这篇文档属于类型b，是一篇综述论文。以下是针对该文档的学术报告：

作者与机构
本文由Lan Wu（悉尼科技大学水与废水技术中心）、Lai Peng（武汉理工大学资源与环境工程学院）、Wei Wei（通讯作者，悉尼科技大学）和Dongbo Wang（湖南大学环境科学与工程学院）等学者合作完成，发表于2020年的《Journal of Hazardous Materials》。

主题与背景
论文主题聚焦于污水处理过程中产生的氧化亚氮（N₂O）的能源化潜力。传统上，N₂O被视为强效温室气体，但其作为高能氧化剂的特性未被充分开发。随着污水处理能耗成本上升，研究者提出将N₂O转化为能源，实现“能源中和”或“能源正产出”的污水处理模式。本文系统综述了N₂O的能源化路径、生物产生机制、潜在回收工艺及捕获策略，填补了该领域系统性知识的空白。

主要观点与论据

1. N₂O的能源化理论基础
   N₂O可通过两种反应释放能量：

   • 催化分解：在催化剂作用下分解为N₂和O₂，释放82 kJ/mol能量。贵金属催化剂（如Ag-沸石）可在常温下高效分解N₂O，但成本高；非贵金属催化剂（如Co₃O₄、钙钛矿）需较高温度（300–600°C），且受O₂、NO和水蒸气干扰。
     
   • 与甲烷（CH₄）共燃烧：N₂O作为氧化剂与CH₄反应，能量产出比传统燃烧高37%（ΔH = −1219 kJ/mol）。案例显示，CANDO（耦合好氧-缺氧N₂O分解工艺）通过此反应提升能源回收率1.07倍。
     

2. 污水处理中N₂O的生物产生机制
   N₂O主要来源于两类微生物活动：

   • 氨氧化细菌（AOB）：通过羟胺（NH₂OH）氧化和硝化菌反硝化两条路径产生N₂O。高NH₄⁺、低NO₂⁻及动态溶解氧（DO）条件可促进AOB贡献（占N₂O排放的3.8%）。
     
   • 反硝化菌：在低DO、低COD/N或高NO₂⁻条件下，反硝化酶（如NOS）活性受抑制，导致N₂O积累。例如，硫自养反硝化（SOAD）中，H₂S和游离亚硝酸（FNA）联合抑制NOS，使N₂O转化率超50%。
     

3. N₂O回收的潜在生物工艺

   • CANDO工艺：分三步：（1）短程硝化（NH₄⁺→NO₂⁻）；（2）反硝化（NO₂⁻→N₂O）；（3）N₂O能源化。通过调控pH、DO和碳源（如PHB储存）可提升N₂O产率至65%。
     
   • 光驱动自养反硝化：硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）与半导体（如CdS）耦合系统，利用光生电子驱动NO₃⁻还原为N₂O，转化效率达70%，且气体产物中N₂O纯度达96.4%。
     

4. N₂O捕获技术挑战
   N₂O的高水溶性（25°C时溶解度为1.6 g/L）制约其回收。现有技术包括：

   • 气体吹脱：以He为载体，但需后续纯化，成本高。
     
   • 膜接触法：非分散气液界面可高效提取N₂O，但膜污染问题突出。盐度提升（如处理含盐废水）可增强N₂O剥离效率，但可能影响微生物群落。
     

论文价值与意义
本文首次整合了N₂O从产生到能源化的全链条技术路径，提出将污水处理从“能耗者”转为“产能者”的革新理念。其科学价值在于：
1. 揭示了微生物代谢与N₂O产生的关联机制，为工艺优化提供理论依据；
2. 评估了多种生物工艺（如CANDO、光驱动系统）的工程可行性，推动中试研究；
3. 指出催化剂开发、N₂O捕获技术是未来突破重点。

亮点
- 跨学科整合：结合环境微生物学、催化化学与能源工程，提出“以废治废”策略。
- 技术创新性：光驱动自养反硝化系统利用太阳能驱动N₂O生产，为可持续技术范例。
- 应用潜力：若N₂O回收率提升至80%，一座日处理10万吨水的厂年发电量可达2.1 GWh。

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