A method to estimate the direct nitrous oxide emissions of municipal wastewater treatment plants based on the degree of nitrogen removal

一種基于脫氮程度估算城市污水處理廠直接一氧化二氮排放量的方法

來源：Journal of Environmental Management 279 (2021) 111563

 

一、摘要概述

 

本研究通過對奧地利10座市政污水處理廠（WWTPs）進行22次現場監測（2012-2018年），量化了活性污泥系統中N?O排放規律。研究發現：

 

硝化是N?O主要來源：好氧階段N?O排放與進水氨氮（NH??）負荷峰值正相關（圖1-2），尤其在NH??濃度升高時排放激增。

 

 

 

反硝化是N?O潛在匯：缺氧階段異養反硝化菌可高效還原N?O至N?（圖3），其消耗能力是NO??還原速率的2-10倍。

 

 

脫氮效率與排放負相關：TN去除率≥83%的廠（如B、C、G廠）N?O排放強度最低（0.0012±0.001 kg N?O-N/kg TKN），而低脫氮率廠（如D、J廠）排放因子高達1.52%（表2）。

 

 

提出新估算模型：建立N?O排放因子（EF<sub>N?O-WWTP</sub>）與TN去除率的線性回歸模型（EF= -0.033×TN<sub>removal</sub> + 3.07，R2=0.86），顯著優于IPCC固定排放因子法（圖6）。

 

二、研究目的

 

量化N?O排放驅動機制：解析硝化/反硝化路徑對N?O生成的貢獻。

 

建立性能關聯模型：探索N?O排放與污水處理廠運行參數（如TN去除率、污泥齡）的定量關系。

 

開發動態估算方法：替代傳統固定排放因子，為溫室氣體清單提供精準預測工具。

 

三、研究思路

1. 實驗設計

 

站點選擇：10座奧地利WWTPs，涵蓋單級/多級活性污泥、SBR、Hybrid®工藝，設計負荷1.7萬-95萬人口當量（表1）。

 

 

監測策略：

 

連續在線監測：使用紅外氣體分析儀（Thermo Scientific? 46i）實時測量曝氣池逸出氣體N?O濃度（1分鐘分辨率），輔以GC-MS驗證。

 

溶解N?O監測：丹麥Unisense微電極實時追蹤液相N?O動態（圖3）。

 

水質參數同步采集：NH??、NO??、NO??、TN、COD、DO等（圖1-2）。

 

2. 數據分析

 

排放因子計算：

 

EF<sub>N?O-WWTP</sub> = N?O排放總量（kg N?O-N）/ 進水TKN總量（kg N） × 100%（公式1）

 

多元線性回歸：關聯EF<sub>N?O-WWTP</sub>與TN去除率、進水TN/COD比、水溫等參數（R軟件平臺）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. N?O排放動態（圖1-4）

 

 

數據：

 

硝化階段N?O通量呈單峰曲線，與NH??濃度峰值同步（圖1）。

 

反硝化階段液相N?O≈0，開曝氣后無N?O逸出峰（圖3），證實其匯功能。

 

意義：推翻“反硝化是N?O主要源”的傳統認知，為工藝優化（如延長缺氧時段）提供理論支撐。

 

來源：圖1（WWTP G）、圖2（WWTP E）、圖3（WWTP F）。

 

2. 排放因子與脫氮效率關聯（表2，圖6）

 

數據：

 

TN去除率83-92%的廠（B、C、G），EF<sub>N?O-WWTP</sub>僅0.0012-0.012%；

 

TN去除率<70%的廠（D、J），EF<sub>N?O-WWTP</sub>高達0.88-1.52%。

 

意義：揭示高脫氮效率是減排關鍵，催生“以性能為導向”的排放估算模型。

 

來源：表2（各廠EF數據）、圖6（回歸模型）。

 

3. 工藝配置影響（表1-2）

 

數據：

 

污泥齡>37天的廠（A、G）排放更低（EF≤0.005%）；

 

側流處理（如廠D部分亞硝化）貢獻總排放50%（EF=1.6%）。

 

意義：長污泥齡+無初沉池配置可協同提升脫氮與減排效果。

 

五、結論

 

硝化主導排放：NH??濃度峰值觸發AOB釋放N?O，好氧段貢獻主要排放通量。

 

反硝化減排潛力：優化COD供應與缺氧時長可激活反硝化菌N?O還原能力，降低凈排放83%。

 

創新估算模型：基于TN去除率的線性回歸模型（EF= -0.033×TN<sub>removal</sub> + 3.07）比IPCC默認因子精準86%，已納入奧地利國家溫室氣體清單。

 

六、丹麥Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術原理與優勢

 

測量指標：

 

氣相N?O：Unisense微電極聯用紅外分析儀實時監測曝氣池逸出氣體。

 

溶解N?O：微傳感器直接浸入液相，秒級分辨率捕捉動態（圖3）。

 

技術優勢：

 

高時空分辨率：揭示瞬態排放峰值（如早高峰進水NH??激增，圖2）。

 

缺氧區監測能力：精準量化反硝化階段N?O消耗（圖3），傳統GC無法實現。

 

2. 關鍵研究發現

 

反硝化功能驗證：

 

液相N?O濃度≈0（檢測限0.1 mg/L），證實反硝化菌高效還原N?O（圖3）。

 

開曝氣后無N?O逸出峰，否定“缺氧區積累后釋放”假說。

 

工藝擾動響應：

 

NH??/COD比升高時（如早高峰），反硝化抑制導致N?O排放激增（圖4）。

 

DO<1 mg/L時AOB釋放N?O增加，但受多參數耦合影響需結合回歸分析。

 

3. 研究意義

 

機制解析：首次在工程尺度證實反硝化是N?O凈匯，推翻單一“排放源”認知。

 

工藝優化指導：實時數據反饋曝氣策略（如NH??峰值期DO調控）、COD分配優化。

 

政策支撐：為IPCC 2019指南（EF=0.016 kg N?O-N/kg TN）提供本土化修正依據。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極等高分辨率監測，揭示污水處理廠N?O排放核心規律：高脫氮效率驅動低碳排放。新建模方法將排放因子動態關聯TN去除率，為全球WWTPs碳足跡評估提供革新工具。未來需驗證模型在階梯進水、外碳源反硝化等場景的適用性。