Effect of anoxic to aerobic duration ratios on nitrogen removal and nitrous oxide emission in the multiple anoxic/aerobic process  

缺氧與好氧持續(xù)時間比率對多重缺氧/好氧過程中氮去除和氧化亞氮排放的影響  

來源：Environmental Technology, Volume 40, Issue 13, 2019, Pages 1676-1685

《環(huán)境技術》，第40卷，第13期，2019年，頁碼1676-1685

 

摘要  

摘要指出，研究調查了在多重缺氧/好氧過程中，缺氧與好氧持續(xù)時間比率對氮去除和氧化亞氮（N2O）排放的影響。使用三個序批式反應器（SBRs），具有不同的缺氧持續(xù)時間（50分鐘，SBRH；40分鐘，SBRM；30分鐘，SBRL）和固定的好氧持續(xù)時間30分鐘。最高總無機氮去除率85.8%在SBRH中獲得，最低N2O排放因子1.9%在SBRL中獲得。通過硝化、反硝化和同時硝化反硝化批次實驗，發(fā)現(xiàn)N2O排放受缺氧時間、亞硝酸鹽積累和電子競爭影響。微生物群落分析顯示變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）為優(yōu)勢門，硝化螺旋菌門（Nitrospira）豐度在SBRH中最高。

 

研究目的  

研究目的是評估缺氧與好氧持續(xù)時間比率對多重缺氧/好氧過程中氮去除效率和N2O排放的影響，并揭示N2O排放機制，以優(yōu)化過程操作和減少溫室氣體排放。

 

研究思路  

研究思路是建立三個并行SBR反應器，設置不同缺氧時間（50min、40min、30min）和固定好氧時間（30min），在25°C下運行。使用合成廢水，監(jiān)測氮去除和N2O排放。通過模擬SBR循環(huán)實驗和批次實驗（硝化、反硝化、同時硝化反硝化），測量參數(shù)動態(tài)。使用丹麥Unisense N2O微電極在線監(jiān)測溶解N2O濃度。分析微生物群落結構通過16S rDNA測序。通過數(shù)據分析和統(tǒng)計，評估不同比率下的性能和排放特征。

 

測量的數(shù)據及研究意義  

1 來自圖1的模擬SBR循環(huán)數(shù)據：顯示NH4-N、NO2-N、NO3-N濃度和溶解N2O濃度動態(tài)。研究意義是揭示不同AO比率下氮轉化和N2O排放的時間模式，表明缺氧時間延長促進氮去除但可能增加N2O積累。  

 

2 來自表1的系統(tǒng)性能數(shù)據：顯示effluent NO3-N濃度（SBRH 5.73 mg/L, SBRL 11.04 mg/L）和TIN去除百分比（SBRH 85.8%, SBRL 73.1%）。研究意義是量化不同AO比率下的處理效率，確認較長缺氧時間提高氮去除。  

 

3 來自批次硝化實驗數(shù)據（表2）：顯示N2O排放因子（無亞硝酸鹽添加時0.2%，有添加時SBRH 1.9%、SBRL 2.1%）。研究意義是表明亞硝酸鹽添加增加N2O排放，硝化過程中N2O產生受底物影響。  

 

4 來自批次反硝化實驗數(shù)據（表3）：顯示N2O排放因子（SBRH 20.7% with N2 purging）。研究意義是證明反硝化過程中，尤其是內源碳利用時，N2O排放較高，且N2吹掃促進排放。  

 

5 來自批次同時硝化反硝化實驗數(shù)據（表4）：顯示N2O排放因子（無亞硝酸鹽添加時SBRH 16.1%、SBRL 8.8%，有添加時SBRH 31.3%、SBRL 36.3%）。研究意義是表明同時硝化反硝化是N2O主要排放源，亞硝酸鹽存在顯著增加排放。  

 

6 來自圖2的微生物群落數(shù)據：顯示門水平Proteobacteria（SBRH 33.7%, SBRL 38.9%）和Bacteroidetes（SBRH 39.6%, SBRL 41.0%）豐度，屬水平Nitrospira豐度（SBRH 3.4%, SBRL 1.1%）。研究意義是 linking微生物組成與AO比率，較長缺氧時間富集Nitrospira，可能影響氮轉化。

 

結論  

1 較長缺氧時間（50min/30min）提高總無機氮去除率至85.8%，但可能增加N2O排放風險。  

2 N2O排放受缺氧時間、亞硝酸鹽積累和碳源類型影響，反硝化過程中內源碳利用導致較高排放（達20.7%）。  

3 同時硝化反硝化是N2O主要排放途徑，亞硝酸鹽添加顯著增加排放因子至31.3-36.3%。  

4 微生物群落分析顯示Proteobacteria和Bacteroidetes為優(yōu)勢門，Nitrospira豐度在較長缺氧時間反應器中較高，可能與低DO環(huán)境適應相關。  

5 優(yōu)化AO比率和控制亞硝酸鹽積累可減少N2O排放，同時維持高氮去除效率。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據的研究意義在于其高精度實時監(jiān)測能力，能夠準確量化溶解N2O濃度動態(tài)，響應時間僅10秒。在研究中，電極數(shù)據（來自圖1和批次實驗）直接捕獲了N2O的產生和消耗速率，例如在模擬SBR循環(huán)中顯示N2O濃度峰值在好氧階段增加，在缺氧階段減少。這幫助識別N2O排放的關鍵階段和條件，如好氧階段亞硝酸鹽積累觸發(fā)N2O產生，缺氧階段內源反硝化導致N2O積累。電極數(shù)據還驗證了N2吹掃對N2O排放的促進作用，提供機制見解。研究意義是為N2O排放機制提供實證支持，指導過程控制策略（如調整缺氧時間或曝氣）以減少排放，并增強對微生物代謝途徑的理解。