導言：氧化亞氮（N?O）引起水業(ye)廣泛關注，已成(cheng)為(wei)該行(xing)業(ye)面(mian)(mian)臨的重大(da)且多方面(mian)(mian)的挑戰。水業(ye)并齊心協力(li)減輕其(qi)有害(hai)影響。

N?O與全球變暖(nuan)

作為一種強效溫室氣(qi)體，N?O對(dui)全球變暖和氣(qi)候變化(hua)有重大影響(xiang)，凸顯了(le)解決其(qi)在(zai)水處理過程和污水管(guan)理中存在(zai)的緊迫(po)性(xing)。由于(yu)N?O對(dui)環境可持(chi)續(xu)發展和公共健(jian)康具有巨大影響(xiang)，了(le)解N?O復雜性(xing)和影響(xiang)已成為水業(ye)的首(shou)要任務。

問(wen)題的核(he)心在于(yu)(yu)N?O作為(wei)生物(wu)(wu)營養物(wu)(wu)去(qu)除（BNR）過程中氮循環副產品的影響(xiang)。BNR通常用于(yu)(yu)污水處(chu)理設施，對有效去(qu)除污水中含氮化合物(wu)(wu)、防(fang)止(zhi)水體富營養化和污染至關重要。

然而，這(zhe)個過程(cheng)會導(dao)致N2O釋放，這(zhe)就大大增加(jia)了水(shui)處理運行的碳(tan)足(zu)跡。N?O持續排放到大氣中不僅(jin)加(jia)劇了溫室效(xiao)應(ying)，而且(qie)加(jia)劇了污(wu)水(shui)處理廠(chang)對氣候的影響。

圖中：Nxr：硝(xiao)酸鹽氧(yang)化(hua)還原(yuan)(yuan)(yuan)酶(mei)；Nar：硝(xiao)酸鹽還原(yuan)(yuan)(yuan)酶(mei)；Nir：亞(ya)硝(xiao)酸鹽還原(yuan)(yuan)(yuan)酶(mei)；Nor：NO還原(yuan)(yuan)(yuan)酶(mei)；Nos：N?O還原(yuan)(yuan)(yuan)酶(mei)；AMO：氨單加氧(yang)酶(mei)；HAO：羥胺氧(yang)化(hua)還原(yuan)(yuan)(yuan)酶(mei)；cyt P460：HAO的c型血紅素；NcyA:未知酶(mei)

圖1  污水處理(li)脫氮過程(cheng)N?O產生(sheng)途徑

圖片(pian)來源(yuan)：郝(hao)曉地等：污水處(chu)理過(guo)程N?O排放：過(guo)程機制(zhi)與控制(zhi)策略

N?O的(de)測量與控制(zhi)

N?O的復(fu)雜(za)(za)化學性質(zhi)對其測(ce)量和(he)控(kong)制提出了挑戰，需要先進的分(fen)析技(ji)術和(he)精確的監測(ce)系統。N?O排放量化需要對細節一(yi)絲不茍，通常需要復(fu)雜(za)(za)的儀器和(he)方(fang)(fang)法(fa)，而這些(xie)儀器和(he)方(fang)(fang)法(fa)并非能夠輕(qing)易(yi)獲得(de)。因此，缺乏全面的N?O評估數據(ju)和(he)標(biao)準化方(fang)(fang)案會使監管和(he)N?O減排工作變得(de)更加復(fu)雜(za)(za)。

Xylem創新實(shi)(shi)驗室加(jia)速器項目負責人Oliver Puckering博士在(zai)(zai)接受(shou)水技術在(zai)(zai)線（Aquatech Online）采(cai)訪時表(biao)示：“對N?O排放進行有(you)(you)效(xiao)(xiao)監測是(shi)污水處(chu)理廠(chang)在(zai)(zai)編制碳(tan)整體清單和有(you)(you)效(xiao)(xiao)減排目標時必須(xu)關注的(de)(de)重點，2019年(nian)政府間氣候變化(hua)專門委員會（IPCC）指(zhi)南引入了N?O排放估算的(de)(de)分層(ceng)方法。然而，這些(xie)指(zhi)南常常低估了實(shi)(shi)際(ji)排放量，導致(zhi)緩解規劃(hua)的(de)(de)精確度受(shou)到(dao)限制。

