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假設(shè)污水廠使用了綠色能源(太陽能和風(fēng)能)，并且使用了厭氧消化實(shí)現(xiàn)能量自給，污水廠是否就算實(shí)現(xiàn)碳中和呢？恐怕未必。在此之前，我們還要先弄清楚一種超級(jí)溫室氣體在污水廠的排放情況，它就是笑氣。笑氣，學(xué)名一氧化二氮，化學(xué)式為N2O，它的溫室效應(yīng)強(qiáng)度是二氧化碳的265倍。
圖. 一氧化二氮的溫室氣體強(qiáng)度 | 圖源：Climate Central
在過去二十年里，很多學(xué)者都在研究N2O在活性污泥工藝中的生成和轉(zhuǎn)化途徑。但這些研究結(jié)果將如何轉(zhuǎn)化成為污水廠運(yùn)行人員用以控制N2O釋放的方法策略呢？最近，奧地利維也納工業(yè)大學(xué)(TU Wien) 水質(zhì)與資源管理研究所的團(tuán)隊(duì)在《Journal of Environmental Management》上發(fā)表文章，稱找到了一種較為方便的方法來估算N2O在污水廠的釋放情況。
N2O的形成路徑
此前已經(jīng)有不少文獻(xiàn)介紹過N2O在污水廠的形成路徑，例如，2012年，瑞士EAWAG團(tuán)隊(duì)就總結(jié)過下邊這張可能生成N2O的菌種反應(yīng)途徑圖。
圖. N2O形成途徑示意圖 | 圖源：frontiers in microbiology
目前污水處理廠的主流脫氮技術(shù)依然是通過自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)反硝化這兩個(gè)微生物反應(yīng)來進(jìn)行的。雖然這兩個(gè)過程都會(huì)產(chǎn)生N2O，但目前學(xué)界認(rèn)為釋放到大氣中的N2O主要來自曝氣池，因?yàn)樵谶@里有大量氣體從液相轉(zhuǎn)移到空氣中。
采樣對(duì)象
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)奧地利10個(gè)污水處理廠的N2O排放進(jìn)行測量，工作重點(diǎn)是要建立運(yùn)行參數(shù)和N2O直接排放之間的聯(lián)系。所以，他們?cè)谖鬯畯S的選擇上考慮了多樣性的因素，所選污水廠能夠反應(yīng)奧地利最常見的水處理工藝，所有污水廠都基于活性污泥法去除有機(jī)碳和氮磷。10個(gè)污水廠的負(fù)荷及水質(zhì)特性見下表。
表1. 10個(gè)污水廠的運(yùn)行情況
根據(jù)奧地利相關(guān)法規(guī)：設(shè)計(jì)負(fù)荷大于5000PE的污水廠，其總氮年平均去除率要>70%。其中有7個(gè)污水廠有厭氧消化。大部分廠都是用前置反硝化來脫氮，少部分使用間歇性反硝化。這些污水廠都有SCADA系統(tǒng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)均是從各自系統(tǒng)中直接調(diào)取，并通過物料平衡分析來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的一致性。
在2012-2018年間，研究人員一共采樣20次，并對(duì)大部分污水廠進(jìn)行了兩次采樣，一次在低溫季節(jié)，一次在高溫季節(jié)，以此考察N2O釋放的季節(jié)性變化。采樣位置包括了所有的曝氣池，以及消化液處理單元。他們使用浮罩來收集氣樣，浮罩里裝有專用的傳感器，來對(duì)溶解性和氣態(tài)的N2O進(jìn)行連續(xù)的在線測量。另外他們還用真空玻璃瓶（20ml）單獨(dú)收集氣樣，用于氣質(zhì)聯(lián)譜分析(GC-MS)測定，最后與紅外氣體分析儀的結(jié)果做對(duì)比分析。
圖. 污水廠采集N2O氣體的浮罩外觀 | 圖源：Youtube截圖
圖. 奧地利N2O采樣系統(tǒng) | 圖源：ScienceDirect
圖. 丹麥UniSense測量溶解性 N2O微傳感器外觀| 圖源：Unisense
圖. 測量氣態(tài)N2O的紅外傳感器設(shè)備 | 圖源：ThermoFisher
N2O的源頭
經(jīng)過長期跟蹤測量，最后確認(rèn)活性污泥反應(yīng)池是N2O的源頭。10個(gè)污水廠的曝氣池都測得了N2O的排放，而硝化反應(yīng)是主要的產(chǎn)生和釋放途徑。
圖. 曝氣池是N2O的主要源頭
污水廠G的情況見下圖。如圖所示，硝化反應(yīng)啟動(dòng)之后，就開始有N2O的產(chǎn)生。當(dāng)氨氮濃度低時(shí)，硝化進(jìn)程受限，N2O的產(chǎn)量也隨之減少。
圖. 在間歇微孔曝氣硝化段的N2O釋放模式(污水廠G)
連續(xù)曝氣好氧池N2O的釋放情況見下圖。同樣可以看到N2O和氨氮的關(guān)聯(lián)。根據(jù)Monod曲線描述的NH4+濃度與AOB菌生長速率之間的相關(guān)性，研究人員認(rèn)為AOB活性增加可能是導(dǎo)致較高N2O產(chǎn)量的原因。很多文獻(xiàn)都記錄了N2O與NH4+轉(zhuǎn)化的耦合趨勢。但因?yàn)闆]有測亞硝態(tài)氮，所以無法確認(rèn)N2O的生成是否和亞硝酸鹽的積累有關(guān)。
