利用纯氧曝气减少废水处理过程中的一氧化二氮排放：一项全规模研究

《Science of The Total Environment》：Mitigating nitrous oxide emissions in wastewater treatment with pure oxygen aeration: A full-scale study

该研究通过CFD模拟、无人机监测及传感器数据，对比传统空气曝气与纯氧曝气在荷兰某高负荷工业废水处理厂中一氧化二氮（N?O）减排效果，发现纯氧系统可使N?O排放降低98%，且碳足迹显著更优，为污水处理厂温室气体控制提供新方案。

　　

Izba Ali|Rudy Lamond|Roel Boussemaere

空气液化创新园区巴黎，78350，Les Loges-en-Josas，法国

摘要

一氧化二氮（N₂O）是一种强效的温室气体，是传统活性污泥废水处理过程中的主要副产品。本研究探讨了基于纯氧的曝气方法在减少高浓度工业废水中的一氧化二氮排放方面的有效性。通过将这种方法与传统的空气曝气方法进行比较，研究特别关注了COD和氨含量较高的废水。研究采用了多方面的方法，包括计算流体动力学（CFD）建模、基于无人机的N₂O通量测量以及现场N₂O传感器监测，以全面评估减排效果。CFD模拟显示N₂O排放量显著减少，使用纯氧时减排率超过98%，而混合系统平均减排率为84%，相比传统的表面曝气器效果更佳。现场测量结果在很大程度上证实了这些模拟结果，基于无人机的量化数据显示，在混合曝气策略下N₂O通量减少了67%，而在纯氧稳定运行期间，现场传感器经常检测到几乎无法检测到N₂O浓度。此外，碳足迹分析显示，与传统的曝气方法相比，纯氧系统的温室气体（GHG）排放量明显更低，表明其是一种可持续且环保的替代方案。总体而言，本研究的结果一致表明，纯氧的策略性应用是工业废水处理厂中高效减少N₂O排放的有效技术，为处理高负荷工艺水的设施提供了有前景的解决方案。

引言

由于工业化和人口增长导致的全球能源需求不断增加，温室气体（GHG）排放量也大幅上升，这对全球变暖构成了不可否认的威胁（IPCC，2023年）。因此，许多国家承诺在2030年前实现减排目标，这就需要更严格的环境法规。在这一背景下，一氧化二氮（N₂O）作为一种强效的温室气体，其100年内的全球变暖潜能值（GWP）几乎是二氧化碳（CO₂）的300倍，因此需要特别关注（IPCC，2021年）。废水处理厂（WWTPs）被认定为N₂O的重要来源，可能贡献了其总温室气体足迹（CO₂、CH₄和N₂O）的50-60%（Law等人，2012年；Song等人，2024年）。这些排放主要来源于生物氮去除过程，特别是硝化和反硝化作用。

废水处理厂中N₂O的形成机制非常复杂，涉及生物和物理因素的相互作用，导致排放量具有不确定性且难以准确量化（Kemmou和Amanatidou，2023年）。影响N₂O产生的关键操作参数包括溶解氧（DO）水平、氨（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂^?）浓度、化学需氧量与氮的比率（COD/N）、温度、pH值以及污泥停留时间（SRT）（Kampschreur等人，2009年；Zhao等人，2024年）。这些因素的固有变异性和测量难度历来阻碍了精确排放清单的编制。尽管政府间气候变化专门委员会（IPCC）提供了废水处理厂N₂O排放的指导方针和默认排放因子（EFs），但这些数值已经发生了显著变化（例如，IPCC 2019年修订后的排放因子远高于2006年的数值），并且其区域适用性和潜在的过度估计经常受到质疑，这突显了进行特定工厂评估和验证减排策略的必要性（IPCC，2006年；IPCC，2019年；Huang等人，2024年）。

随着监管压力的增加，如欧盟在《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）和《巴黎协定》下的目标，针对废水处理厂N₂O减排的研究也日益增多。已经提出了多种策略，主要通过动态曝气控制来稳定DO水平、避免短暂缺氧（?mand等人，2013年）、补充碳源以确保完全反硝化（尤其是在C/N较低的废水中）以及管理氨峰值和亚硝酸盐积累（Desloover等人，2012年）。然而，正如Duan等人（2021年）的综述所指出的，一个关键挑战是缺乏长期、全规模的试验来验证这些策略的可靠性和运营影响。

