Exploring GHG emissions in the mainstream SCEPPHAR configuration during wastewater resource recovery

探索廢水資源回收過(guò)程中主流 SCEPPHAR 配置中的溫室氣體排放

來(lái)源：Science of the Total Environment 849 (2022) 157626

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究評(píng)估了新型污水處理工藝SCEPPHAR（Short-Cut Enhanced Phosphorus and PHA Recovery）在資源回收過(guò)程中的溫室氣體（GHG）排放特征：

 

低排放水平：長(zhǎng)期運(yùn)行中，N?O和CH?排放因子分別為1%和0.1%（表2），顯著低于傳統(tǒng)污水處理廠（WWTPs），即使在高亞硝酸鹽（NO??）積累條件下。

 

 

曝氣策略影響：間歇曝氣使R2-AUT反應(yīng)器的N?O排放降低40%（圖6），而溶解氧（DO）設(shè)定值（1–3 g O?/m3）對(duì)N?O排放無(wú)顯著影響（表3）。

 

 

 

排放動(dòng)態(tài)：N?O排放峰值出現(xiàn)在好氧階段初期（圖5C），與氨氧化菌（AOB）的瞬態(tài)代謝活動(dòng)相關(guān)。

 

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：SCEPPHAR在實(shí)現(xiàn)碳、氮、磷高效去除（COD去除率76%、TN去除率67%、P去除率82%）的同時(shí)，兼具低GHG排放特性（圖2）。

 

 

研究目的

 

量化GHG排放：評(píng)估SCEPPHAR工藝長(zhǎng)期運(yùn)行中N?O和CH?的排放特征。

 

解析排放機(jī)制：探究亞硝酸鹽積累、DO控制等對(duì)N?O生成的影響。

 

優(yōu)化減排策略：驗(yàn)證不同曝氣策略（DO設(shè)定值調(diào)整、間歇曝氣）對(duì)N?O排放的抑制效果。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 “中試廠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)+控制變量實(shí)驗(yàn)” 框架：

 

中試系統(tǒng)：在西班牙Manresa污水處理廠搭建SCEPPHAR中試系統(tǒng)（圖1），包含四個(gè)反應(yīng)器：

 

 

R1-HET（厭氧/缺氧/好氧序批式反應(yīng)器）

R2-AUT（好氧硝化反應(yīng)器）

R3-PRE（磷酸鹽沉淀反應(yīng)器）

R4-INT（混合液交換反應(yīng)器）

 

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)：連續(xù)運(yùn)行700天，監(jiān)測(cè)水質(zhì)（NH??、NO??、PO?3?、COD）及GHG排放（N?O、CH?）。

 

控制實(shí)驗(yàn)：

 

DO梯度實(shí)驗(yàn)：對(duì)比DO設(shè)定值1/2/3 g O?/m3對(duì)N?O排放的影響（圖5）。

 

間歇曝氣實(shí)驗(yàn)：通過(guò)ON/OFF控制（DO閾值1–2 g O?/m3）驗(yàn)證減排效果（圖6）。

 

在線監(jiān)測(cè)：采用Horiba氣體分析儀（氣相N?O/CH?）和Unisense微電極（溶解態(tài)N?O）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 工藝性能數(shù)據(jù)（圖2，表1）

2. 

 

數(shù)據(jù)：

 

進(jìn)水負(fù)荷：NH??（39.4±10.5 g N/m3）、PO?3?（4.1±1.3 g P/m3）、COD（300±128 g/m3）。

 

去除效率：COD（76±18%）、TN（67±23%）、P（82±24%），滿足歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

意義：證明SCEPPHAR在資源回收（磷回收率45–63%）同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效污染物去除。

 

2. GHG排放數(shù)據(jù)（表2，圖3C）

 

數(shù)據(jù)：

 

N?O排放因子：0.93±0.34%（12小時(shí)周期）、1.00±0.62%（8小時(shí)周期）。

 

CH?排放因子：0.16±0.06%（12小時(shí)）、0.08±0.06%（8小時(shí)）。

 

意義：排放水平低于傳統(tǒng)工藝（典型N?O-EF=0.5–3%），為低碳污水處理工藝提供實(shí)證。

 

3. 曝氣策略影響數(shù)據(jù)（表3，圖5–7）

4. 

