Evaluation of nitrous oxide emission during ammonia retention from simulated industrial wastewater by microaerobic activated sludge process  

微好氧活性污泥法處理模擬工業廢水保氨過程中氧化亞氮排放的評估  

來源：Water Research, Volume 247, 2023, Article 120780  

《水研究》，第247卷，2023，文章編號120780  

 

摘要內容

 

摘要指出，針對高氮工業廢水處理中氨氮（NH?-N）回收需求，本研究提出微好氧活性污泥工藝（MAS）作為預處理技術，旨在抑制硝化以保留NH?-N，同時高效去除總有機碳（TOC）。通過控制溶解氧（DO<1 mg/L）和pH（6.2或6.8），在三級反應器系統中實現NH?-N保留率>80%和TOC去除率>90%。然而，系統檢測到顯著的N?O排放（日均407–475 mg-N/day），排放因子超總氮負荷2%。N?O排放主要源于R2反應器（貢獻70%–80%），其機制與酸性條件下不完全硝化及反硝化菌富集相關。pH 6.2條件下N?O排放量低于pH 6.8，表明弱酸性環境具有減排潛力。  

 

研究目的

 

評估MAS工藝在保留氨氮過程中的N?O排放特征及機制，明確不同反應器的貢獻路徑，為高氮廢水預處理工藝的溫室氣體管控提供依據。  

 

研究思路

系統構建：設計兩級平行MAS系統（S1: pH 6.2, S2: pH 6.8），每系統含三級串聯反應器（R1、R2、R3）及二沉池（圖1）。  

 

 

運行條件：以模擬高氮廢水（NH?-N 480 mg/L, TN 600 mg/L, TOC 360 mg/L）為進水，控制DO<1 mg/L，SRT=10天，HRT=30小時，運行64天。  

 

監測分析：  

 

水質參數：NH?-N、NO?-N、TOC、pH、DO（圖2–3）  

 

 

氣體排放：在線監測N?O和CO?通量（圖3b, 圖6）  

 

 

微生物基因：定量amoA（氨氧化）、nirK/nirS（亞硝酸鹽還原）、nosZ（N?O還原）基因豐度（圖5）  

 

機制解析：通過相關性分析（表1–2）及反應速率計算（圖4, 圖7）揭示N?O產生途徑。  

 

 

 

測量數據及其研究意義

NH?-N保留與TOC去除（圖3a）  

 

數據：S1和S2的NH?-N保留率分別為84.8%和82.4%，TOC去除率>90%  

 

意義：驗證MAS工藝在弱酸性微好氧條件下可實現高效氨保留與碳去除，滿足后續膜回收技術的進水要求  

N?O排放特征（圖3b, 圖6）  

 

數據：R2貢獻79.9%和69.0%的N?O排放，排放因子達2.43%–3.62%  

 

意義：揭示R2為關鍵排放源，其N?O產率（N?OR）與NO?產率（NO?R）量級相當（圖7a），反映不完全硝化與反硝化耦合的高排放風險  

功能基因豐度（圖5）  

 

數據：反硝化基因（nirS, nosZ-I）豐度比硝化基因（amoA）高1個數量級  

 

意義：證實系統中反硝化菌主導，為異養反硝化貢獻N?O提供微生物學證據  

反應速率相關性（表1, 圖7）  

 

數據：R2的N?OR與NO?R顯著正相關（S1: R=0.666, S2: R=0.973）  

 

意義：表明NO??積累是觸發N?O產生的主要因素，支持硝化菌反硝化與化學反硝化途徑  

 

結論

工藝效能：MAS工藝在pH 6.2–6.8條件下可同步實現>80% NH?-N保留與>90% TOC去除，滿足氨回收預處理需求  

 

N?O排放熱點：R2反應器貢獻70%以上N?O排放，歸因于其微好氧環境下不完全硝化（低DO）與反硝化菌富集  

 

pH調控作用：pH 6.2系統的N?O排放量低于pH 6.8系統（407 vs 475 mg-N/day），表明弱酸性條件可抑制排放  

 

減排路徑：R1的N?O源于異養反硝化（占總量<3%），R3以硝化菌反硝化為主（占10%–17%），需優化R2的DO穩定性與pH以阻斷多途徑排放  

 

丹麥Unisense電極數據的意義

 

Unisense N?O廢水監測系統用于：  

溶解態N?O精準監測：實時測定出水及反應器內溶解N?O濃度，結合氣相排放數據，實現液相產生與氣提排放的同步量化  

 

排放通量驗證：澄清池中溶解N?O與氣相排放高度相關（S1: R=0.862, S2: R=0.883），證實監測數據可靠性（3.2.2節）  

 

機制關聯分析：溶解N?O數據揭示非曝氣區（如澄清池）的隱性排放貢獻（占總量8%–12%），闡明生物反硝化在缺氧環節的持續活性  

 

工藝優化指向：通過對比R2的N?OR與NO?R量級關系（圖7a），明確高排放時段與NO??積累的耦合性，為DO/pH精細化調控提供依據