在所有操作参数中，曝气策略起着关键作用，直接影响DO浓度，而DO浓度对硝化和反硝化过程以及N₂O的产生至关重要。虽然使用空气的传统曝气方法很常见，但使用纯氧代表了一种可能显著改变N₂O形成条件的替代方法。然而，直接比较全规模运行条件下传统空气曝气系统和纯氧系统N₂O排放的综合性研究仍然相对有限。据我们所知，将纯氧作为废水处理厂N₂O减排的针对性策略是新颖的方法，目前文献中尚未有相关实验室或全规模研究的报道。

本研究旨在通过评估荷兰Hoek Van Holland一家全规模工业废水处理厂中，使用传统空气曝气与基于纯氧的曝气所导致的N₂O排放差异来填补这一空白。研究采用了多方面的方法，包括在曝气区进行连续的N₂O监测、在不同操作条件下的计算流体动力学（CFD）模拟以及基于无人机的排放量化。本文展示了这一综合评估的结果，强调了纯氧曝气作为废水处理厂中有效N₂O减排策略的潜力。此外，为了更全面地评估这些曝气策略的环境影响，还进行了与传统空气曝气系统相比的碳足迹分析。碳足迹分析的结果补充了详细的N₂O减排结果，提供了采用纯氧技术在废水处理中的更广泛环境影响的视角。

站点描述和废水特性

本研究在荷兰Hoek Van Holland的一家堆肥设施进行。该设施主要处理来自水果和蔬菜的有机废物，会产生大量的工艺废水。这种富含有机物和微生物的废水在最终排放到市政废水处理厂（WWTP）之前需要进行现场生物处理。该现场的WWTP处理能力超过50,000人口当量（PE）。

结果

本节介绍了用于评估N₂O排放及相关参数的三种不同方法的结果：CFD分析、基于无人机的排放量化以及连续的现场N₂O浓度监测。每种方法都为系统在不同曝气策略下的表现提供了独特的见解。

碳足迹评估

进行了温室气体排放的比较碳足迹分析，以评估所研究的废水处理厂中传统空气曝气系统（表面曝气器）与纯氧注入系统的差异，混合系统未被纳入比较。废水的特性在表2中进行了总结。

温室气体排放以CO₂当量表示，这意味着这些气体的排放量被转换为二氧化碳对总排放量的贡献。

讨论与未来展望

CFD模拟与现场测量结果之间的直接定量比较显示了一些差异，例如模型预测的N₂O减排率（混合模式平均84%）略高于无人机测量结果（约67%）。这些差异是预期之中的，可以归因于每种方法的本质差异。CFD模型代表了一个理想化的稳态系统，而无人机和现场测量则捕捉到了现实世界的动态情况。

结论

本研究成功评估了基于纯氧的曝气方法在减少高浓度工业活性污泥废水处理过程中N₂O排放方面的有效性，并将其与传统空气曝气方法进行了比较。CFD建模、基于无人机的N₂O通量测量以及现场N₂O传感器监测的综合结果表明，纯氧在减少N₂O方面具有显著潜力。

CFD模拟预测N₂O排放量显著减少，使用纯氧时...

CRediT作者贡献声明

Izba Ali：撰写——初稿。Rudy Lamond：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、概念化。Roel Boussemaere：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、方法论、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Izba Ali的报告由空气液化巴黎-萨克雷研究中心提供。Rudy Lamond和Roel Boussemaere拥有待授权的专利。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢荷兰Hoek Van Holland堆肥和废水处理设施的管理层和运营人员，感谢他们提供场地访问权限，并在整个N₂O测量过程中给予宝贵的合作与支持。同时，我们也感谢AM团队在CFD分析中的重要贡献以及提供的有价值的结果。Unisense公司在提供N₂O传感器方面的支持也值得感谢。