MBR工艺中的一氧化二氮排放：欧洲三国科学家两年的跟踪测试研究

近年来，大家逐渐意识到污水处理厂是重要的温室气体排放源，这从过去10年发表的相关论 的数量就得到反映。在污水厂排放的温室气体中，一氧化二氮(N2O)是主要关注对象之一。尽管污水厂排放的N2O绝对量明显低于二氧化碳(CO2)或甲烷(CH4)，但N2O的单分子增温潜势是CO2的298倍，其即在100年的时间内所能造成的温室效应效果是CO2的298倍，因此学界对这个被俗称笑气的温室气体倍加重视。

尽管已经有一些关于污水厂N2O排放的研究 告，大部分这些研究多着眼于传统活性污泥法，一些知识结论未必适用于其他工艺，例如膜生物反应器(MBRs)。MBR在出水水质、占地面积和污泥产量等方面与传统工艺相比都有优势，在过去几年也受到更多的关注。但MBR在生物质选择方式、无需二沉池的设计和用以缓解结垢的密集式曝气等特性，使得在MBR工艺的N2O排放效应研究方面，无法直接套用从活性污泥系统的研究得到的结论。

目前很少有专门针对MBR工艺N2O排放情况的研究 告，因此有必要为此进行实验和数学建模。在此背景下，来着意大利、美国和荷兰三所高校的科学家用了两年时间开展了联合研究，旨在评估MBR工艺的N2O排放情况。他们的研究成果发表在IWA专业期刊《Water Science & Technology》上。

实验对象和方法

研究团队主要考察了以下几个影响N2O排放的因素：

(i) 基于MBR的不同工艺构造

(ii) 污水成分 (市政污水或工业污水)

(iii) 运行情况 (例如SRT、碳氮比C/N、HRT)

(iv) 膜组件

如下图所示，研究团队对四种细分工艺进行了考察，包括SB-MBR、DN-MBR、UCTMBR和UCT-IFAS-MBR。每个系统都配备了特定的漏斗盖，以确保顶部的气体收集取样。

图1. 四种细分工艺的流程图

中试系统N1是SB-MBR工艺，主要特点是前置反硝化和分批进料模式。它带有两个串联式反应器：45L的缺氧池和224L的好氧池，后置50L的MBR区。实验按进水水质分为了6个阶段，主要是逐步增加进水的NaCl浓度（0-10g/L间以2g/L为间隔递增），以考察盐度对N2O排放的影响，以及生物质对其适应性。N1在某程度是为N2做准备。

N2系统是DN-MBR工艺，和N1的反应器规模相同。与N1系统不同的地方在于N2采用了连续进水模式，目标是模拟船舶污水。研究团队对N2做了90天实验，并分为两个阶段：第一阶段的NaCl从10g/L升至20g/L，第二阶段的NaCl浓度则稳定在20g/L。此外进水还包含碳氢化合物。

N3是UCT-MBR工艺，基于源自开普敦大学的UCT工艺，由62L的厌氧区、102L的缺氧区和211L的好氧区串联组成。研究团队给该系统投以实际和合成污水的混合液。这个实验也分为两个阶段，共80天，主要考察C/N碳氮比对系统的影响，其中第一阶段C/N碳氮比为10，第二阶段为5。

N4是IFAS-UCT-MBR工艺，反应器规格和N3相同。区别在于基于IFAS和MBBR的模式，在缺氧区和好氧区添加了悬浮塑料载体，填充比分别为15%和40%，对应的比表面积为75㎡/m3和200㎡/m3。研究团队对N4进行了长达340天的实验，目的在于考察不同运行参数对N2O排放的影响。

污泥的固液分离方面，N1和N2使用Zenon Zeeweed的中空纤维超滤膜(UF)，而N3和N4使用Koch PURON的UF组件。两组膜组件的表面积和标准孔隙度分别是0.98㎡和1.40㎡，以及0.04μm和0.03μm。另外研究团队用相应的气相色谱仪来测量溶解态和气态N2O的浓度。

该实验里，N2O排放因子（Emission Factor- EF）的计算公式如下。该EF单位是%，指的是以N2O形式释放的氮和进水氮负荷的百分比。：

实验结果

此研究的研究周期比较长，主要是因为N2O的极端变化。下图是上述中试装置的缺氧区和好氧区测得的N2O在顶部和液体中的浓度。

图2. 在反应器顶部（a）和液体中（b）的N2O浓度

缺氧区和好氧区是氨氮转换工艺发生的核心部分，所以选择了这两处作为采样区域。在两年时间采得的数据也反映了N2O浓度的变化性之大——多达7个数量级（从10-1μg/L到105μg/L）。这使得实验中测得的排放因子（EF）的数值变化范围也很大。

图3. 各实验测得的EF值和标准差

上图反映了特定工艺对N2O排放的影响。结果显示IFAS-UCT-MBR的EF最低（0.5%），这说明生物膜有助减少N2O排放。而DN-MBR的EF和标准差均为最高（分别为16%和10%）。这显示进水成分的影响：DN-MBR的进水包含了盐和柴油，这说明盐和碳氢化合物的共存形成了干扰。SB-MBR的低EF值则反映了盐度递增能降低N2O的排放。而SB-MBR的结果还显示N2O的最大排放源来自缺氧区的异养反硝化活动。

而UCT-MBR和IFAS-UCT-MBR工艺则反映了低C/N比会导致N2O排放的增加。研究团队推测可能是因为反硝化反应受限，而且完全硝化作用也受阻。例如C/N为2的时候，IFAS-UCT-MBR的好氧区的NO2浓度高达30mg/L，这说明了NOB菌收到抑制。而UCT-MBR在C/N=5的情况下，NO2值仅为1.2mg/L。

下图4描述了UCT-MBR和IFAS-UCT-MBR各反应区间对N2O排放因子情况，结果显示曝气会增强N2O从液相到气相的转化，而碳氮比C/N和液相溶解的N2O成反比。

图4.UCT-MBR和IFAS-UCT-MBR不同反应区间的N2O排放情况对比

小结

研究团队经过长达两年的实验，对MBR系统的N2O排放进行了全面的评估考察，他们得到的结论可总结如下：

• 不同反应区的N2O产生/排放的差异大
• 最高的N2O排放因子（16%）出现于含盐和碳氢化合物的污水。研究人员建议对于含油的工业污水要格外关注N2O的排放；
• 生物膜系统可以提高脱氮效率，从而减少N2O的排放；
• 进水碳氮比越低，N2O排放越高。

参考资料

Greenhouse gas emissions from membrane bioreactors: Analysis of a two-year survey on different MBR configurations, Giorgio Mannina, Kartik Chandran, Marco Capodici, Alida Cosenza, Daniele Di Trapani and Mark C. M. van Loosdrecht, Water Science & Technology, 78(2018)4, page 896 - 903

https://iwaponline.com/wst/article/78/4/896/63683/Greenhouse-gas-emissions-from-membrane-bioreactors