Characteristics of N2O Emission in Distilled Water and Activated Sludge Mixture  

蒸餾水與活性污泥混合物中N2O排放特性  

來(lái)源：Water, Air, & Soil Pollution, Volume 230, Article number 31, 2019

《水、空氣與土壤污染》，第230卷，文章編號(hào)31，2019年

 

摘要  

本研究通過(guò)批次實(shí)驗(yàn)測(cè)定了N2O在蒸餾水和活性污泥混合物中的總體積傳質(zhì)系數(shù)（KLa），發(fā)現(xiàn)兩種介質(zhì)中N2O排放過(guò)程存在顯著差異。蒸餾水中N2O的KLa值（約0.01 min?1）在不同初始濃度下保持穩(wěn)定，而活性污泥混合物中KLa值（0.008–0.014 min?1）隨初始N2O濃度增加而升高，這是由于污泥中微生物的內(nèi)源反硝化作用消耗N2O所致。研究表明，活性污泥中的生化反應(yīng)干擾了N2O傳質(zhì)過(guò)程，因此建議在計(jì)算生物脫氮過(guò)程中N2O排放速率時(shí)使用蒸餾水而非活性污泥混合物測(cè)定KLa值。

 

研究目的  

本研究旨在探究蒸餾水和活性污泥混合物中N2O的排放特性，通過(guò)測(cè)定兩種介質(zhì)中的總體積傳質(zhì)系數(shù)（KLa），分析N2O從液相向氣相釋放的機(jī)制差異，并評(píng)估微生物生化反應(yīng)對(duì)N2O傳質(zhì)過(guò)程的影響，為準(zhǔn)確計(jì)算污水處理過(guò)程中N2O排放速率提供方法學(xué)依據(jù)。

 

研究思路  

研究采用六聯(lián)攪拌器裝置，在非密封燒杯中對(duì)蒸餾水和活性污泥混合物（MLSS≈3540 mg/L）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)注入不同體積的壓縮N2O氣體形成梯度初始濃度（蒸餾水組：0.92–21.61 mg N/L；污泥組：3.21–21.98 mg N/L），在恒定攪拌速度（110 r/min）和室溫（16.2–18.2°C）條件下，使用丹麥Unisense微電極在線監(jiān)測(cè)溶解N2O濃度衰減曲線，擬合指數(shù)方程計(jì)算KLa值，并對(duì)比兩種介質(zhì)的排放持續(xù)時(shí)間、傳質(zhì)系數(shù)變化及微生物反應(yīng)的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 初始N2O濃度與傳質(zhì)系數(shù)（KLa）關(guān)系數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.2（蒸餾水）和Fig.4（活性污泥）。研究意義：蒸餾水KLa穩(wěn)定（0.01±0.0008 min?1），表明N2O排放僅受物理傳質(zhì)控制；活性污泥KLa隨濃度增加（0.008→0.014 min?1），揭示微生物內(nèi)源反硝化消耗N2O，導(dǎo)致表觀傳質(zhì)系數(shù)升高，說(shuō)明生化反應(yīng)干擾測(cè)量準(zhǔn)確性。  

 

 

2 N2O排放持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.3（蒸餾水）和Fig.5（活性污泥）。研究意義：蒸餾水中排放時(shí)間隨初始濃度拋物線增長(zhǎng)（220–525 min），符合物理傳質(zhì)規(guī)律；活性污泥中呈線性縮短，證實(shí)微生物反應(yīng)加速N2O消耗，需區(qū)分物理與生化貢獻(xiàn)。  

 

 

3 排放速率對(duì)比數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.7。研究意義：活性污泥N2O排放速率低于蒸餾水，差值區(qū)域"S"（約0.53 mg N/L·min）量化了內(nèi)源反硝化速率，為建模提供關(guān)鍵參數(shù)。  

 

4 微生物活性影響數(shù)據(jù)。研究意義：低N2O濃度（<15 mg N/L）時(shí)微生物反應(yīng)弱，高濃度時(shí)細(xì)胞內(nèi)聚合物驅(qū)動(dòng)反硝化，強(qiáng)調(diào)操作條件對(duì)N2O歸趨的影響。

 

結(jié)論  

1 蒸餾水中N2O傳質(zhì)系數(shù)穩(wěn)定，排放速率僅取決于實(shí)時(shí)溶解濃度，適用于物理傳質(zhì)過(guò)程模擬。  

2 活性污泥中N2O傳質(zhì)系數(shù)受初始濃度和微生物活動(dòng)雙重影響，內(nèi)源反硝化消耗N2O導(dǎo)致表觀KLa升高，無(wú)法真實(shí)反映傳質(zhì)過(guò)程。  

3 建議采用蒸餾水測(cè)定KLa值計(jì)算N2O排放速率，避免活性污泥中生化反應(yīng)干擾，提高生物脫氮過(guò)程N(yùn)2O排放評(píng)估的準(zhǔn)確性。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究使用丹麥Unisense微電極（測(cè)量范圍0.1–500 μM，誤差<2%）在線監(jiān)測(cè)溶解N2O濃度，每秒采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究意義在于：該電極精準(zhǔn)捕捉N2O濃度衰減曲線（R2≥0.95），為擬合指數(shù)方程（C_{N2O}=C_0 e^{-KLa t}）提供可靠數(shù)據(jù)源，從而準(zhǔn)確計(jì)算KLa值。在活性污泥體系中，電極數(shù)據(jù)揭示N2O濃度非對(duì)稱下降（前200分鐘快速衰減，后180分鐘緩慢衰減），間接證實(shí)細(xì)胞內(nèi)聚合物消耗動(dòng)態(tài)（Fig.4），為區(qū)分物理傳質(zhì)與生化反應(yīng)提供關(guān)鍵證據(jù)。Unisense電極的高靈敏度確保了低濃度N2O（如0.1 mg N/L）的檢測(cè)可靠性，避免了傳統(tǒng)氣相色譜法在非密封系統(tǒng)中的誤差，為N2O排放機(jī)制研究提供了技術(shù)保障。