这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

主要作者及研究机构

该研究由Jixiang Wang、Zejiao Li、Pengyu Xiong、Zhengwen Li、Hui Liu、Yili Zhang、Zhongfang Lei、Xiang Liu、Duu-Jong Lee和Xiaoyong Qian共同完成。研究团队来自多个机构，包括上海环境科学研究院（Shanghai Academy of Environmental Sciences）、复旦大学环境科学与工程系（Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University）、日本筑波大学生命与环境科学学院（Faculty of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba）、香港城市大学机械工程系（Department of Mechanical Engineering, City University of Hong Kong）以及台湾元智大学化学工程与材料科学系（Department of Chemical Engineering & Materials Science, Yuan-Ze University）。该研究于2024年4月26日在线发表在《Bioresource Technology》期刊上，文章编号为130748。

学术背景

该研究的主要科学领域是废水处理中的温室气体（GHG）排放控制，特别是针对活性污泥（Activated Sludge, AS）和好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）系统中的氧化亚氮（N₂O）和二氧化碳（CO₂）排放。随着全球气候变暖问题的加剧，废水处理厂（WWTPs）的温室气体排放已成为一个重要的环境问题。废水处理过程中产生的N₂O和CO₂是主要的温室气体来源，尤其是N₂O的温室效应是CO₂的265倍。尽管AGS技术在节能方面表现出色，但其在减少生物温室气体排放方面的潜力尚未得到充分研究。因此，该研究旨在通过气体循环策略，在封闭的序批式反应器（Sequencing Batch Reactor, SBR）中减少从AS到AGS系统的温室气体排放，特别是N₂O的排放。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 反应器设置与操作：
   研究使用了两台相同的SBR反应器，分别标记为RC（封闭系统）和RO（开放系统）。RC系统通过气体循环泵将反应器的气体出口与入口连接，以延长气体与污泥的接触时间。RO系统则保持开放状态，仅通过气体出口排放气体。两台反应器的工作体积均为12升，气体流速为6.0升/分钟，操作周期为6小时，包括进水、非曝气、曝气、沉降、排水和闲置阶段。通过逐渐缩短沉降时间，研究实现了从AS到AGS的颗粒化过程。

2. 实验操作与数据采集：
   研究通过周期测试分析了有机质和营养物的去除效率以及温室气体的排放情况。在RC系统中，气体样本通过注射器采集，并在气体循环期间立即测定；RO系统的气体样本则从气体出口采集。此外，研究还通过批次实验分析了N₂O的去除机制，测试了不同条件下的N₂O去除效率。

3. 数据分析与计算：
   研究通过一系列公式计算了温室气体的排放因子（Emission Factor, EF），包括N₂O、CO₂和CH₄的排放。公式考虑了气体和液体相中的温室气体质量变化，并结合了反应器的操作参数。

主要结果

1. 颗粒化过程：
   研究成功在封闭系统中实现了从AS到AGS的颗粒化，且RC系统中的颗粒结构更为规则。颗粒化过程中，EPS（Extracellular Polymeric Substances）含量显著增加，尤其是紧密结合的EPS（TB-EPS）和松散结合的EPS（LB-EPS）。EPS的增加被认为是颗粒化的重要驱动力。

2. 温室气体排放：
   从AS到AGS系统的转变过程中，N₂O排放因子显著增加，从0.07%上升到0.86%。这主要是由于氨氧化速率（AOR）的下降和污泥停留时间（SRT）的缩短。然而，气体循环策略显著减少了N₂O的排放，颗粒化后N₂O排放因子降低了63±15%。CO₂的排放则保持在较低水平，平均为0.3±0.1 kg-CO₂/kg-COD。CH₄的排放可以忽略不计。

3. N₂O去除机制：
   研究通过批次实验发现，异养反硝化（Heterotrophic Denitrification, HDN）是N₂O去除的主要途径。在提供足够的有机碳（DOC）条件下，N₂O的去除效率在厌氧和好氧条件下均超过99%。这表明，延长气体与细菌的接触时间可以有效促进N₂O的消除。

结论

该研究通过气体循环策略成功减少了AGS系统中的N₂O和CO₂排放，特别是通过异养反硝化途径实现了N₂O的消除。研究结果表明，封闭系统不仅能够稳定培养AGS，还能有效减少温室气体排放，为废水处理厂的可持续管理提供了可行的技术方案。此外，研究还揭示了颗粒化过程中EPS的作用及其对颗粒结构的影响。

研究亮点

1. 重要发现：
   气体循环策略显著减少了AGS系统中的N₂O排放，颗粒化后N₂O排放因子降低了63±15%。
   
2. 方法创新：
   研究首次将气体循环策略应用于AGS系统，延长了气体与细菌的接触时间，促进了N₂O的消除。
   
3. 研究对象的特殊性：
   研究聚焦于从AS到AGS系统的温室气体排放控制，填补了该领域的研究空白。

其他有价值的内容

研究还发现，封闭系统中的低pH条件（6.3±0.2）有助于颗粒的规则化，但也增加了总N₂O的产生。此外，研究为未来优化封闭系统提供了方向，例如通过调整溶解氧（DO）和pH条件进一步减少N₂O排放。