熱線：021-66110810,66110819
手機(jī)：13564362870
Unwanted mainstream nitritation-denitritation causing massive N2O emissions in a continuous activated sludge process
不需要的主流硝化-反硝化在連續(xù)活性污泥工藝中導(dǎo)致大量 N2O 排放
來(lái)源：Water Science & Technology | 83.9 | 2021
一、摘要概述
本研究揭示了常規(guī)活性污泥工藝中自發(fā)形成的亞硝化-反亞硝化（nitritation-denitritation）路徑導(dǎo)致 N?O排放量激增 的現(xiàn)象：
核心發(fā)現(xiàn)：芬蘭Viikinm?ki污水廠多條活性污泥（AS）工藝線中，亞硝酸鹽（NO??）濃度異常累積（占NO?-N比例高達(dá)80%），觸發(fā)長(zhǎng)期穩(wěn)定的亞硝化-反亞硝化路徑，導(dǎo)致 N?O排放量達(dá)進(jìn)水氮負(fù)荷的20%（圖1）。
機(jī)制解析：NO??積累通過(guò)自由亞硝酸（FNA）抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB），形成自持循環(huán)（圖5），而工藝控制參數(shù)（DO、pH）未顯示直接關(guān)聯(lián)（圖6）。
技術(shù)亮點(diǎn)：首次通過(guò)長(zhǎng)期全廠尺度監(jiān)測(cè)（2013–2020）捕捉自發(fā)亞硝化事件，證明常規(guī)工藝亦存在高N?O排放風(fēng)險(xiǎn)。
二、研究目的
現(xiàn)象解析：探究常規(guī)AS工藝中自發(fā)亞硝化-反亞硝化的成因及穩(wěn)定性機(jī)制（引言）。
排放量化：明確NO??積累與N?O排放的定量關(guān)系（圖2）。
監(jiān)測(cè)策略：驗(yàn)證N?O在線監(jiān)測(cè)對(duì)工藝異常的預(yù)警價(jià)值（結(jié)論）。
三、研究思路
采用 長(zhǎng)期全尺度監(jiān)測(cè)+事件分析 策略：
1. 監(jiān)測(cè)框架
氣體排放：FT-IR連續(xù)監(jiān)測(cè)全廠排氣總管N?O（2013–2020）（圖1）。
水質(zhì)參數(shù)：在線傳感器（NH??、NO??、DO、pH）與實(shí)驗(yàn)室分析（NO??、堿度）結(jié)合（表2）。
液相N?O：丹麥Unisense電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)AS工藝線5和9（2016–2019）（圖3）。
2. 事件聚焦
2016年事件：?jiǎn)螚l工藝線（Line 1）NO??積累持續(xù)3個(gè)月，N?O排放小幅上升（圖5b）。
2019年事件：7/9工藝線NO??積累（NO??/NO??=58–70%），N?O排放峰值 5,540 kg/d（圖2a），占氮負(fù)荷20%（圖4）。
3. 因果分析
限制因子排查：對(duì)比DO（>2.5 mg/L）、pH（6.0–6.3）、溫度（10–20°C）等參數(shù)，排除低氧/堿度主導(dǎo)（圖6）。
自持機(jī)制驗(yàn)證：NO??積累（4–6 mg/L）產(chǎn)生FNA抑制NOB，形成正反饋循環(huán)（討論）。
四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義
1. N?O排放與NO??定量關(guān)系（圖2）
數(shù)據(jù)來(lái)源：FT-IR排氣監(jiān)測(cè)與AS出水NO??濃度（2017–2020）。
結(jié)果：
N?O排放<500 kg/d時(shí)，與NO??相關(guān)性顯著（R2=0.78）；
峰值排放（>500 kg/d）與NO??濃度直接相關(guān)（R2=0.92）。
意義：首次建立常規(guī)工藝中NO??對(duì)N?O排放的劑量效應(yīng)，推翻“常規(guī)工藝排放低”的固有認(rèn)知。
2. 工藝線差異響應(yīng)（圖3, 5）
數(shù)據(jù)來(lái)源：Unisense電極（液相N?O）與在線NO??監(jiān)測(cè)（工藝線5,9）。
結(jié)果：
2019年事件中，Line 9液相N?O峰值持續(xù)3個(gè)月（圖3），氨氮去除率>95%（圖5a）；
Line 4/5未出現(xiàn)NO??積累，N?O排放未升高。
意義：揭示工藝線間微生物群落或水力條件的微小差異可導(dǎo)致排放懸殊，強(qiáng)調(diào)全廠多點(diǎn)監(jiān)測(cè)必要性。
