假設污水廠使用了綠色能源(太陽能和風能)，并且使用了厭氧消化實現能量自給，污水廠是否就算實現碳中和呢？恐怕未必。在此之前，我們還要先弄清楚一種超級溫室氣體在污水廠的排放情況，它就是笑氣。笑氣，學名一氧化二氮，化學式為N2O，它的溫室效應強度是二氧化碳的265倍。
圖. 一氧化二氮的溫室氣體強度 | 圖源：Climate Central
在過去二十年里，很多學者都在研究N2O在活性污泥工藝中的生成和轉化途徑。但這些研究結果將如何轉化成為污水廠運行人員用以控制N2O釋放的方法策略呢？最近，奧地利維也納工業大學(TU Wien) 水質與資源管理研究所的團隊在《Journal of Environmental Management》上發表文章，稱找到了一種較為方便的方法來估算N2O在污水廠的釋放情況。
N2O的形成路徑
此前已經有不少文獻介紹過N2O在污水廠的形成路徑，例如，2012年，瑞士EAWAG團隊就總結過下邊這張可能生成N2O的菌種反應途徑圖。
圖. N2O形成途徑示意圖 | 圖源：frontiers in microbiology
目前污水處理廠的主流脫氮技術依然是通過自養硝化和異養反硝化這兩個微生物反應來進行的。雖然這兩個過程都會產生N2O，但目前學界認為釋放到大氣中的N2O主要來自曝氣池，因為在這里有大量氣體從液相轉移到空氣中。
采樣對象
研究團隊對奧地利10個污水處理廠的N2O排放進行測量，工作重點是要建立運行參數和N2O直接排放之間的聯系。所以，他們在污水廠的選擇上考慮了多樣性的因素，所選污水廠能夠反應奧地利最常見的水處理工藝，所有污水廠都基于活性污泥法去除有機碳和氮磷。10個污水廠的負荷及水質特性見下表。
表1. 10個污水廠的運行情況
根據奧地利相關法規：設計負荷大于5000PE的污水廠，其總氮年平均去除率要>70%。其中有7個污水廠有厭氧消化。大部分廠都是用前置反硝化來脫氮，少部分使用間歇性反硝化。這些污水廠都有SCADA系統，運行數據均是從各自系統中直接調取，并通過物料平衡分析來驗證數據的一致性。
在2012-2018年間，研究人員一共采樣20次，并對大部分污水廠進行了兩次采樣，一次在低溫季節，一次在高溫季節，以此考察N2O釋放的季節性變化。采樣位置包括了所有的曝氣池，以及消化液處理單元。他們使用浮罩來收集氣樣，浮罩里裝有專用的傳感器，來對溶解性和氣態的N2O進行連續的在線測量。另外他們還用真空玻璃瓶（20ml）單獨收集氣樣，用于氣質聯譜分析(GC-MS)測定，最后與紅外氣體分析儀的結果做對比分析。
圖. 污水廠采集N2O氣體的浮罩外觀 | 圖源：Youtube截圖
圖. 奧地利N2O采樣系統 | 圖源：ScienceDirect
圖. 丹麥UniSense測量溶解性 N2O微傳感器外觀| 圖源：Unisense
圖. 測量氣態N2O的紅外傳感器設備 | 圖源：ThermoFisher
N2O的源頭
經過長期跟蹤測量，最后確認活性污泥反應池是N2O的源頭。10個污水廠的曝氣池都測得了N2O的排放，而硝化反應是主要的產生和釋放途徑。
圖. 曝氣池是N2O的主要源頭
污水廠G的情況見下圖。如圖所示，硝化反應啟動之后，就開始有N2O的產生。當氨氮濃度低時，硝化進程受限，N2O的產量也隨之減少。
圖. 在間歇微孔曝氣硝化段的N2O釋放模式(污水廠G)
連續曝氣好氧池N2O的釋放情況見下圖。同樣可以看到N2O和氨氮的關聯。根據Monod曲線描述的NH4+濃度與AOB菌生長速率之間的相關性，研究人員認為AOB活性增加可能是導致較高N2O產量的原因。很多文獻都記錄了N2O與NH4+轉化的耦合趨勢。但因為沒有測亞硝態氮，所以無法確認N2O的生成是否和亞硝酸鹽的積累有關。
