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

探索廢水資源回收過程中主流 SCEPPHAR 配置中的溫室氣體排放

來源：Science of the Total Environment 849 (2022) 157626

 

摘要核心內容

 

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

 

低排放水平：長期運行中，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反應器的N?O排放降低40%（圖6），而溶解氧（DO）設定值（1–3 g O?/m3）對N?O排放無顯著影響（表3）。

 

 

 

排放動態：N?O排放峰值出現在好氧階段初期（圖5C），與氨氧化菌（AOB）的瞬態代謝活動相關。

 

 

技術優勢：SCEPPHAR在實現碳、氮、磷高效去除（COD去除率76%、TN去除率67%、P去除率82%）的同時，兼具低GHG排放特性（圖2）。

 

 

研究目的

 

量化GHG排放：評估SCEPPHAR工藝長期運行中N?O和CH?的排放特征。

 

解析排放機制：探究亞硝酸鹽積累、DO控制等對N?O生成的影響。

 

優化減排策略：驗證不同曝氣策略（DO設定值調整、間歇曝氣）對N?O排放的抑制效果。

 

研究思路與技術路線

 

采用 “中試廠長期監測+控制變量實驗” 框架：

 

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

 

 

R1-HET（厭氧/缺氧/好氧序批式反應器）

R2-AUT（好氧硝化反應器）

R3-PRE（磷酸鹽沉淀反應器）

R4-INT（混合液交換反應器）

 

長期監測：連續運行700天，監測水質（NH??、NO??、PO?3?、COD）及GHG排放（N?O、CH?）。

 

控制實驗：

 

DO梯度實驗：對比DO設定值1/2/3 g O?/m3對N?O排放的影響（圖5）。

 

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

 

在線監測：采用Horiba氣體分析儀（氣相N?O/CH?）和Unisense微電極（溶解態N?O）實時采集數據。

 

關鍵數據及研究意義

1. 工藝性能數據（圖2，表1）

2. 

 

數據：

 

進水負荷：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%），滿足歐盟排放標準。

 

意義：證明SCEPPHAR在資源回收（磷回收率45–63%）同時實現高效污染物去除。

 

2. GHG排放數據（表2，圖3C）

 

數據：

 

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

 

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

 

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

 

3. 曝氣策略影響數據（表3，圖5–7）

4. 

 

數據：

 

DO設定值（1/2/3 g O?/m3）對N?O-EF無顯著影響（0.50–0.76%）。

 

間歇曝氣使N?O-EF降至0.40±0.21%（降幅40%）。

 

意義：揭示通過操作優化（非DO值調整）可實現N?O減排，為工藝控制提供新思路。

 

4. Unisense電極數據（圖5D, 6D, 7D）

 

數據：

 

溶解態N?O濃度峰值（>200 μg N/L）出現在好氧階段初期（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：

 

機制解析：證實N?O排放峰值源于AOB的瞬態代謝（好氧啟動階段）。

 

減排啟示：溶解N?O可在后續缺氧階段被反硝化菌還原，避免氣相釋放。

 

技術優勢：Unisense電極首次在SCEPPHAR工藝中捕捉到溶解-氣相N?O的動態平衡，為“抑制傳質而非產生”的減排策略提供依據。

 

核心結論

 

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

 

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

 

最優曝氣策略：間歇曝氣通過促進同步硝化-反硝化降低N?O排放40%，而DO設定值調整效果不顯著。

 

溶解N?O的歸宿：Unisense數據揭示溶解N?O可被后續反硝化消耗，為工藝設計提供新視角（如延長缺氧階段）。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與實驗設計

 

Unisense N?O微電極：

 

測量原理：電化學傳感，檢測溶解態N?O濃度（μg N/L）。

 

校準方法：預極化后，用N?飽和（零點）和N?O飽和（量程）溶液校準。

 

安裝位點：R2-AUT反應器內，實時監測好氧階段溶解N?O動態（圖5D, 6D, 7D）。

 

關鍵發現與機制解析

 

瞬態峰值機制（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），對應氣相排放峰值（圖5C）。

 

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

 

DO對溶解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通過影響氣體傳質系數（KLa）而非生物產生速率主導排放。

 

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%）。

 

復曝期：N?O排放量降低，因生物消耗減少可逸散量。

 

創新認知：間歇曝氣通過“促進生物消耗”而非“抑制產生”實現減排。

 

研究意義

 

深化機制理解：揭示溶解-氣相N?O的動態耦合，突破傳統僅關注氣相排放的局限。

 

指導工藝優化：證實通過調控傳質（如間歇曝氣）比抑制生物產生更易實現N?O減排。

 

技術標桿價值：為污水處理廠GHG在線監測提供高分辨率溶解態數據支持。

 

總結：本研究通過Unisense電極首次解析了SCEPPHAR工藝中溶解態N?O的動態規律，證實其作為“中間產物”可被生物轉化而非必然釋放，為污水處理廠GHG精準控制提供了理論和技術支撐。