N2O emission in partial nitritation-anammox process

部分亞硝化-厭氧氨氧化過程中的N2O排放

來源：Chinese Chemical Letters, Volume 31, 2020, Pages 28-38

《中國化學快報》，第31卷，2020年，頁碼28-38

 

摘要

摘要指出N2O是一種重要的溫室氣體，部分亞硝化-厭氧氨氧化（PNA）過程排放的N2O高于傳統氮去除過程。N2O在PNA中主要通過三個途徑產生：氨氧化細菌（AOB）反硝化、羥胺（NH2OH）氧化和異養反硝化菌反硝化。N2O排放數據因操作條件、生物反應器配置、監測系統和定量方法不同而差異顯著。在PNA常見操作參數范圍內，相對低溶解氧（DO）、低無機碳（IC）、高pH或低亞硝酸鹽濃度下，NH2OH氧化途徑主導N2O排放；而相對高DO、高IC、低pH或高亞硝酸鹽濃度下，AOB反硝化途徑主導。微生物群落分析顯示，AOB在部分亞硝化過程中高度富集，Nitrosomonadales目是主要N2O生產者；厭氧氨氧化過程中存在厭氧氨氧化菌、AOB和一定異養反硝化菌，Denitratisoma屬和顆粒深層異養反硝化菌是主要N2O生成菌。單段PNA反應器中微生物群落與雙段類似，需進一步研究N2O排放途徑與微生物群落的關系。

 

研究目的

研究目的是回顧PNA過程中N2O排放機制，比較不同規模PNA過程的N2O排放數據，深入討論DO、pH、IC/堿度/IC氮比、溫度和亞硝酸鹽濃度等關鍵影響因素，介紹N2O采樣和分析技術，分析PNA中與N2O排放相關的微生物群落，并提出N2O排放控制展望。

 

研究思路

研究思路是采用綜述方法，系統梳理現有文獻，首先闡述N2O在PNA中的生產機制，然后比較不同規模PNA過程的N2O排放數據，接著詳細討論影響因素如DO、pH、IC、溫度和亞硝酸鹽濃度的作用，再介紹氣體相、液相和污泥顆粒中N2O的測量技術，包括離線和在線方法，并分析部分亞硝化、厭氧氨氧化和單段PNA反應器中的微生物群落特征，最后提出未來研究方向。

 

測量的數據及研究意義

1. N2O排放數據：論文總結了不同規模PNA過程的N2O排放百分比，如全規模廠為0.35%-6.60%氮負荷，中試規模為0.51%-3.60%，實驗室規模為0.08%-4.00%。這些數據來自Table 1，研究意義是揭示N2O排放變異大，強調操作條件和測量方法標準化的重要性，以支持排放評估和機制研究。

 

2. N2O生產途徑數據：通過機制圖展示N2O在PNA中的三個主要生成途徑，包括AOB反硝化、NH2OH氧化和異養反硝化。這些數據來自Fig.1，研究意義是幫助理解N2O生成的多路徑性，為控制策略提供理論依據，例如在特定條件下優化途徑以減少排放。

 

3. 影響因素數據：論文分析了DO、pH、IC、溫度和亞硝酸鹽濃度對N2O排放的影響，例如DO增加可能抑制NH2OH氧化途徑但促進AOB反硝化。這些數據分散在文本中，部分參考Fig.1和相關描述，研究意義是識別關鍵操作參數，指導實踐優化以減少N2O排放，如通過控制DO和pH來最小化排放。

4. 微生物群落數據：使用熒光原位雜交（FISH）等技術顯示部分亞硝化顆粒中AOB富集、NOB稀少，厭氧氨氧化顆粒中以Candidatus Brocadia為主。這些數據來自Fig.5，研究意義是揭示微生物結構與N2O排放的關聯，支持靶向微生物管理以控制排放。

 

5. N2O測量技術數據：介紹了氣相和液相N2O的采樣分析方法，如氣相色譜、紅外分析儀和微電極。這些數據來自Fig.2、Fig.3和Fig.4，研究意義是評估不同技術的優缺點，推動準確測量以改善排放量化。

 

 

 

結論

1. PNA過程排放較高N2O，主要通過AOB反硝化、NH2OH氧化和異養反硝化途徑產生，排放數據變異大，需標準化測量方法。

2. 影響因素如DO、pH、IC、溫度和亞硝酸鹽濃度顯著影響N2O排放途徑和量，例如低DO和高亞硝酸鹽促進AOB反硝化。

3. 微生物群落分析顯示AOB在部分亞硝化中主導，厭氧氨氧化菌在PNA中占大比例，微生物分層分布與N2O排放相關。

4. 未來需進一步闡明N2O生成途徑，優化操作參數以減少排放，并加強微生物群落與排放關系的研究。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于其高空間分辨率能力，能夠原位實時監測污泥顆粒或生物膜中的N2O濃度分布。例如，微電極可測量顆粒內部不同深度的N2O剖面，結合FISH技術揭示N2O主要在好氧層生成，從而幫助理解N2O的生成、遷移和轉化機制。這種測量方法支持定性分析N2O排放熱點，為優化PNA過程參數（如DO控制）提供依據，減少排放。此外，微電極技術克服了傳統方法無法探測顆粒內部的問題，增強了N2O排放研究的準確性和深度，對實際廢水處理中的溫室氣體控制具有重要應用價值。