3. 氮平衡與排放貢獻(xiàn)（圖4）
數(shù)據(jù)來(lái)源：實(shí)驗(yàn)室氮形態(tài)分析（2019年采樣日）。
結(jié)果：峰值日N?O排放占氮負(fù)荷20%，其中氣相排放貢獻(xiàn)>90%（圖4）。
意義：量化N?O排放對(duì)碳足跡的絕對(duì)主導(dǎo)（60%），警示“節(jié)能工藝”可能伴隨更高溫室代價(jià)。
4. 工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)性（圖6）
數(shù)據(jù)來(lái)源：在線DO、pH、溫度與NO??同步監(jiān)測(cè)。
結(jié)果：DO>2.5 mg/L、pH 6.0–6.3時(shí)仍發(fā)生NO??積累，與參數(shù)突變無(wú)直接關(guān)聯(lián)（圖6c,d）。
意義：否定傳統(tǒng)控制因子（低DO/pH）的主導(dǎo)性，指向微生物群落動(dòng)態(tài)或未知抑制物。
五、結(jié)論
自發(fā)亞硝化風(fēng)險(xiǎn)：常規(guī)AS工藝可自發(fā)形成穩(wěn)定亞硝化-反亞硝化路徑，NO??積累持續(xù)3個(gè)月以上。
排放極值：N?O排放峰值達(dá)氮負(fù)荷20%（5,540 kg/d），為全球污水廠報(bào)道最高值之一。
監(jiān)測(cè)優(yōu)先性：
NO??濃度是N?O排放的早期指標(biāo)（圖2d）；
氣相N?O在線監(jiān)測(cè)（FT-IR）不可替代；
Unisense電極可定位高排放工藝線（圖3）。
控制策略：限制曝氣體積（67%→50%）可緩解NO??積累，但需平衡氨氮去除（結(jié)果章節(jié)）。
六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀
1. 技術(shù)原理與部署
原位監(jiān)測(cè)：N?O-500微傳感器直接浸入AS末段曝氣區(qū)，實(shí)時(shí)檢測(cè)溶解N?O（0.01–500 μM）（表2）。
雙線布設(shè)：工藝線5（2018起）和9（2016起）各設(shè)2個(gè)探頭，對(duì)比排放差異（圖3）。
2. 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義
瞬態(tài)峰值捕捉（圖3）：
2019年4月Line 9溶解N?O濃度飆升至 >400 μM（背景值<10 μM），早于氣相排放峰值24小時(shí)。
意義：提供工藝異常的超早期預(yù)警（較FT-IR提前1天）。
工藝線對(duì)比機(jī)制：
Line 9持續(xù)高N?O（3個(gè)月） vs Line 5短暫波動(dòng)，揭示污泥回流或微生物群落差異的主導(dǎo)性（圖3）。
意義：定位高排放源，指導(dǎo)靶向調(diào)控（如Line 9優(yōu)先接種硝化菌）。
氣提效應(yīng)量化：
曝氣期間N?O排放速率較混合期高3倍（通過(guò)K值計(jì)算），證實(shí)氣提是主要排放途徑（方法2.4.2）。
意義：支持通過(guò)曝氣優(yōu)化（如降低氣量/增加間歇）直接減排。
3. 研究?jī)r(jià)值
全尺度驗(yàn)證：首次在百萬(wàn)噸級(jí)污水廠驗(yàn)證Unisense電極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（>3年連續(xù)運(yùn)行）。
機(jī)制關(guān)聯(lián)橋梁：溶解N?O濃度與NO??積累同步變化（圖3），直接證明亞硝化路徑的N?O貢獻(xiàn)。
工程指導(dǎo)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)曝氣策略調(diào)整（如2019年8月Line 9排放回落對(duì)應(yīng)參數(shù)優(yōu)化）。
總結(jié)
本研究通過(guò)Unisense電極實(shí)現(xiàn)高分辨率N?O監(jiān)測(cè)，揭示常規(guī)活性污泥工藝中自發(fā)亞硝化的巨大排放風(fēng)險(xiǎn)。NO??濃度>4 mg/L時(shí)，N?O排放因子可達(dá)20%，且不受DO/pH常規(guī)參數(shù)調(diào)控。該電極的價(jià)值在于：
預(yù)警功能：溶解N?O峰值超前氣相排放24小時(shí)；
源解析：精準(zhǔn)定位高排放工藝線；
機(jī)制驗(yàn)證：量化氣提效應(yīng)與亞硝化路徑的關(guān)聯(lián)。
建議污水廠將NO??與液相N?O納入常規(guī)監(jiān)測(cè)，以規(guī)避“隱形”碳足跡風(fēng)險(xiǎn)。