Advances in analysis, quantification and modelling of N2O emission in SBRs under various DO set points

不同 DO 設(shè)定點(diǎn)下 SBR 中 N 2 O 排放分析、量化和建模的進(jìn)展

來源：Journal of Physics: Conference Series 2412 (2022) 012009

 

摘要核心內(nèi)容

 

摘要指出：本研究聚焦序批式反應(yīng)器（SBR）中不同溶解氧（DO）設(shè)定點(diǎn)和溫度條件下 N?O排放的動(dòng)態(tài)特征與調(diào)控機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)學(xué)模型開發(fā)相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)：

DO和溫度顯著影響N?O排放：DO=1.0–1.5 mg/L時(shí)N?O排放最高（尤其在20°C），而DO=0.7 mg/L可抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，降低排放。

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證：雙路徑模型（NN羥胺路徑和ND亞硝酸鹽還原路徑）成功模擬了DO和亞硝酸鹽（NO??）對(duì)N?O生成的交互影響。

工程啟示：優(yōu)化DO控制（≤0.7 mg/L）是減少污水處理廠溫室氣體排放的關(guān)鍵策略。

 

研究目的

 

量化影響：探究DO（0.5–1.5 mg/L）和溫度（10–30°C）對(duì)SBR中N?O排放的劑量效應(yīng)。

機(jī)制解析：通過數(shù)學(xué)模型揭示AOB（氨氧化菌）的兩條N?O生成路徑（NN與ND）的貢獻(xiàn)比例。

優(yōu)化控制：確定抑制NOB活性、降低N?O排放的DO和溫度最優(yōu)范圍。

 

研究思路

 

采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試→數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模→多因子優(yōu)化框架：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

兩套4L SBR反應(yīng)器，接種Swarzewo污水廠活性污泥。

變量：DO（0.5/0.7/1.0/1.5 mg/L）×溫度（10/16/30°C）。

N?O監(jiān)測(cè)：丹麥Unisense微電極實(shí)時(shí)檢測(cè)液相和氣相N?O濃度（圖2）。

 

 

 

數(shù)學(xué)模型開發(fā)：

 

構(gòu)建雙路徑模型（NN和ND路徑），基于酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（圖1）和化學(xué)計(jì)量學(xué)（表1）。

 

 

 

使用GPS-X和MATLAB模擬N?O生成動(dòng)力學(xué)。

 

多因子優(yōu)化：

 

響應(yīng)面分析法（RSM）量化DO與溫度交互效應(yīng)（圖3–4）。

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 反應(yīng)器性能數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

N?O濃度：Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖2，表2）。

 

 

氮轉(zhuǎn)化速率：氨利用速率（AUR）、硝酸鹽生成速率（NPR）（表2）。

 

研究意義：

 

DO=1.0–1.5 mg/L時(shí)N?O排放最高（0.187 mg/L，30°C），證明高DO促進(jìn)AOB的ND路徑（亞硝酸鹽還原）（表2）。

DO=0.7 mg/L時(shí)NOB活性受抑（NPR最低），驗(yàn)證其為部分硝化（partial nitritation）的優(yōu)化點(diǎn)。

 

2. 數(shù)學(xué)模型輸出（機(jī)制尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

雙路徑模型參數(shù)（表1，圖1）。

RSM交互效應(yīng)分析（圖3）。

 

研究意義：

 

ND路徑主導(dǎo)低DO條件（DO<1.0 mg/L時(shí)貢獻(xiàn)>70%），NN路徑在高DO時(shí)增強(qiáng)（圖1）。

HNO?（游離亞硝酸）濃度升高抑制ND路徑，解釋高NO??時(shí)N?O排放非線性增長（模型驗(yàn)證）。

 

3. 多因子優(yōu)化數(shù)據(jù)（工程尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

RSM重要性分析：DO對(duì)N?O排放貢獻(xiàn)62%（圖4）。

等值線圖顯示最低N?O區(qū)（DO≤0.7 mg/L, T=16°C）（圖3）。

 

研究意義：

 

DO是N?O排放的主控因子（圖4），為實(shí)時(shí)控制提供優(yōu)先級(jí)。

最優(yōu)窗口：DO=0.7 mg/L + T=20°C可降耗能25%且減排（圖3）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

高分辨率動(dòng)態(tài)捕獲：Unisense微電極實(shí)現(xiàn)液相與氣相N?O同步監(jiān)測(cè)（μM級(jí)精度），首次在實(shí)驗(yàn)中量化瞬態(tài)DO波動(dòng)引發(fā)的N?O脈沖式排放（如DO從0.5→1.5 mg/L時(shí)N?O瞬時(shí)增加400%）。

 

跨膜傳輸量化：通過氣/液雙探頭數(shù)據(jù)，計(jì)算N?O生成/消耗速率（N?O-FR），揭示ND路徑主導(dǎo)期（低DO）的還原動(dòng)力學(xué)特征。

 

科學(xué)意義

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證：

 

N?O峰值與NO??積累時(shí)段高度重合（表2，r>0.9），證實(shí)亞硝酸鹽應(yīng)激是ND路徑的觸發(fā)條件。

低溫（10°C）下DO升高仍致N?O激增（DO=1.5 mg/L時(shí)+329%），否定“低溫減排”經(jīng)驗(yàn)假設(shè)（表2）。

 

模型校準(zhǔn)基石：

 

電極提供的分鐘級(jí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)了ND路徑的氧抑制函數(shù)（模型選項(xiàng)3），顯著提升預(yù)測(cè)精度（R2>0.9）。

 

結(jié)論

 

核心發(fā)現(xiàn)：

 

DO=1.0–1.5 mg/L是N?O排放熱點(diǎn)，高溫（30°C）進(jìn)一步放大效應(yīng)。

DO=0.7 mg/L可抑制NOB活性，實(shí)現(xiàn)部分硝化并減排。

雙路徑模型成功量化NN/ND路徑貢獻(xiàn)，ND路徑主導(dǎo)低DO條件。

 

工程推薦：

 

最優(yōu)控制窗口：DO=0.7 mg/L + T=20°C，兼顧脫氮效率與減排目標(biāo)。

實(shí)時(shí)DO調(diào)控是污水處理廠減少碳足跡的關(guān)鍵抓手。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極的高精度監(jiān)測(cè)與數(shù)學(xué)模型解析，首次量化DO與溫度對(duì)SBR中N?O排放的交互效應(yīng)，提出DO≤0.7 mg/L的優(yōu)化控制策略。電極數(shù)據(jù)驗(yàn)證了ND路徑的氧敏感性，為污水處理廠溫室氣體精準(zhǔn)管控提供理論支撐。