N2O emission in partial nitritation-anammox process

部分亞硝化-厭氧氨氧化過(guò)程中的N2O排放

來(lái)源：Chinese Chemical Letters, Volume 31, 2020, Pages 28-38

《中國(guó)化學(xué)快報(bào)》，第31卷，2020年，頁(yè)碼28-38

 

摘要

摘要指出N2O是一種重要的溫室氣體，部分亞硝化-厭氧氨氧化（PNA）過(guò)程排放的N2O高于傳統(tǒng)氮去除過(guò)程。N2O在PNA中主要通過(guò)三個(gè)途徑產(chǎn)生：氨氧化細(xì)菌（AOB）反硝化、羥胺（NH2OH）氧化和異養(yǎng)反硝化菌反硝化。N2O排放數(shù)據(jù)因操作條件、生物反應(yīng)器配置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和定量方法不同而差異顯著。在PNA常見(jiàn)操作參數(shù)范圍內(nèi)，相對(duì)低溶解氧（DO）、低無(wú)機(jī)碳（IC）、高pH或低亞硝酸鹽濃度下，NH2OH氧化途徑主導(dǎo)N2O排放；而相對(duì)高DO、高IC、低pH或高亞硝酸鹽濃度下，AOB反硝化途徑主導(dǎo)。微生物群落分析顯示，AOB在部分亞硝化過(guò)程中高度富集，Nitrosomonadales目是主要N2O生產(chǎn)者；厭氧氨氧化過(guò)程中存在厭氧氨氧化菌、AOB和一定異養(yǎng)反硝化菌，Denitratisoma屬和顆粒深層異養(yǎng)反硝化菌是主要N2O生成菌。單段PNA反應(yīng)器中微生物群落與雙段類似，需進(jìn)一步研究N2O排放途徑與微生物群落的關(guān)系。

 

研究目的

研究目的是回顧PNA過(guò)程中N2O排放機(jī)制，比較不同規(guī)模PNA過(guò)程的N2O排放數(shù)據(jù)，深入討論DO、pH、IC/堿度/IC氮比、溫度和亞硝酸鹽濃度等關(guān)鍵影響因素，介紹N2O采樣和分析技術(shù)，分析PNA中與N2O排放相關(guān)的微生物群落，并提出N2O排放控制展望。

 

研究思路

研究思路是采用綜述方法，系統(tǒng)梳理現(xiàn)有文獻(xiàn)，首先闡述N2O在PNA中的生產(chǎn)機(jī)制，然后比較不同規(guī)模PNA過(guò)程的N2O排放數(shù)據(jù)，接著詳細(xì)討論影響因素如DO、pH、IC、溫度和亞硝酸鹽濃度的作用，再介紹氣體相、液相和污泥顆粒中N2O的測(cè)量技術(shù)，包括離線和在線方法，并分析部分亞硝化、厭氧氨氧化和單段PNA反應(yīng)器中的微生物群落特征，最后提出未來(lái)研究方向。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. N2O排放數(shù)據(jù)：論文總結(jié)了不同規(guī)模PNA過(guò)程的N2O排放百分比，如全規(guī)模廠為0.35%-6.60%氮負(fù)荷，中試規(guī)模為0.51%-3.60%，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模為0.08%-4.00%。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Table 1，研究意義是揭示N2O排放變異大，強(qiáng)調(diào)操作條件和測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)化的重要性，以支持排放評(píng)估和機(jī)制研究。

 

2. N2O生產(chǎn)途徑數(shù)據(jù)：通過(guò)機(jī)制圖展示N2O在PNA中的三個(gè)主要生成途徑，包括AOB反硝化、NH2OH氧化和異養(yǎng)反硝化。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.1，研究意義是幫助理解N2O生成的多路徑性，為控制策略提供理論依據(jù)，例如在特定條件下優(yōu)化途徑以減少排放。

 

3. 影響因素?cái)?shù)據(jù)：論文分析了DO、pH、IC、溫度和亞硝酸鹽濃度對(duì)N2O排放的影響，例如DO增加可能抑制NH2OH氧化途徑但促進(jìn)AOB反硝化。這些數(shù)據(jù)分散在文本中，部分參考Fig.1和相關(guān)描述，研究意義是識(shí)別關(guān)鍵操作參數(shù)，指導(dǎo)實(shí)踐優(yōu)化以減少N2O排放，如通過(guò)控制DO和pH來(lái)最小化排放。

4. 微生物群落數(shù)據(jù)：使用熒光原位雜交（FISH）等技術(shù)顯示部分亞硝化顆粒中AOB富集、NOB稀少，厭氧氨氧化顆粒中以Candidatus Brocadia為主。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.5，研究意義是揭示微生物結(jié)構(gòu)與N2O排放的關(guān)聯(lián)，支持靶向微生物管理以控制排放。

 

5. N2O測(cè)量技術(shù)數(shù)據(jù)：介紹了氣相和液相N2O的采樣分析方法，如氣相色譜、紅外分析儀和微電極。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.2、Fig.3和Fig.4，研究意義是評(píng)估不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，推動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量以改善排放量化。

 

 

 

結(jié)論

1. PNA過(guò)程排放較高N2O，主要通過(guò)AOB反硝化、NH2OH氧化和異養(yǎng)反硝化途徑產(chǎn)生，排放數(shù)據(jù)變異大，需標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量方法。

2. 影響因素如DO、pH、IC、溫度和亞硝酸鹽濃度顯著影響N2O排放途徑和量，例如低DO和高亞硝酸鹽促進(jìn)AOB反硝化。

3. 微生物群落分析顯示AOB在部分亞硝化中主導(dǎo)，厭氧氨氧化菌在PNA中占大比例，微生物分層分布與N2O排放相關(guān)。

4. 未來(lái)需進(jìn)一步闡明N2O生成途徑，優(yōu)化操作參數(shù)以減少排放，并加強(qiáng)微生物群落與排放關(guān)系的研究。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高空間分辨率能力，能夠原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污泥顆粒或生物膜中的N2O濃度分布。例如，微電極可測(cè)量顆粒內(nèi)部不同深度的N2O剖面，結(jié)合FISH技術(shù)揭示N2O主要在好氧層生成，從而幫助理解N2O的生成、遷移和轉(zhuǎn)化機(jī)制。這種測(cè)量方法支持定性分析N2O排放熱點(diǎn)，為優(yōu)化PNA過(guò)程參數(shù)（如DO控制）提供依據(jù)，減少排放。此外，微電極技術(shù)克服了傳統(tǒng)方法無(wú)法探測(cè)顆粒內(nèi)部的問(wèn)題，增強(qiáng)了N2O排放研究的準(zhǔn)確性和深度，對(duì)實(shí)際廢水處理中的溫室氣體控制具有重要應(yīng)用價(jià)值。