Model-based identification of the dominant N?O emission pathway in a full-scale activated sludge system  

基于模型的全規(guī)模活性污泥系統(tǒng)中主導(dǎo)N?O排放路徑識(shí)別  

來(lái)源：Journal of Cleaner Production 336 (2022) 130347

《清潔生產(chǎn)雜志》，第336卷，2022年，文章編號(hào)130347  

 

摘要內(nèi)容  

論文摘要提出了一種基于擴(kuò)展活性污泥模型（ASM2d-N?O）的方法，用于識(shí)別污水處理廠（WWTP）中N?O排放的主要路徑。研究通過(guò)校準(zhǔn)和驗(yàn)證模型，在芬蘭Viikinm?ki污水處理廠進(jìn)行應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)反硝化（DHET）是N?O主要產(chǎn)生途徑，但同時(shí)是重要的消耗途徑；好氧區(qū)貢獻(xiàn)93%的N?O總排放量。排放因子（EF）為0.94%（進(jìn)水總氮負(fù)荷），顯著低于IPCC默認(rèn)值（1.6%），模型應(yīng)用可減少年碳排放952噸CO?當(dāng)量。  

 

研究目的  

將波蘭S?upsk廠驗(yàn)證的ASM2d-N?O模型推廣至芬蘭Viikinm?ki廠，評(píng)估其通用性。  

 

識(shí)別主導(dǎo)N?O排放路徑及貢獻(xiàn)率。  

 

提出新型校準(zhǔn)協(xié)議以減少參數(shù)調(diào)整數(shù)量。  

 

量化N?O排放因子，優(yōu)化碳足跡（CF）評(píng)估。  

 

研究思路  

模型構(gòu)建：基于GPS-X平臺(tái)建立水力、生物動(dòng)力學(xué)及N?O排放子模型，包括：  

 

進(jìn)水組分表征

 

非理想流反應(yīng)器分區(qū)（圖1a）  

 

ASM2d擴(kuò)展N?O模塊（圖2a）  

 

校準(zhǔn)與驗(yàn)證：  

 

初步校準(zhǔn)（10參數(shù)）→ 靈敏度分析（圖4）→ 相關(guān)性矩陣（表2）→ 最終校準(zhǔn)（4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：ηN2O,H、ηNO2,H、μAOB、μN(yùn)OB）  

 

 

驗(yàn)證集評(píng)估（NSE、RMSE、Janus系數(shù)，表3）  

 

模型比較：對(duì)比ASM2d-N?O與Blomberg等（2018）的ASM3-N?O模型性能（圖8）。  

 

路徑分析：量化各生物反應(yīng)區(qū)N?O產(chǎn)消速率（圖9）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

常規(guī)水質(zhì)參數(shù)（NH??-N、NO??-N、堿度）：  

 

來(lái)源：在線分析儀（圖6a-d）  

 

意義：校準(zhǔn)模型基礎(chǔ)，反映脫氮效率。  

溶解N?O濃度：  

 

來(lái)源：Unisense電極（圖7a-b,d-e）  

 

意義：直接監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)N?O動(dòng)態(tài)，驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。  

氣體N?O排放：  

 

來(lái)源：FTIR分析儀（圖7c,f）  

 

意義：量化實(shí)際排放量，計(jì)算排放因子。  

微生物群落數(shù)據(jù)：  

 

來(lái)源：生物量測(cè)定  

 

意義：解釋異養(yǎng)菌（DHET）主導(dǎo)N?O產(chǎn)消的原因（高生物量占比）。  

運(yùn)行參數(shù)（DO、溫度、SRT）：  

 

來(lái)源：自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)  

 

意義：關(guān)聯(lián)操作條件與N?O排放關(guān)系。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義  

高分辨率監(jiān)測(cè)：Unisense電極實(shí)時(shí)測(cè)量好氧區(qū)（Z4、Z6）溶解N?O濃度（圖7a-b,d-e），捕捉瞬態(tài)波動(dòng)（如周末負(fù)荷變化導(dǎo)致的濃度峰值），為模型提供高精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。  

 

路徑機(jī)制解析：結(jié)合模型預(yù)測(cè)（圖9），電極數(shù)據(jù)揭示N?O在好氧區(qū)主要由DHET（78%）和羥胺氧化（20%）產(chǎn)生，而缺氧區(qū)DHET是凈消耗者，明確了區(qū)域貢獻(xiàn)差異。  

 

排放模型優(yōu)化：溶解N?O濃度是氣體排放預(yù)測(cè)的直接輸入，電極數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于OTR的KLa計(jì)算方法比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式更準(zhǔn)確（圖8e vs 圖8f），提升排放因子可靠性。  

 

結(jié)論  

主導(dǎo)路徑：DHET是主要N?O產(chǎn)生途徑（好氧區(qū)占78%），但同時(shí)也是重要消耗者；AOB反硝化路徑貢獻(xiàn)可忽略（<3%）。  

 

區(qū)域貢獻(xiàn)：好氧區(qū)貢獻(xiàn)93%的N?O排放，缺氧區(qū)僅7%（圖9d）。  

 

排放因子：模型EF（0.94%進(jìn)水總氮負(fù)荷）顯著低于IPCC默認(rèn)值（1.6%），應(yīng)用模型可減少年碳排放952噸CO?當(dāng)量。  

 

模型價(jià)值：嚴(yán)格的校準(zhǔn)協(xié)議（靈敏度分析+參數(shù)降維）提升預(yù)測(cè)精度，證實(shí)機(jī)理模型在碳足跡評(píng)估中的優(yōu)越性。