学术研究报告：城市污水驱动的部分反硝化（PD）加剧氧化亚氮（N2O）产生的研究

一、研究团队与发表信息
本研究由Shenbin Cao（北京工业大学国家先进城市污水处理与再利用技术工程实验室）、Ziyi Cheng（北京工业大学建筑与土木工程学院）、Konrad Koch（德国慕尼黑工业大学城市水系统工程系）等合作完成，发表于《Journal of Cleaner Production》2024年第434卷（2023年11月在线发表）。研究聚焦污水处理过程中部分反硝化（Partial Denitrification, PD）工艺的温室气体排放问题。

二、学术背景与研究目标
氧化亚氮（N2O）是一种强效温室气体（温室效应为CO2的300倍），生物脱氮（BNR）过程是其重要人为排放源之一。部分反硝化（PD）是一种新兴工艺，通过将硝酸盐（NO3−）还原为亚硝酸盐（NO2−）并与厌氧氨氧化（Anammox）耦合，可高效去除污水中的氮。既往研究表明，以乙酸为碳源时PD几乎不产生N2O，但实际城市污水成分复杂，其作为碳源对N2O排放的影响尚不明确。本研究旨在揭示城市污水驱动PD过程中N2O的生成特性，并提出减排策略。

三、研究流程与方法
1. 主体反应器运行
- 装置：5升序批式反应器（SBR），每日运行12个周期（每周期20分钟缺氧搅拌）。
- 污泥培养：接种以乙酸为碳源培养的反硝化污泥（MLSS 3.5 g/L），初始硝酸盐转化率（NTR-NO2）达80%。
- 进水组成：混合实际城市污水（COD 189.8 mg/L, NH4+-N 60.3 mg/L）与合成硝酸盐废水（NO3−-N 1 g/L），通过调节COD/NO3−-N比（0.5~3.0）优化PD性能。

1. 批次实验设计

   • 反应体系：0.5升密闭锥形瓶，MLVSS 0.5~1 g/L，在线监测N2O（Unisense微传感器）。
     
   • 关键变量测试：
     
     • COD/NO3−-N比影响（0、1.0、2.0、3.0）：初始NO3−-N 80 mg/L，调节乙酸钠投加量。
       
     • pH影响（5.5、6.1、8.2、9.0）：通过HCl/NaOH调节，固定COD/NO3−-N=2.0。
       
     • 硝酸盐浓度影响（10~80 mg N/L）：调整城市污水比例（10%~30%）。
       

2. 数据分析

   • 计算NTR-NO2（亚硝酸盐积累率）和NTR-N2O（硝酸盐向N2O转化率），公式如下：
     [ \text{NTR-NO2} = \frac{\Delta \text{NO}_2^–\text{N}}{\Delta \text{NO}_3^–\text{N}} \times 100\%, \quad \text{NTR-N}_2\text{O} = \frac{\Delta \text{N}_2\text{O-N}}{\Delta \text{NO}_3^–\text{N}} \times 100\% ]

四、主要研究结果
1. N2O的高积累现象
- 城市污水驱动PD的NTR-N2O达10%，显著高于乙酸为碳源的PD（<0.01%）。
- 机制分析：污水中复杂有机物（如蛋白质、多糖）和铵盐（NH4+-N）共同导致电子供应不均衡，抑制N2O还原酶（Nos）活性。

1. COD/NO3−-N比的影响

   • 过量碳源（COD/NO3−-N=3.0）导致NO3−耗尽后，亚硝酸盐进一步还原为N2O，NTR-N2O飙升至63.4%。
     
   • 关键数据：碳源充足时，N2O生成速率达0.67 gN/gVSS/d，为低COD比例时的2倍。
     

2. pH的调控作用

   • 酸性条件（pH 5.5）严重抑制PD活性（NO3−还原速率仅0.19 gN/gVSS/d），但NTR-N2O高达39.9%。
     
   • 碱性条件（pH 9.0）虽降低反应速率，但N2O峰值浓度（8.6 mg N/L）仍高于中性条件。
     

3. 硝酸盐浓度的阈值效应

   • 低NO3−-N（10 mg/L）时NTR-N2O仅0.1%，而30 mg/L时升至9.4%，表明铵盐存在阈值（约16 mg NH4+-N/L）触发N2O大量生成。
     

五、结论与价值
1. 科学意义：首次揭示城市污水作为碳源时PD工艺的N2O排放机制，填补了复杂有机物驱动反硝化气体排放的理论空白。
2. 应用指导：提出通过控制进水比例（城市污水<20%）和避免过量碳源投加可显著降低N2O排放，为PD-Anammox工艺的可持续应用提供操作依据。
3. 创新方向：高NTR-N2O（63.4%）提示PD可作为N2O回收的潜在途径，需进一步开发酸性耦合惰气吹脱的优化工艺。

六、研究亮点
- 对象特殊性：聚焦实际城市污水与PD的交互作用，突破实验室单一碳源研究的局限性。
- 方法创新：结合在线N2O微传感器与多变量批次实验，精准量化气体排放动力学。
- 发现颠覆性：推翻“碱性条件抑制N2O”的传统认知，证明高pH下N2O积累加剧。

七、其他价值
研究建议将PD出水引入Anammox反应器，利用异养反硝化进一步消耗溶解态N2O，但需权衡对Anammox菌活性的影响，此方向值得后续探索。