 

數(shù)據(jù)：

 

DO設(shè)定值（1/2/3 g O?/m3）對(duì)N?O-EF無(wú)顯著影響（0.50–0.76%）。

 

間歇曝氣使N?O-EF降至0.40±0.21%（降幅40%）。

 

意義：揭示通過(guò)操作優(yōu)化（非DO值調(diào)整）可實(shí)現(xiàn)N?O減排，為工藝控制提供新思路。

 

4. Unisense電極數(shù)據(jù)（圖5D, 6D, 7D）

 

數(shù)據(jù)：

 

溶解態(tài)N?O濃度峰值（>200 μg N/L）出現(xiàn)在好氧階段初期（圖5D）。

 

間歇曝氣期間，溶解N?O在停曝階段被生物消耗（圖6D）。

 

低DO下溶解N?O積累（圖7D），但氣相排放受限于低曝氣量。

 

意義：

 

機(jī)制解析：證實(shí)N?O排放峰值源于AOB的瞬態(tài)代謝（好氧啟動(dòng)階段）。

 

減排啟示：溶解N?O可在后續(xù)缺氧階段被反硝化菌還原，避免氣相釋放。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense電極首次在SCEPPHAR工藝中捕捉到溶解-氣相N?O的動(dòng)態(tài)平衡，為“抑制傳質(zhì)而非產(chǎn)生”的減排策略提供依據(jù)。

 

核心結(jié)論

 

低GHG排放特性：SCEPPHAR工藝的N?O-EF（1%）和CH?-EF（0.1%）處于行業(yè)低值，證明其資源回收與低碳運(yùn)行的兼容性。

 

關(guān)鍵排放源：N?O排放峰值與好氧階段初期AOB的瞬態(tài)代謝相關(guān)，占總排放量的20–60%。

 

最優(yōu)曝氣策略：間歇曝氣通過(guò)促進(jìn)同步硝化-反硝化降低N?O排放40%，而DO設(shè)定值調(diào)整效果不顯著。

 

溶解N?O的歸宿：Unisense數(shù)據(jù)揭示溶解N?O可被后續(xù)反硝化消耗，為工藝設(shè)計(jì)提供新視角（如延長(zhǎng)缺氧階段）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專(zhuān)項(xiàng)解讀

技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

Unisense N?O微電極：

 

測(cè)量原理：電化學(xué)傳感，檢測(cè)溶解態(tài)N?O濃度（μg N/L）。

 

校準(zhǔn)方法：預(yù)極化后，用N?飽和（零點(diǎn)）和N?O飽和（量程）溶液校準(zhǔn)。

 

安裝位點(diǎn)：R2-AUT反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)好氧階段溶解N?O動(dòng)態(tài)（圖5D, 6D, 7D）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解析

 

瞬態(tài)峰值機(jī)制（圖5D）：

 

好氧階段初期（NH??>30 g N/m3），溶解N?O濃度驟升（>200 μg N/L），對(duì)應(yīng)氣相排放峰值（圖5C）。

 

成因：AOB從缺氧到好氧的代謝轉(zhuǎn)換中，羥胺（NH?OH）氧化途徑產(chǎn)生N?O。

 

DO對(duì)溶解N?O的影響（圖7D）：

 

低DO（1 g O?/m3）下溶解N?O積累（峰值150 μg N/L），但因曝氣量低，氣相排放未顯著增加。

 

意義：DO通過(guò)影響氣體傳質(zhì)系數(shù)（KLa）而非生物產(chǎn)生速率主導(dǎo)排放。

 

間歇曝氣的雙重作用（圖6D）：

 

停曝期：DO降至0.6 g O?/m3，溶解N?O被反硝化菌消耗（濃度下降50%）。

 

復(fù)曝期：N?O排放量降低，因生物消耗減少可逸散量。

 

創(chuàng)新認(rèn)知：間歇曝氣通過(guò)“促進(jìn)生物消耗”而非“抑制產(chǎn)生”實(shí)現(xiàn)減排。

 

研究意義

 

深化機(jī)制理解：揭示溶解-氣相N?O的動(dòng)態(tài)耦合，突破傳統(tǒng)僅關(guān)注氣相排放的局限。

 

指導(dǎo)工藝優(yōu)化：證實(shí)通過(guò)調(diào)控傳質(zhì)（如間歇曝氣）比抑制生物產(chǎn)生更易實(shí)現(xiàn)N?O減排。

 

技術(shù)標(biāo)桿價(jià)值：為污水處理廠GHG在線監(jiān)測(cè)提供高分辨率溶解態(tài)數(shù)據(jù)支持。

 

總結(jié)：本研究通過(guò)Unisense電極首次解析了SCEPPHAR工藝中溶解態(tài)N?O的動(dòng)態(tài)規(guī)律，證實(shí)其作為“中間產(chǎn)物”可被生物轉(zhuǎn)化而非必然釋放，為污水處理廠GHG精準(zhǔn)控制提供了理論和技術(shù)支撐。