“N?O排放(fang)量絕非恒定；它(ta)們表(biao)現出較強的變化性(xing)和(he)動態季節性(xing)模式，受(shou)處(chu)理廠溫(wen)度、氮負(fu)荷(he)和(he)曝氣量等因素的影(ying)響”。

N?O減排技(ji)術

N?O在大氣中的(de)(de)富集加劇(ju)了(le)對環境的(de)(de)長期影(ying)響，因此(ci)，需采取(qu)更為可持(chi)續(xu)和有(you)(you)效(xiao)的(de)(de)戰(zhan)略來盡(jin)量減少(shao)其影(ying)響。水(shui)業迫(po)切需要采用(yong)創新技術和運營(ying)實踐(jian)，以有(you)(you)效(xiao)減少(shao)N?O排放，同時確(que)保最佳處(chu)理性能和法(fa)規遵從(cong)性。平衡環境管(guan)理和運營(ying)效(xiao)率的(de)(de)目(mu)標是一項艱巨(ju)的(de)(de)挑戰(zhan)，需要采取(qu)涵蓋技術創新、監管(guan)框架(jia)和全行業協作的(de)(de)全面綜合方法(fa)。

Anglian Water碳中(zhong)和負責人David Riley在(zai)接受Aquatech Online采訪時表示(shi)：“過去10年來，我親眼(yan)目睹了通過效(xiao)率提升(sheng)、團隊合作和可再(zai)生能源利用在(zai)減少能源碳排方面(mian)取得的巨大進展(zhan)，但N?O的減少還(huan)遠(yuan)遠(yuan)不夠”。

“這兩(liang)個主(zhu)要原因是：對不同水廠(chang)和工藝排(pai)放量的科學理(li)解和信心；減少N?O排(pai)放所(suo)節省的資金與支(zhi)持創新和技術解決方案所(suo)需的投(tou)資之間的商(shang)業權(quan)衡”。

Puckering博士補充道(dao)：“目前已有(you)能夠直(zhi)接(jie)測量液相、氣相或兩相N?O的(de)(de)傳(chuan)感器。雖然(ran)這些(xie)傳(chuan)感器能在指定范圍內提供(gong)可靠的(de)(de)測量結(jie)果，但在多個水廠大(da)規模使用仍是一個挑戰(zhan)。盡(jin)管(guan)如此，這些(xie)傳(chuan)感器還是有(you)利于開展年度監測活(huo)動(dong)，測量處理廠內特(te)定位置（如，好氧池）的(de)(de)N?O”。

“經驗模(mo)型(xing)和(he)風險模(mo)型(xing)結合(he)了(le)溶(rong)解(jie)氧(yang)、亞硝酸鹽、硝酸鹽和(he)計算(suan)流體動力學等參數(shu)，提供了(le)對N?O排放的全面了(le)解(jie)。這些模(mo)型(xing)因其易于實施和(he)可擴(kuo)展性而頗具吸引力，但也需要進一步驗證、核查其準確性。盡(jin)管如此，世界各地公用事業部門正越(yue)來越(yue)多地在(zai)示范(fan)項目(mu)中采(cai)用這些模(mo)型(xing)，從而加快了(le)驗證過程(cheng)”。

N?O相(xiang)關研發(fa)工作

為(wei)了(le)應(ying)對N?O的挑戰，研發(fa)工作(zuo)已經加(jia)強，重(zhong)點是探(tan)索新的處理方法和工藝改造，以減(jian)少N?O排放。

