研究簡(jiǎn)介:本研究對(duì)廢水生物脫氮過(guò)程中強(qiáng)溫室氣體N?O的排放機(jī)制差異進(jìn)行了研究。N?O是一種重要的溫室氣體，其全球變暖效應(yīng)在100年尺度上是CO?的265倍、CH?的9.5倍，還可能破壞臭氧層、引發(fā)酸雨。廢物處理（包括垃圾填埋和污水處理）是N?O的重要人為排放源，且排放量逐漸增加，污水處理中的N?O主要來(lái)自生物脫氮過(guò)程。N?O的全球增溫潛勢(shì)是CO?的265倍，且會(huì)破壞臭氧層，而污水處理廠是其重要人為來(lái)源。以往研究多直接以活性污泥混合物為對(duì)象測(cè)定N?O排放速率，忽略了微生物內(nèi)源反硝化對(duì)N?O的消耗，可能高估實(shí)際排放量。為厘清物理傳質(zhì)與生化反應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)，研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)平行批式實(shí)驗(yàn)，以蒸餾水與活性污泥混合物為對(duì)照，并利用Unisense氧化亞氮微電極在線監(jiān)測(cè)六組不同初始N?O濃度下溶解N?O的動(dòng)態(tài)變化，并通過(guò)指數(shù)擬合求得總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)KLa。結(jié)果顯示：蒸餾水中KLa穩(wěn)定于0.01 min?1，排放過(guò)程僅受物理傳質(zhì)控制；活性污泥中KLa隨初始N?O濃度升高由0.008增至0.014 min?1，表明微生物利用胞內(nèi)儲(chǔ)存物進(jìn)行內(nèi)源反硝化，額外消耗N?O。高濃度區(qū)（>15 mg N/L）兩者排放速率差值恒定為0.53 mg N L?1min?1，可直接量化為污泥的N?O還原速率。研究建議，在后續(xù)建立N?O排放模型或核算污水廠溫室氣體清單時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用蒸餾水體系測(cè)定KLa，以排除生化反應(yīng)的干擾，從而提高計(jì)算精度。

Unisense氧化亞氮微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極用于監(jiān)測(cè)液體中溶解態(tài)氧化亞氮N?O的濃度。實(shí)驗(yàn)在六個(gè)相同的500mL未密封燒杯中進(jìn)行，分為兩組，組I加入400mL蒸餾水，組II加入取自西安某城市污水處理廠并經(jīng)培養(yǎng)的400mL活性污泥混合物。向兩組燒杯中分別注入不同體積的壓縮N?O氣體，使N?O充分溶解在溶液中。使用Unisense微電極對(duì)液體中溶解態(tài)N?O濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。該微電極的測(cè)量間隔為10s，測(cè)量范圍是0.1-500μM，測(cè)量誤差小于2%。測(cè)量時(shí)，微電極將檢測(cè)到的電壓通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算，從而獲得溶解態(tài)N?O的濃度。在固定攪拌速度、非曝氣且室溫（16.2-18.2°C）的條件下，讓溶解態(tài)N?O從燒杯中不斷逸出。通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄在線探針測(cè)量的N?O濃度每秒的下降值，直至反應(yīng)器中溶解態(tài)N?O濃度下降接近零或不再變化。所得曲線代表N?O濃度隨時(shí)間的變化，將該曲線與相關(guān)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，進(jìn)而得到N?O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)，用于后續(xù)計(jì)算N?O排放速率等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，蒸餾水中N?O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，約為0.01/min，不受初始N?O濃度的影響。這表明在蒸餾水中，N2O的排放速率僅與實(shí)時(shí)溶解態(tài)N?O濃度相關(guān)。相比之下，活性污泥混合物中N?O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)隨初始N2O濃度的增加而增大，范圍為0.008–0.014/min。這一現(xiàn)象歸因于活性污泥中微生物的內(nèi)源反硝化作用，即微生物利用胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚合物作為電子供體，將N2O還原為N2，從而加速了N?O的消耗。當(dāng)初始N?O濃度高于15 mg N/L時(shí)，活性污泥混合物與蒸餾水之間的N?O排放速率差異趨于穩(wěn)定，約為0.53 mg N/L·min，這可視為微生物內(nèi)源反硝化的反應(yīng)速率。由于活性污泥混合物中的N?O排放過(guò)程受到微生物生化反應(yīng)的顯著影響，其總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)不能真實(shí)反映N2O的傳質(zhì)過(guò)程，因此不適用于計(jì)算N?O的排放速率和總量。相反，蒸餾水體系中的N?O排放特性更為穩(wěn)定，建議在開(kāi)放系統(tǒng)中使用蒸餾水來(lái)測(cè)定N?O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)，以提高對(duì)污水處理過(guò)程中N2O排放機(jī)制的理解和估算精度。

