研究简介:本研究对废水生物脱氮过程中强温室气体N₂O的排放机制差异进行了研究。N₂O是一种重要的温室气体，其全球变暖效应在100年尺度上是CO₂的265倍、CH₄的9.5倍，还可能破坏臭氧层、引发酸雨。废物处理（包括垃圾填埋和污水处理）是N₂O的重要人为排放源，且排放量逐渐增加，污水处理中的N₂O主要来自生物脱氮过程。N₂O的全球增温潜势是CO₂的265倍，且会破坏臭氧层，而污水处理厂是其重要人为来源。以往研究多直接以活性污泥混合物为对象测定N₂O排放速率，忽略了微生物内源反硝化对N₂O的消耗，可能高估实际排放量。为厘清物理传质与生化反应的相对贡献，研究人员通过设计平行批式实验，以蒸馏水与活性污泥混合物为对照，并利用Unisense氧化亚氮微电极在线监测六组不同初始N₂O浓度下溶解N₂O的动态变化，并通过指数拟合求得总容积传质系数KLa。结果显示：蒸馏水中KLa稳定于0.01 min⁻¹，排放过程仅受物理传质控制；活性污泥中KLa随初始N₂O浓度升高由0.008增至0.014 min⁻¹，表明微生物利用胞内储存物进行内源反硝化，额外消耗N₂O。高浓度区（>15 mg N/L）两者排放速率差值恒定为0.53 mg N L⁻¹min⁻¹，可直接量化为污泥的N₂O还原速率。研究建议，在后续建立N₂O排放模型或核算污水厂温室气体清单时，应优先采用蒸馏水体系测定KLa，以排除生化反应的干扰，从而提高计算精度。

Unisense氧化亚氮微电极系统的应用

Unisense微电极用于监测液体中溶解态氧化亚氮N₂O的浓度。实验在六个相同的500mL未密封烧杯中进行，分为两组，组I加入400mL蒸馏水，组II加入取自西安某城市污水处理厂并经培养的400mL活性污泥混合物。向两组烧杯中分别注入不同体积的压缩N₂O气体，使N₂O充分溶解在溶液中。使用Unisense微电极对液体中溶解态N₂O浓度进行在线监测。该微电极的测量间隔为10s，测量范围是0.1-500μM，测量误差小于2%。测量时，微电极将检测到的电压通过标准曲线计算，从而获得溶解态N₂O的浓度。在固定搅拌速度、非曝气且室温（16.2-18.2°C）的条件下，让溶解态N₂O从烧杯中不断逸出。通过计算机记录在线探针测量的N₂O浓度每秒的下降值，直至反应器中溶解态N₂O浓度下降接近零或不再变化。所得曲线代表N₂O浓度随时间的变化，将该曲线与相关指数函数进行拟合，进而得到N₂O的总容积传质系数，用于后续计算N₂O排放速率等参数。

实验结果

结果表明，蒸馏水中N₂O的总容积传质系数相对稳定，约为0.01/min，不受初始N₂O浓度的影响。这表明在蒸馏水中，N2O的排放速率仅与实时溶解态N₂O浓度相关。相比之下，活性污泥混合物中N₂O的总容积传质系数随初始N2O浓度的增加而增大，范围为0.008–0.014/min。这一现象归因于活性污泥中微生物的内源反硝化作用，即微生物利用胞内储存的聚合物作为电子供体，将N2O还原为N2，从而加速了N₂O的消耗。当初始N₂O浓度高于15 mg N/L时，活性污泥混合物与蒸馏水之间的N₂O排放速率差异趋于稳定，约为0.53 mg N/L·min，这可视为微生物内源反硝化的反应速率。由于活性污泥混合物中的N₂O排放过程受到微生物生化反应的显著影响，其总容积传质系数不能真实反映N2O的传质过程，因此不适用于计算N₂O的排放速率和总量。相反，蒸馏水体系中的N₂O排放特性更为稳定，建议在开放系统中使用蒸馏水来测定N₂O的总容积传质系数，以提高对污水处理过程中N2O排放机制的理解和估算精度。

图1、反应装置示意图。图中展示了实验所用的六联搅拌器（JJ-4A）和六个相同的敞口烧杯（500 mL），用于进行N2O排放实验。烧杯中分别加入蒸馏水或活性污泥混合物，并注入不同体积的压缩N2O气体，通过搅拌使N2O充分溶解并持续逸出。

图2、不同初始N₂O浓度下蒸馏水中N2O的总容积传质系数。六个烧杯（1#至6#）在不同初始N2O浓度下，蒸馏水中N2O的总容积传质系数（KLa）。结果显示，KLa在不同初始浓度下相对稳定，约为0.01/min。

图3、不同初始N₂O浓度下蒸馏水中的N2O排放持续时间。从图中可以看出，不同初始N2O浓度下，蒸馏水中N2O排放至浓度降至0.1 mg N/L所需的时间。结果显示，随着初始N2O浓度的增加，排放持续时间先增加后减少。

图4、不同初始N₂O浓度下活性污泥混合物中N2O的总容积传质系数。从图中可以获得六个烧杯（1#至6#）在不同初始N2O浓度下，活性污泥混合物中N2O的总容积传质系数（KLa）。随着初始N2O浓度的增加，KLa从0.008/min增加到0.014/min。

图5、不同初始N₂O浓度下活性污泥混合物中的N2O排放持续时间。图中显示了不同初始N₂O浓度下，活性污泥混合物中N2O排放至浓度降至0.1 mg N/L所需的时间。结果显示，随着初始N₂O浓度的增加，排放持续时间呈线性减少。

结论与展望

为了探究蒸馏水和活性污泥混合物中溶解态氧化亚氮（N₂O）的排放特性，研究人员通过批量实验测定了N2O在蒸馏水和活性污泥混合物中的总容积传质系数。结果表明，N₂O在蒸馏水和活性污泥混合物中的排放过程存在差异。在不同初始N2O浓度下，蒸馏水中N₂O的总容积传质系数相对稳定，而活性污泥混合物中N₂O的总容积传质系数则随着初始N₂O浓度的升高而增大，这是由于混合物中的微生物进行内源反硝化作用所致。Unisense微电极作为核心监测工具，为本研究提供了高频率、高精度的溶解N2O浓度数据，是整个实验计算KLa和N₂O排放速率的关键数据来源。由于活性污泥中的异养细菌会对N₂O进行还原和消耗，因此N₂O从混合物向大气中逸出的传质过程涉及生化反应。因此在计算生物脱氮过程中N₂O排放速率的实验中，建议采用蒸馏水来测定总容积传质系数。