Nitrification kinetics, N2O emission, and energy use in intermittently aerated hybrid reactor under different organic loading rates

不同有機負荷率下間歇曝氣混合反應器的硝化動力學、N2O 排放和能量使用

來源：International Journal of Environmental Science and Technology (2023) 20:10061–10074

 

1. 摘要概述

 

論文探究了間歇曝氣策略對混合生物膜-活性污泥系統（IFAS-MBSBBR）中硝化過程、能耗及N?O排放的影響，核心發現包括：

 

硝化路徑分工：活性污泥主導氨氧化（最高AOR=8.061 mgN-NH??/gVSS·h），生物膜主導亞硝酸鹽氧化（最高NitOR=21.446 mgN-NO??/gVSS·h）（表4）。

 

 

負荷影響：有機負荷降低（536→402 gCOD/m3·d）對氨氧化菌（AOB）活性影響顯著（AOR-SB降幅33%），對亞硝酸鹽氧化菌（NOB）影響較?。ū?）。

能耗悖論：縮短曝氣時間（30→20 min）未降低能耗，反增16%（因曝氣泵頻繁啟停）（圖2）。

 

 

N?O排放：較長曝氣子階段（30 min）使N?O排放降低18.1%（排放系數0.896% vs. 1.091%）。

 

2. 研究目的

 

硝化路徑解析：明確活性污泥與生物膜在氨氧化（AOR）和亞硝酸鹽氧化（NitOR）中的分工。

運行策略優化：評估間歇曝氣時長（R=非曝氣/曝氣時間比）及有機負荷（L<sub>COD</sub>）對處理效能、能耗及N?O排放的影響。

溫室氣體控制：量化N?O排放與曝氣策略的關聯，提出減排方案。

 

3. 研究思路

 

采用 “連續運行-批量測試-多參數監測” 策略：

 

連續運行：設計4組IFAS-MBSBBR實驗（表2），變量包括曝氣時長（30/20 min）和有機負荷（536/402 gCOD/m3·d）。

 

批量測試：

AUR/NitUR實驗：測定活性污泥（SB）、生物膜（B）及混合系統（H）的AOR/NitOR（表4）。

溶解氧調控：對比1.0/1.5 mgO?/L及飽和DO下的活性差異。

在線監測：

N?O排放：Unisense微傳感器實時監測（后詳）。

能耗計算：基于曝氣泵運行時長（式5-6）。

 

 

 

4. 測量數據及研究意義

(1) 處理效能（表3）

 

 

數據：COD去除率穩定（96.52±0.83%），氨氮去除率89.31±4.34%（無統計學差異，p>0.620）。

意義：證實IFAS-MBSBBR在變工況下的穩定性，但氨氮出水濃度受曝氣策略影響顯著（S.I: 0.55 mg/L vs. S.II: 0.82 mg/L, p<0.001）。

 

(2) 生物活性分工（表4）

 

數據：

AOR<sub>SB</sub> > AOR<sub>B</sub>（S.II: 3.856 vs. 6.993 mgN-NH??/gVSS·h）。

NitOR<sub>B</sub> > NitOR<sub>SB</sub>（S.II: 21.446 vs. 3.503 mgN-NO??/gVSS·h）。

意義：揭示功能菌空間分異——活性污泥富集AOB（如Rhodobacter），生物膜富集NOB（如Nitrospira）。

 

(3) 能耗分析（圖2）

 

數據：曝氣縮短至20 min（S.II/S.IV）反增能耗16%（E<sub>O</sub>=0.35→0.41 €/kg污染物）。

意義：曝氣泵頻繁啟停（DO設定1.5 mg/L）抵消時長縮減效益，指導優化控制策略。

 

(4) 抑制因子（表6）

(5) 

 

數據：游離氨（FA=0.349–0.474 mg/L）抑制NOB（AUR-SB亞硝酸積累率高達49.83%）。

意義：FA濃度接近NOB抑制閾值（0.1–1 mg/L），需優化pH/負荷避免硝化受阻。

 

5. Unisense電極數據的核心研究意義

 

通過 N?O-R微傳感器（Unisense, Denmark） 實時監測溶解態N?O，關鍵發現如下：

(1) 曝氣策略對N?O排放的影響

 

數據：R=1/3（曝氣30 min）時排放系數0.896%，R=1/2（曝氣20 min）時升至1.091%（表7）。

 

意義：驗證延長曝氣子階段可降低18.1%排放，因充分硝化減少中間產物積累。

 

(2) 排放機制診斷

 

數據：N?O峰值出現在曝氣重啟階段（類似“aeration on”效應）。

意義：支持間歇曝氣中N?O主要源于AOB不完全氧化（NH?OH→N?O），非反硝化副產物。

 

(3) 環境成本量化

 

數據：R=1/2時N?O日排放成本增加32%（51.53→67.60 PLN/d）。

意義：為碳稅政策提供依據（波蘭N?O稅率94.36 PLN/kg），推動低碳工藝選擇。

 

總結Unisense價值：

 

過程解析：直接關聯曝氣策略與N?O生成動力學。

決策支撐：量化延長曝氣（30 min）的環保經濟雙收益。

 

6. 結論

 

功能菌分異：活性污泥主導氨氧化，生物膜主導亞硝酸鹽氧化，協同保障高效硝化。

負荷敏感度：AOB比NOB更易受有機負荷降低沖擊（AOR-SB降幅33%）。

能耗悖論：曝氣時長縮短至20 min增能耗16%（因DO控制致泵頻繁啟停）。

N?O減排：30 min曝氣子階段通過減少中間產物積累降低排放18.1%。

Unisense貢獻：實時監測驗證曝氣策略對N?O的調控機制，支撐工藝優化。

 

圖標索引：

 

工況設計：表2（四組運行參數）

處理效能：表3（出水水質）

生物活性：表4（AOR/NitOR）

能耗分析：圖2（單位能耗對比）

抑制因子：表6（FA/FNA濃度）

N?O排放：表7（排放系數對比文獻）

 

優化建議：維持30 min曝氣子階段（R=1/3），平衡處理效率、能耗及N?O減排目標。