N2O濃度動態監測（Unisense電極）和氣體N2O分析，量化SF對N2O還原的貢獻（圖3c）。  

 

測量數據及研究意義

發酵性能數據（圖1，表2）  

 

 

數據：OLR=40.48 g COD/L·d時，水解效率14.68%，VFAs占比54%（7.85 g COD/L）。  

 

意義：確定最佳發酵條件（SRT=1.5天），為后續反硝化提供高效碳源。  

微生物數據（圖2）  

 

數據：發酵后Firmicutes（21.98%）、Coprothermobacter（16.90%）顯著富集；Paludibacter在原料污泥中占優（p<0.05）。  

 

意義：揭示蛋白水解菌主導發酵過程，解釋VFAs高產機制。  

反硝化與N2O數據（圖3）  

 

數據：SF的KNR（7.54 mg N/g VSS·h）為甲醇的2.43倍；添加SF后KN2O達6.70 mg N/g VSS·h，N2O氣體排放降低1.72倍（19.64→11.39 ppmv）。  

 

意義：證實SF通過提升反硝化速率和N2O還原能力，有效減少溫室氣體排放。  

 

結論

發酵優化：SRT=1.5天、OLR=40.48 g COD/L·d時，污泥發酵產VFAs效率最高（占sCOD 54%）。  

 

微生物機制：Coprothermobacter等蛋白水解菌驅動污泥水解酸化，促進VFAs生成。  

 

減排效果：SF作為碳源使反硝化速率比甲醇提高143%，N2O排放降低72%，為垃圾滲濾液處理提供低成本減排策略。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense N2O微傳感器實時監測液相N2O濃度（圖3c），其核心價值在于：  

高精度動態解析：  

 

直接捕捉N2O(l)的瞬時變化（如LL+SF條件下1.5小時內N2O從20.15降至2.5 mg N/L），揭示SF對N2O還原的快速啟動能力。  

避免氣相干擾：  

 

在無頂空間反應器中（防止N2O逸出），微電極原位測量液相濃度，準確區分生物還原與物理吹脫貢獻，證實SF促進生物還原主導N2O減排（87.94%逸出→11.39 ppmv）。  

量化還原動力學：  

 

結合KN2O計算（6.70 mg N/g VSS·h），明確SF提升N2O還原酶活性的效率，為"碳源調控減排"提供直接證據。  

工藝優化依據：  

 

實時數據驗證復雜碳源（VFAs混合物）比單一碳源（甲醇）更利于激發N2O還原潛力，指導工程應用中選擇發酵液替代商業碳源。