圖1、反應(yīng)裝置示意圖。圖中展示了實(shí)驗(yàn)所用的六聯(lián)攪拌器（JJ-4A）和六個(gè)相同的敞口燒杯（500 mL），用于進(jìn)行N2O排放實(shí)驗(yàn)。燒杯中分別加入蒸餾水或活性污泥混合物，并注入不同體積的壓縮N2O氣體，通過(guò)攪拌使N2O充分溶解并持續(xù)逸出。

圖2、不同初始N?O濃度下蒸餾水中N2O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)。六個(gè)燒杯（1#至6#）在不同初始N2O濃度下，蒸餾水中N2O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)（KLa）。結(jié)果顯示，KLa在不同初始濃度下相對(duì)穩(wěn)定，約為0.01/min。

圖3、不同初始N?O濃度下蒸餾水中的N2O排放持續(xù)時(shí)間。從圖中可以看出，不同初始N2O濃度下，蒸餾水中N2O排放至濃度降至0.1 mg N/L所需的時(shí)間。結(jié)果顯示，隨著初始N2O濃度的增加，排放持續(xù)時(shí)間先增加后減少。

圖4、不同初始N?O濃度下活性污泥混合物中N2O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)。從圖中可以獲得六個(gè)燒杯（1#至6#）在不同初始N2O濃度下，活性污泥混合物中N2O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)（KLa）。隨著初始N2O濃度的增加，KLa從0.008/min增加到0.014/min。

圖5、不同初始N?O濃度下活性污泥混合物中的N2O排放持續(xù)時(shí)間。圖中顯示了不同初始N?O濃度下，活性污泥混合物中N2O排放至濃度降至0.1 mg N/L所需的時(shí)間。結(jié)果顯示，隨著初始N?O濃度的增加，排放持續(xù)時(shí)間呈線性減少。

結(jié)論與展望

為了探究蒸餾水和活性污泥混合物中溶解態(tài)氧化亞氮（N?O）的排放特性，研究人員通過(guò)批量實(shí)驗(yàn)測(cè)定了N2O在蒸餾水和活性污泥混合物中的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)。結(jié)果表明，N?O在蒸餾水和活性污泥混合物中的排放過(guò)程存在差異。在不同初始N2O濃度下，蒸餾水中N?O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，而活性污泥混合物中N?O的總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)則隨著初始N?O濃度的升高而增大，這是由于混合物中的微生物進(jìn)行內(nèi)源反硝化作用所致。Unisense微電極作為核心監(jiān)測(cè)工具，為本研究提供了高頻率、高精度的溶解N2O濃度數(shù)據(jù)，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)算KLa和N?O排放速率的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)源。由于活性污泥中的異養(yǎng)細(xì)菌會(huì)對(duì)N?O進(jìn)行還原和消耗，因此N?O從混合物向大氣中逸出的傳質(zhì)過(guò)程涉及生化反應(yīng)。因此在計(jì)算生物脫氮過(guò)程中N?O排放速率的實(shí)驗(yàn)中，建議采用蒸餾水來(lái)測(cè)定總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)。