Riley補充說(shuo)：“隨著(zhu)對測(ce)(ce)量和監測(ce)(ce)的(de)投資，以及目(mu)前解決和減少N?O排(pai)放的(de)緊迫性，情況正在發生變化”。

創(chuang)新方法，如，優化曝氣策略、實施先(xian)進的(de)工(gong)藝控制和利用量身定制的(de)微生(sheng)(sheng)物群落(luo)，在最大(da)限度(du)地減少(shao)N?O產生(sheng)(sheng)的(de)同時保持強大(da)的(de)處理功(gong)效方面(mian)顯示出了巨(ju)大(da)潛力(li)。

例如(ru)，丹(dan)麥、澳大利(li)亞和英國(guo)的污水處(chu)理廠在“凈零伙(huo)伴關(guan)系”（Net Zero Partnership）旗幟(zhi)下聯合起來，共(gong)同應對N?O問(wen)題。這項合作由奧胡(hu)斯(si)萬德公司（Aarhus Vand）、墨爾本水務公司（Melbourne Water）和塞文(wen)特倫特公司（Severn Trent）發起，旨在每年共(gong)同減少(shao)一百萬t碳(tan)排放，凸(tu)顯(xian)了國(guo)際合作在應對氣候挑戰方面的極端重(zhong)要性。

在(zai)過去的(de)一年(nian)里，這三(san)個合(he)作組織密切(qie)監測了(le)氣體和液體階(jie)段N?O排(pai)放(fang)情況，對排(pai)放(fang)模式和有效減排(pai)策(ce)略提出了(le)重要見解(jie)。考(kao)慮到N?O對全球變(bian)暖的(de)重大影(ying)響，他(ta)們的(de)研究結果引(yin)發(fa)了(le)關于迫(po)切(qie)需(xu)要全面規(gui)范N?O排(pai)放(fang)的(de)重要討論。

實時監測(ce) N?O

綜合研(yan)究揭(jie)示(shi)了生(sheng)物(wu)污水處理(li)過(guo)程(cheng)中N?O排(pai)放(fang)的復雜動態。研(yan)究人員強調了硝化-反硝化過(guo)程(cheng)在(zai)產生(sheng)N?O方面的重(zhong)要性(xing)，并(bing)著(zhu)重(zhong)指(zhi)出了各種運行條件(jian)和(he)微生(sheng)物(wu)組成對季節性(xing)排(pai)放(fang)變化的影響。

報告強調有必(bi)要(yao)采(cai)用(yong)(yong)(yong)標準化方(fang)法來(lai)準確計算(suan)排(pai)放系數，并倡導開(kai)發通用(yong)(yong)(yong)的(de)監測和(he)研發技術，從而在全球(qiu)范圍內采(cai)用(yong)(yong)(yong)統一方(fang)法來(lai)應對N?O排(pai)放。

Puckering博(bo)士說：“無(wu)論是(shi)通過(guo)直(zhi)接(jie)測(ce)量還是(shi)建模(mo)，對N?O排放進(jin)行(xing)(xing)實(shi)時(shi)(shi)監測(ce)對于(yu)制定明(ming)智減排戰略至(zhi)關重要(yao)。采用機器學習的(de)決策(ce)支(zhi)持系統利(li)用N?O監測(ce)數據優化運行(xing)(xing)條件，包括氧氣控制和活(huo)性污(wu)泥回流(liu)。這樣就能在滿足處理要(yao)求的(de)同時(shi)(shi)，最大限度地減少N?O產生，從而降低硝化和反硝化過(guo)程(cheng)中排放N?O的(de)風險(xian)”。

“不過，重要的(de)是要明(ming)白，雖然緩(huan)解方案(an)可以減少N?O排放(fang)，但它們可能無法完全消除生(sheng)物處理過程中(zhong)固有的(de)N?O產生(sheng)”。

