Nitrous oxide emission from full-scale municipal aerobic granular sludge

全尺寸市政好氧顆粒污泥排放的一氧化二氮

來源：Water Research 198 (2021) 117159

 

一、摘要概述

 

本研究通過 7個月連續監測 荷蘭Dinxperlo污水處理廠全規模好氧顆粒污泥（AGS）工藝（Nereda®反應器）的N?O排放，發現：

 

平均排放因子：0.33%（即0.33%的進水總氮以N?O形式排放），年排放因子估值為0.25%-0.30%（圖5）。

 

 

季節影響：冬季低溫（<14°C）時排放因子變異性增大（最高達2.5%），夏季穩定在0-0.5%（圖6,9）。

 

 

 

工藝調控效應：調整工藝控制策略（如固定DO設定值）可使排放因子降至0.15%（圖13）。

 

 

雨水事件影響：雨天流量（RWF）下排放因子降至0.09%，且后續干天流量（DWF）批次排放持續降低（圖8,14）。

 

 

 

技術亮點：結合 液相N?O傳感器（Unisense） 與尾氣分析，首次揭示AGS工藝中N?O動態產生/消耗機制（圖11）。

 

 

二、研究目的

 

量化排放：測定全規模AGS工藝的長期N?O排放因子（引言）。

 

關鍵因素解析：探究溫度、雨水事件、工藝控制對N?O排放的影響（4.2-4.4節）。

 

機制驗證：明確硝化/反硝化路徑對N?O生成的貢獻（4.3節）。

 

工藝優化：提出低N?O排放的運行策略（4.4節）。

 

三、研究思路

1. 監測對象與周期

 

地點：荷蘭Dinxperlo污水處理廠（3座Nereda®反應器，處理規模11,000 p.e.）。

 

周期：2017年8月-2018年3月（7個月）。

 

目標反應器：Reactor #1（圖1）。

 

2. 雙軌監測技術

 

液相N?O：Unisense微傳感器（浸沒式，實時監測溶解態N?O，分辨率0.01 μM）（2.2節）。

 

氣相N?O：浮動集氣罩+氣體分析儀（測量尾氣N?O）（圖2）。

 

輔助參數：DO、NH??、NO??、PO?3?在線監測（2.4節），粒度分布（2.3節）。

 

3. 數據分析方法

 

排放因子計算：

 

EF=CTN,i?VbatchMN2O

 

其中 MN2O為N?O排放質量（mg-N），CTN,i為進水總氮濃度（mg/L），Vbatch為批次體積（m3）（2.6節）。

 

同步硝化/反硝化（SND）效率：公式（3）（2.7節）。

 

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 排放因子動態（圖5-6）

 

數據來源：7個月連續監測（1,043批次）。

 

結果：

 

月均排放因子0.33%，單批次范圍0.02%-1.58%。

 

溫度<14°C時變異性顯著增加（冬季最高2.5%）。

 

意義：首次證實AGS工藝N?O排放低于傳統序批式反應器（SBR）（對比圖15），推翻“SBR必然高排放”認知。

 

2. 雨水事件效應（圖8,14）

 

數據來源：RWF（雨天流量）與DWF（干天流量）批次對比。

 

結果：

 

RWF批次排放因子0.09%（顯著低于DWF的0.40%）。

 

雨水事件后DWF批次排放持續降低（“首沖效應”提升污泥負荷）。

 

意義：雨水稀釋與負荷變化可抑制N?O生成，為暴雨期工藝優化提供依據。

 

3. 工藝控制優化（圖12-13）

 

數據來源：DO調控實驗（冬季）。

 

結果：

 

固定DO設定值（2.5 mg/L）+后反硝化階段 → 排放因子降至0.15%。

 

DO <1 mg/L時N?O產量激增（圖12）。

 

意義：揭示DO控制是減排關鍵，提出“分段曝氣+后反硝化”策略。

 

4. 溫度敏感性（圖9）

 

數據來源：溫度與排放因子關聯分析。

 

結果：溫度<14°C時排放因子變異性增大（0-2.5%）。

 

意義：冬季需強化工藝控制以穩定減排。

 

五、結論

 

排放水平：AGS工藝N?O排放因子（0.33%）低于傳統SBR（通常>1%），與高效連續流工藝相當。

 

核心影響因素：

 

溫度：低溫增加排放不確定性（需冬季專屬控制策略）。

 

DO控制：維持DO>1 mg/L并添加后反硝化階段可減排50%以上。

 

雨水效應：雨水事件可短期抑制排放，但需關注后續負荷沖擊。

 

工藝優勢：AGS的推流式進水設計限制碳源與硝酸鹽接觸，從源頭抑制N?O生成（對比傳統SBR）。

 

六、丹麥Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術原理與部署

 

原位監測：電極浸沒于反應器液相（水深1m），每秒采集電流信號轉換為N?O濃度（2.2節）。

 

獨特優勢：捕捉 非曝氣階段（厭氧/缺氧）N?O動態，彌補尾氣監測盲區。

 

2. 關鍵發現與意義

 

動態消耗機制（圖11）：

 

曝氣停止后（標記1），溶解態N?O被迅速消耗（速率達1 mg N?O-N/L/h）。

 

意義：證實反硝化菌可充當N?O“匯”，20分鐘缺氧足以清除液相N?O。

 

DO臨界閾值（圖12）：

 

DO <1 mg/L時液相N?O濃度驟升（標記2）。

 

意義：明確DO控制閾值（>1 mg/L），為實時調控提供依據。

 

工藝控制驗證（圖13）：

 

固定DO策略下，液相N?O始終<0.3 mg/L。

 

意義：直接驗證工藝優化的減排效果，支持決策調整。

 

3. 行業貢獻

 

機制解析：揭示非曝氣階段N?O產生/消耗動態，闡明反硝化菌的“匯”功能。

 

工藝優化：為“分段曝氣+后反硝化”策略提供數據支撐，推動低碳污水處理。

 

監測技術革新：證明液相傳感器比尾氣監測更適用于工藝調控（尤其非曝氣階段）。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極首次揭示：AGS工藝中N?O排放主要源于DO失控（<1 mg/L），而反硝化菌可高效消耗液相N?O。通過優化工藝控制（固定DO+后反硝化），排放因子可降至0.15%。該發現為污水處理廠提供可落地的減排策略：

 

冬季：采用固定DO設定值（>1 mg/L）并增加后反硝化階段。

 

監測升級：優先部署液相N?O傳感器，實時捕捉非曝氣階段動態。

 

雨水管理：利用“首沖效應”降低后續批次排放，但需警惕負荷沖擊風險。