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

利用發(fā)酵污泥外加碳源強(qiáng)化生物垃圾滲濾液處理反硝化過(guò)程減少N2O排放  

來(lái)源：Chemosphere, Volume 325, 2023, Article 139114

《Chemosphere》2023年第325卷，文章編號(hào)139114  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過(guò)熱厭氧發(fā)酵污水污泥產(chǎn)生碳源（SF），用于強(qiáng)化垃圾滲濾液（LL）生物處理的反硝化過(guò)程，以降低N2O排放。在1.5天污泥停留時(shí)間（SRT）和40.48 g COD/L·d有機(jī)負(fù)荷率（OLR）下，SF的水解效率達(dá)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(fā)酵過(guò)程以蛋白水解菌（如Coprothermobacter）為主。添加SF后，反硝化速率（KNR）達(dá)7.54 mg NO3-N/g VSS·h，比甲醇高2.43倍。N2O排放測(cè)試表明，SF使液相N2O還原速率（KN2O）達(dá)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(fā)酵產(chǎn)碳源的性能優(yōu)化（OLR影響）。  

 

解析發(fā)酵過(guò)程微生物群落結(jié)構(gòu)與功能。  

 

驗(yàn)證發(fā)酵碳源（SF）對(duì)垃圾滲濾液反硝化及N2O減排的效果。  

 

研究思路

污泥發(fā)酵優(yōu)化：  

 

分三階段（OLR: 14.48→40.48→57.96 g COD/L·d）運(yùn)行熱厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，評(píng)估水解效率、sCOD和VFAs產(chǎn)量（圖1）。  

 

微生物分析：  

 

高通量測(cè)序比較發(fā)酵前后污泥菌群變化，識(shí)別關(guān)鍵功能菌屬（圖2）。  

 

反硝化與N2O減排驗(yàn)證：  

 

對(duì)比SF、甲醇（MeOH）及純LL對(duì)反硝化速率的影響（圖3a）。  

 

 

通過(guò)液相N2O濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（Unisense電極）和氣體N2O分析，量化SF對(duì)N2O還原的貢獻(xiàn)（圖3c）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

發(fā)酵性能數(shù)據(jù)（圖1，表2）  

 

 

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

 

意義：確定最佳發(fā)酵條件（SRT=1.5天），為后續(xù)反硝化提供高效碳源。  

微生物數(shù)據(jù)（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：發(fā)酵后Firmicutes（21.98%）、Coprothermobacter（16.90%）顯著富集；Paludibacter在原料污泥中占優(yōu)（p<0.05）。  

 

意義：揭示蛋白水解菌主導(dǎo)發(fā)酵過(guò)程，解釋VFAs高產(chǎn)機(jī)制。  

反硝化與N2O數(shù)據(jù)（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：SF的KNR（7.54 mg N/g VSS·h）為甲醇的2.43倍；添加SF后KN2O達(dá)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(shí)SF通過(guò)提升反硝化速率和N2O還原能力，有效減少溫室氣體排放。  

 

結(jié)論

發(fā)酵優(yōu)化：SRT=1.5天、OLR=40.48 g COD/L·d時(shí)，污泥發(fā)酵產(chǎn)VFAs效率最高（占sCOD 54%）。  

 

微生物機(jī)制：Coprothermobacter等蛋白水解菌驅(qū)動(dòng)污泥水解酸化，促進(jìn)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(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用Unisense N2O微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液相N2O濃度（圖3c），其核心價(jià)值在于：  

高精度動(dòng)態(tài)解析：  

 

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

避免氣相干擾：  

 

在無(wú)頂空間反應(yīng)器中（防止N2O逸出），微電極原位測(cè)量液相濃度，準(zhǔn)確區(qū)分生物還原與物理吹脫貢獻(xiàn)，證實(shí)SF促進(jìn)生物還原主導(dǎo)N2O減排（87.94%逸出→11.39 ppmv）。  

量化還原動(dòng)力學(xué)：  

 

結(jié)合KN2O計(jì)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(diào)控減排"提供直接證據(jù)。  

工藝優(yōu)化依據(jù)：  

 

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證復(fù)雜碳源（VFAs混合物）比單一碳源（甲醇）更利于激發(fā)N2O還原潛力，指導(dǎo)工程應(yīng)用中選擇發(fā)酵液替代商業(yè)碳源。