“因此，水(shui)業公司應考慮逐步轉向替代(dai)處(chu)理(li)方法(fa)，如，物理(li)、化學和基于藻類的方法(fa)，以取代(dai)100多(duo)年前所開發的傳統活性(xing)污泥法(fa)。這些替代(dai)方法(fa)不僅(jin)能防(fang)止產(chan)生N?O，還(huan)能從污水(shui)中(zhong)回收資源，例如，在回收營養(yang)物質(zhi)和捕捉碳的同時優(you)化沼氣生產(chan)”。

平衡N?O影響

在(zai)Royal HaskoningDHV最近(jin)發布的一份白皮書(shu)中，根據水(shui)(shui)務公司(si)在(zai)2030年前實現(xian)“凈零排(pai)放”目標所面臨的挑(tiao)戰，探討了污(wu)水(shui)(shui)處理廠(chang)（WWTP）N?O排(pai)放的影響。

該研究強(qiang)調了控(kong)制N?O排放的(de)重要性，突出(chu)了高氨負荷(he)與處理(li)過程中N?O水平升高之間的(de)密(mi)切聯系。通過實施“先進(jin)過程控(kong)制”（一種利用人工智能領域(yu)知識的(de)綜(zong)合方法），可(ke)以設(she)計出(chu)最大限度減少(shao)N?O排放的(de)有效策(ce)略。

為了幫助(zhu)滿足多種技(ji)術需求(qiu)，Xylem已(yi)責成其創新(xin)(xin)實驗室團隊確(que)定(ding)當前(qian)和新(xin)(xin)興(xing)的(de)(de)技(ji)術格(ge)局(ju)，確(que)定(ding)最(zui)有(you)前(qian)途的(de)(de)方案，并幫助(zhu)加快向市場廣泛(fan)部(bu)署。

該團隊(dui)與內部和外部全球N?O工作(zuo)(zuo)組密(mi)切合作(zuo)(zuo)，后(hou)者包括咨詢公司和公用事業公司。合作(zuo)(zuo)倡議和知識共(gong)享平臺在促(cu)進(jin)對N?O挑戰的集(ji)體理解、促(cu)進(jin)最佳實踐交(jiao)流以及促(cu)進(jin)水業內前沿研究傳播(bo)方面(mian)發(fa)揮了關鍵作(zuo)(zuo)用。

隨(sui)著(zhu)水行(xing)業繼續應對(dui)復(fu)雜的N?O管理問題，優先考慮(lv)可持(chi)續發(fa)展、創新(xin)和(he)合作仍(reng)是當(dang)務之(zhi)急(ji)。利用業內集體(ti)(ti)專業知識(shi)和(he)技術進步，制定全(quan)面、有針對(dui)性(xing)的戰略(lve)應對(dui)N?O帶(dai)來的多方面挑戰，確保持(chi)續保護環境(jing)完(wan)整性(xing)和(he)促進可持(chi)續水資源(yuan)管理實踐至關重要。

通(tong)過采用全面(mian)和(he)前瞻性方法，水業可(ke)以為(wei)更具塑(su)性和(he)環保(bao)意識的(de)(de)未來鋪(pu)平道路，有(you)效減輕N?O的(de)(de)影響，促進水處理與全球環境福(fu)祉之間的(de)(de)可(ke)持續(xu)平衡。

聲明(ming)：本文(wen)轉自水業(ye)碳中和資訊，作者(zhe)(zhe)朱(zhu)昊睿、郝(hao)曉地等，本文(wen)版(ban)權歸原作者(zhe)(zhe)所有，不(bu)代(dai)表本網站觀點(dian)，僅供學習交流之(zhi)用，不(bu)做(zuo)商業(ye)用途。如文(wen)中的內(nei)容(rong)、圖片(pian)、音(yin)頻(pin)、視(shi)頻(pin)等存在第三方的在先知(zhi)識產權，請及時聯系我們刪(shan)除。