圖. 在連續式微孔曝氣硝化段的N2O釋放模式(污水廠E)
N2O的去向
研究人員在缺氧區沒有觀察到N2O的富集——所有污水廠的前置反硝化段的N2O濃度都接近零。如下圖所示，在間歇曝氣的情況下，在反硝化段結束、曝氣開始之后直到硝化反應開始為止，在排放氣體中也沒有檢測到N2O的增加。
他們認為，這表明在反硝化階段，硝態氮完全轉化成氮氣了，并沒有N2O的積累；反硝化菌能將好氧段形成的N2O還原，還原的量多過在反硝化階段產生的N2O。這意味著反硝化階段是控制污水廠N2O排放的關鍵所在。
圖. 在間歇曝氣池里，N2O在液相和氣相的濃度變化(污水廠F)
更簡明的對應關系
根據上述結果，研究團隊給自己提出了一個問題——能否在工藝參數和N2O的釋放之間找到對應關系？為此，他們先整理了和N2O排放相關的工藝參數，具體數據見下表2。
表2. 根據進水TKN作標準化轉換的N2O–N排放因子平均值
他們發現，污水廠B、C和G的EF-N2O-WWTP最低，這幾個污水廠都沒有初沉池，泥齡較長，總氮去除率較高，好氧池的氨氮也保持在較低的水平。其實，早在2010就有文獻表示，那些總氮去除率接近100%的污水廠中N2O的排放因子要比其他只有部分硝化的污水廠低。
有厭氧消化的污水廠的情況更復雜，這主要因為：1）泥齡更短；2）生物段進水的TN/COD值高(初始污泥帶走了COD，回流的消化液富含氨氮)。這兩個因素增加了曝氣池氨氮濃度的波動，同時也降低了總氮的去除效率。
最后他們用多元線性回歸分析的方法對這些參數和N2O的關系進行了分析。最后發現，污水廠和好氧池中N2O的排放和總氮去除率、曝氣池的進水TN/COD比值和水溫有關。其中，總氮去除率和污水廠N2O釋放因子的J決定系數(R2)最高，為84.6%，呈顯著的負線性相關。
圖. TN去除率和N2O排放的多元線性回歸分析
他們表示，這個模型代表了一種新穎的估算方法，該方法將N2O排放量與污水廠運行聯系在一起，比采用固定N2O排放因子的方法更直觀易懂——按照這些模式，如果污水廠負荷低，總氮去除率能達83-92%時，N2O排放量就會很低(每kg進水TKN會釋放0.0012 ± 0.001 kg N2O–N)，就不難理解了。
小結
奧地利團隊工作的最大意義在于，通過長時間的跟蹤采樣分析，印證了此前其他研究的一些結論，包括N2O的產生和釋放與氨氮濃度、硝化/反硝化反應的關系。通過避免AOB菌過載和促進反硝化反應的完全進行，能有效減少污水廠中N2O的排放。從管理角度而言，他們提出的N2O與總氮去除率的對應關系，能幫助污水廠運行團隊更快捷地通過調整運行運行和曝氣策略，在提高總氮去除率的同時，就幫助降低溫室氣體的排放。
除了奧地利，世界各地的很多污水廠現在都有開展N2O排放的相關研究，這些研究最終都將為污水廠實現碳中和貢獻一份力量。
澳大利亞阿德萊德的南澳水務公司和昆士蘭大學袁志國教授團隊的聯合研究
參考資料
https://www.climatecentral.org/outreach/alert-archive/2016_10.24_GHG-Bulletin.php
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2012.00372/full
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969716302832
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.2175/106143010X12681059116897