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本研究的主要作者包括Feng Chen、Yingrui Liu、Yanying He、Xueming Chen、Tingting Zhu和Yiwen Liu。研究机构包括天津大学环境科学与工程学院以及福州大学环境与安全工程学院。该研究发表于2023年2月的《Science of the Total Environment》期刊，文章编号为162446。
本研究的科学领域为废水处理中的生物脱氮过程，特别是基于颗粒污泥的同时硝化与反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND）系统。研究的背景在于，氮去除过程中不可避免地会产生中间产物一氧化二氮（N₂O），这是一种强效温室气体，其温室效应是二氧化碳的300倍以上。尽管SND技术在特定条件下能够高效去除氮，但其复杂的生化过程容易受到外部因素影响，导致氮代谢和N₂O转化的不确定性。因此，本研究旨在通过数学模型评估操作条件对总氮（Total Nitrogen, TN）去除和N₂O生成的影响，揭示N₂O转化的潜在机制，并为减少N₂O排放提供策略。
本研究的主要流程包括以下几个步骤：
模型构建：研究采用了一个基于颗粒污泥的SND系统的一维扩散-反应模型，该模型包括N₂O生成的三个主要途径：氨氧化细菌（Ammonia Oxidizing Bacteria, AOB）的反硝化途径、羟胺（NH₂OH）氧化途径以及异养细菌（Heterotrophic Bacteria, HB）的反硝化途径。模型通过Aquasim平台实现，模拟了不同操作条件下TN去除和N₂O生成的变化。
模拟场景设计：研究设计了七个模拟场景，分别考察了溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）浓度、颗粒大小、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）浓度和水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）对系统性能的影响。每个场景下，计算了TN去除效率、N₂O生成因子、微生物群落结构以及N₂O转化途径的贡献。
数据采集与分析：通过模拟，研究获得了不同操作条件下TN去除效率和N₂O生成因子的变化趋势，并分析了各途径对N₂O生成的贡献。此外，研究还深入探讨了颗粒内部氮氧化物转化速率的变化，揭示了N₂O生成和消耗的机制。
结果验证与优化：基于模拟结果，研究提出了优化操作条件的策略，通过同时调整多个操作参数，能够在保持高TN去除效率的同时，显著降低N₂O生成因子。
DO浓度的影响：模拟结果显示，随着DO浓度的增加，TN去除效率先升高后降低，而N₂O生成因子则先增加后减少。高DO浓度下，NH₂OH途径和AOB反硝化途径对N₂O生成的贡献较大，而HB反硝化途径则逐渐成为N₂O的消耗途径。
颗粒大小的影响：颗粒大小对TN去除效率和N₂O生成因子有显著影响。较小的颗粒（半径<250 μm）由于缺氧区受限，TN去除效率较低，N₂O生成因子也较低。随着颗粒大小的增加，TN去除效率先升高后降低，N₂O生成因子则呈现先增加后减少的趋势。
COD浓度的影响：COD浓度的增加提高了HB的丰度，但抑制了AOB的生长。TN去除效率随着COD浓度的增加先升高后降低，而N₂O生成因子则在低COD浓度下显著增加，并在高COD浓度下逐渐降低。
HRT的影响：HRT的延长对TN去除效率和N₂O生成因子有显著影响。适当的HRT（8小时）能够显著提高TN去除效率，但过长的HRT会导致有机物的不足，降低TN去除效率。N₂O生成因子在HRT为9小时时达到峰值，随后逐渐降低。
颗粒内部的N₂O转化机制：研究揭示了颗粒内部N₂O生成的复杂机制。在颗粒的外层（300-450 μm），NH₂OH途径和AOB反硝化途径主导N₂O的生成，而HB反硝化途径则成为N₂O的消耗途径。在颗粒的内层（0-300 μm），HB反硝化途径则成为N₂O的生成源。
本研究通过数学模型系统评估了操作条件对颗粒污泥SND系统中TN去除和N₂O生成的影响，揭示了N₂O生成的复杂机制。研究表明，通过同时调整DO浓度、颗粒大小、COD浓度和HRT，能够在保持高TN去除效率（>80%）的同时，显著降低N₂O生成因子（<0.5%）。这一结果为设计和操作颗粒污泥SND系统提供了重要指导，并为减少N₂O排放提供了可行的策略。
多途径N₂O生成机制：本研究首次系统评估了颗粒污泥SND系统中三种N₂O生成途径的贡献，揭示了NH₂OH途径的主导作用以及HB反硝化途径的双重角色（既可以是N₂O的生成源，也可以是消耗途径）。
操作条件的优化策略：研究提出了通过同时调整多个操作参数来降低N₂O生成因子的策略，为实际工程应用提供了重要参考。
颗粒内部的氮转化机制：研究深入探讨了颗粒内部氮氧化物的转化速率，揭示了N₂O生成和消耗的空间分布规律，为理解颗粒污泥SND系统的复杂代谢过程提供了新的视角。
本研究还探讨了颗粒污泥SND系统中微生物群落的分布及其对TN去除和N₂O生成的影响，为进一步优化系统性能提供了理论基础。此外，研究还强调了数学模型在揭示复杂生物过程和制定减排策略中的重要作用。