The Effects of Different External Carbon Sources on Nitrous Oxide Emissions during Denitrification in Biological Nutrient Removal Processes

不同外部碳源對生物營養去除過程中反硝化期間氧化亞氮排放的影響

來源：IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 301, 2018, Article 012111

《IOP 會議系列：材料科學與工程》，第301卷，2018年，文章編號012111

 

摘要

摘要部分闡述了該研究調查了兩種不同外部碳源（乙酸和乙醇）對生物營養去除過程中反硝化期間氧化亞氮（N2O）排放的影響。結果顯示，外部碳源顯著影響反硝化過程中的N2O排放。當乙酸作為外部碳源時，在缺氧和厭氧/缺氧實驗中分別產生0.49 mg N/L和0.85 mg N/L的N2O，N2O-N產量與總氮去除率的比例分別為2.37%和4.96%。與乙酸相比，乙醇作為外部碳源時N2O產量可忽略不計，表明從N2O排放角度考慮，乙醇是乙酸的潛在替代碳源。

 

研究目的

研究目的是調查乙酸和乙醇作為外部碳源對反硝化過程中N2O排放的影響，以評估碳源選擇在減少溫室氣體排放方面的潛力。

 

研究思路

研究思路通過實驗室批處理實驗進行，包括單相（缺氧）和兩相（厭氧/缺氧）實驗。使用來自全規模A2/O廠的混合液，在平行生物反應器中添加硝酸鹽和外部碳源（乙酸或乙醇），比例控制為6 g COD/g NO3-N。實驗過程中連續監測pH、氧化還原電位、溫度和溶解氧，并使用丹麥Unisense電極在線測量液相N2O濃度。定期取樣分析PO4-P、NO3-N、NO2-N和COD，并測定混合液懸浮固體和揮發性懸浮固體濃度。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了N2O排放濃度隨時間變化，數據來自圖2和圖3。研究意義是直接比較不同碳源下N2O排放動態，顯示乙酸導致N2O峰值濃度較高（缺氧實驗0.47 mg/L，厭氧/缺氧實驗0.95 mg/L），而乙醇排放可忽略，幫助識別碳源對溫室氣體產生的關鍵影響。

 

 

2 測量了總氮去除率和N2O產量比例，數據來自表1。研究意義是量化碳源效率，表明乙酸下N2O產量比例較高（缺氧實驗2.37%，厭氧/缺氧實驗4.96%），而乙醇下比例極低（分別為0.78%和0.39%），為優化碳源選擇提供數據支持。

 

3 測量了亞硝酸鹽濃度變化。研究意義是關聯N2O排放與亞硝酸鹽積累，發現乙酸下亞硝酸鹽峰值（0.83-0.89 mg NO2-N/L）與N2O排放增加相關，揭示反硝化中間產物對排放的促進作用。

 

結論

1 外部碳源類型顯著影響N2O排放，乙酸作為碳源時N2O產量較高，而乙醇排放較低。

2 乙醇是乙酸的潛在替代碳源，能從源頭上減少反硝化過程中的溫室氣體排放。

3 碳源限制和亞硝酸鹽積累是N2O排放的主要因素，需在操作中避免碳源耗盡。

 

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N2O數據的研究意義在于實現了實時、高精度的液相N2O濃度監測，從而準確捕捉反硝化過程中N2O排放的動態變化。該電極作為微型Clark型傳感器，能在線連續測量（如圖1所示實驗裝置），提供秒級響應數據，避免了傳統離線采樣的時間延遲和誤差。在本研究中，電極數據揭示了N2O排放的瞬時峰值（例如，乙酸碳源耗盡時N2O濃度驟升），幫助識別碳源可用性和亞硝酸鹽積累的關鍵影響機制。這種實時監測能力使研究人員能直接關聯操作條件（如碳源類型）與排放行為，為優化反硝化工藝、減少溫室氣體排放提供了可靠工具。此外，電極的高靈敏度確保了在低濃度N2O下的檢測可靠性（如乙醇實驗中的可忽略排放），突出了其在環境微生物學研究中的先進性，支持了碳源選擇對氣候變化 mitigation 的實踐意義。