圖. 在連續(xù)式微孔曝氣硝化段的N2O釋放模式(污水廠E)
N2O的去向
研究人員在缺氧區(qū)沒有觀察到N2O的富集——所有污水廠的前置反硝化段的N2O濃度都接近零。如下圖所示，在間歇曝氣的情況下，在反硝化段結(jié)束、曝氣開始之后直到硝化反應(yīng)開始為止，在排放氣體中也沒有檢測到N2O的增加。
他們認(rèn)為，這表明在反硝化階段，硝態(tài)氮完全轉(zhuǎn)化成氮?dú)饬耍]有N2O的積累；反硝化菌能將好氧段形成的N2O還原，還原的量多過在反硝化階段產(chǎn)生的N2O。這意味著反硝化階段是控制污水廠N2O排放的關(guān)鍵所在。
圖. 在間歇曝氣池里，N2O在液相和氣相的濃度變化(污水廠F)
更簡明的對(duì)應(yīng)關(guān)系
根據(jù)上述結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)給自己提出了一個(gè)問題——能否在工藝參數(shù)和N2O的釋放之間找到對(duì)應(yīng)關(guān)系？為此，他們先整理了和N2O排放相關(guān)的工藝參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見下表2。
表2. 根據(jù)進(jìn)水TKN作標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換的N2O–N排放因子平均值
他們發(fā)現(xiàn)，污水廠B、C和G的EF-N2O-WWTP最低，這幾個(gè)污水廠都沒有初沉池，泥齡較長，總氮去除率較高，好氧池的氨氮也保持在較低的水平。其實(shí)，早在2010就有文獻(xiàn)表示，那些總氮去除率接近100%的污水廠中N2O的排放因子要比其他只有部分硝化的污水廠低。
有厭氧消化的污水廠的情況更復(fù)雜，這主要因?yàn)椋?）泥齡更短；2）生物段進(jìn)水的TN/COD值高(初始污泥帶走了COD，回流的消化液富含氨氮)。這兩個(gè)因素增加了曝氣池氨氮濃度的波動(dòng)，同時(shí)也降低了總氮的去除效率。
最后他們用多元線性回歸分析的方法對(duì)這些參數(shù)和N2O的關(guān)系進(jìn)行了分析。最后發(fā)現(xiàn)，污水廠和好氧池中N2O的排放和總氮去除率、曝氣池的進(jìn)水TN/COD比值和水溫有關(guān)。其中，總氮去除率和污水廠N2O釋放因子的J決定系數(shù)(R2)最高，為84.6%，呈顯著的負(fù)線性相關(guān)。
圖. TN去除率和N2O排放的多元線性回歸分析
他們表示，這個(gè)模型代表了一種新穎的估算方法，該方法將N2O排放量與污水廠運(yùn)行聯(lián)系在一起，比采用固定N2O排放因子的方法更直觀易懂——按照這些模式，如果污水廠負(fù)荷低，總氮去除率能達(dá)83-92%時(shí)，N2O排放量就會(huì)很低(每kg進(jìn)水TKN會(huì)釋放0.0012 ± 0.001 kg N2O–N)，就不難理解了。
小結(jié)
奧地利團(tuán)隊(duì)工作的最大意義在于，通過長時(shí)間的跟蹤采樣分析，印證了此前其他研究的一些結(jié)論，包括N2O的產(chǎn)生和釋放與氨氮濃度、硝化/反硝化反應(yīng)的關(guān)系。通過避免AOB菌過載和促進(jìn)反硝化反應(yīng)的完全進(jìn)行，能有效減少污水廠中N2O的排放。從管理角度而言，他們提出的N2O與總氮去除率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能幫助污水廠運(yùn)行團(tuán)隊(duì)更快捷地通過調(diào)整運(yùn)行運(yùn)行和曝氣策略，在提高總氮去除率的同時(shí)，就幫助降低溫室氣體的排放。
除了奧地利，世界各地的很多污水廠現(xiàn)在都有開展N2O排放的相關(guān)研究，這些研究最終都將為污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)一份力量。
澳大利亞阿德萊德的南澳水務(wù)公司和昆士蘭大學(xué)袁志國教授團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合研究
參考資料
https://www.climatecentral.org/outreach/alert-archive/2016_10.24_GHG-Bulletin.php
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2012.00372/full
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969716302832
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.2175/106143010X12681059116897