温室气体 | N₂O对水业带来了严重挑战
导言：氧化亚氮（N2O）引起水业广泛关注，已成为该行业面临的重大且多方面的挑战。水业并齐心协力减轻其有害影响。
N2O与全球变暖
作为一种强效温室气体，N2O对全球变暖和气候变化有重大影响，凸显了解决其在水处理过程和污水管理中存在的紧迫性。由于N2O对环境可持续发展和公共健康具有巨大影响，了解N2O复杂性和影响已成为水业的首要任务。
问题的核心在于N2O作为生物营养物去除（BNR）过程中氮循环副产品的影响。BNR通常用于污水处理设施，对有效去除污水中含氮化合物、防止水体富营养化和污染至关重要。
然而，这个过程会导致N2O释放，这就大大增加了水处理运行的碳足迹。N2O持续排放到大气中不仅加剧了温室效应，而且加剧了污水处理厂对气候的影响。
图中：Nxr：硝酸盐氧化还原酶；Nar：硝酸盐还原酶；Nir：亚硝酸盐还原酶；Nor：NO还原酶；Nos：N2O还原酶；AMO：氨单加氧酶；HAO：羟胺氧化还原酶；cyt P460：HAO的c型血红素；NcyA:未知酶
图1 污水处理脱氮过程N2O产生途径
图片来源：郝晓地等：污水处理过程N2O排放：过程机制与控制策略
N2O的测量与控制
N2O的复杂化学性质对其测量和控制提出了挑战，需要先进的分析技术和精确的监测系统。N2O排放量化需要对细节一丝不苟，通常需要复杂的仪器和方法，而这些仪器和方法并非能够轻易获得。因此，缺乏全面的N2O评估数据和标准化方案会使监管和N2O减排工作变得更加复杂。
Xylem创新实验室加速器项目负责人Oliver Puckering博士在接受水技术在线（Aquatech Online）采访时表示：“对N2O排放进行有效监测是污水处理厂在编制碳整体清单和有效减排目标时必须关注的重点，2019年政府间气候变化专门委员会（IPCC）指南引入了N2O排放估算的分层方法。然而，这些指南常常低估了实际排放量，导致缓解规划的精确度受到限制。
“N2O排放量绝非恒定；它们表现出较强的变化性和动态季节性模式，受处理厂温度、氮负荷和曝气量等因素的影响”。
N2O减排技术
N2O在大气中的富集加剧了对环境的长期影响，因此，需采取更为可持续和有效的战略来尽量减少其影响。水业迫切需要采用创新技术和运营实践，以有效减少N2O排放，同时确保最佳处理性能和法规遵从性。平衡环境管理和运营效率的目标是一项艰巨的挑战，需要采取涵盖技术创新、监管框架和全行业协作的全面综合方法。
Anglian Water碳中和负责人David Riley在接受Aquatech Online采访时表示：“过去10年来，我亲眼目睹了通过效率提升、团队合作和可再生能源利用在减少能源碳排方面取得的巨大进展，但N2O的减少还远远不够”。
“这两个主要原因是：对不同水厂和工艺排放量的科学理解和信心；减少N2O排放所节省的资金与支持创新和技术解决方案所需的投资之间的商业权衡”。
Puckering博士补充道：“目前已有能够直接测量液相、气相或两相N2O的传感器。虽然这些传感器能在指定范围内提供可靠的测量结果，但在多个水厂大规模使用仍是一个挑战。尽管如此，这些传感器还是有利于开展年度监测活动，测量处理厂内特定位置（如，好氧池）的N2O”。
“经验模型和风险模型结合了溶解氧、亚硝酸盐、硝酸盐和计算流体动力学等参数，提供了对N2O排放的全面了解。这些模型因其易于实施和可扩展性而颇具吸引力，但也需要进一步验证、核查其准确性。尽管如此，世界各地公用事业部门正越来越多地在示范项目中采用这些模型，从而加快了验证过程”。
N2O相关研发工作
为了应对N2O的挑战，研发工作已经加强，重点是探索新的处理方法和工艺改造，以减少N2O排放。
Riley补充说：“随着对测量和监测的投资，以及目前解决和减少N2O排放的紧迫性，情况正在发生变化”。
创新方法，如，优化曝气策略、实施先进的工艺控制和利用量身定制的微生物群落，在最大限度地减少N2O产生的同时保持强大的处理功效方面显示出了巨大潜力。
例如，丹麦、澳大利亚和英国的污水处理厂在“净零伙伴关系”（Net Zero Partnership）旗帜下联合起来，共同应对N2O问题。这项合作由奥胡斯万德公司（Aarhus Vand）、墨尔本水务公司（Melbourne Water）和塞文特伦特公司（Severn Trent）发起，旨在每年共同减少一百万t碳排放，凸显了国际合作在应对气候挑战方面的极端重要性。
在过去的一年里，这三个合作组织密切监测了气体和液体阶段N2O排放情况，对排放模式和有效减排策略提出了重要见解。考虑到N2O对全球变暖的重大影响，他们的研究结果引发了关于迫切需要全面规范N2O排放的重要讨论。
实时监测 N2O
综合研究揭示了生物污水处理过程中N2O排放的复杂动态。研究人员强调了硝化-反硝化过程在产生N2O方面的重要性，并着重指出了各种运行条件和微生物组成对季节性排放变化的影响。
报告强调有必要采用标准化方法来准确计算排放系数，并倡导开发通用的监测和研发技术，从而在全球范围内采用统一方法来应对N2O排放。
Puckering博士说：“无论是通过直接测量还是建模，对N2O排放进行实时监测对于制定明智减排战略至关重要。采用机器学习的决策支持系统利用N2O监测数据优化运行条件，包括氧气控制和活性污泥回流。这样就能在满足处理要求的同时，最大限度地减少N2O产生，从而降低硝化和反硝化过程中排放N2O的风险”。
“不过，重要的是要明白，虽然缓解方案可以减少N2O排放，但它们可能无法完全消除生物处理过程中固有的N2O产生”。
“因此，水业公司应考虑逐步转向替代处理方法，如，物理、化学和基于藻类的方法，以取代100多年前所开发的传统活性污泥法。这些替代方法不仅能防止产生N2O，还能从污水中回收资源，例如，在回收营养物质和捕捉碳的同时优化沼气生产”。
平衡N2O影响
在Royal HaskoningDHV最近发布的一份白皮书中，根据水务公司在2030年前实现“净零排放”目标所面临的挑战，探讨了污水处理厂（WWTP）N2O排放的影响。
该研究强调了控制N2O排放的重要性，突出了高氨负荷与处理过程中N2O水平升高之间的密切联系。通过实施“先进过程控制”（一种利用人工智能领域知识的综合方法），可以设计出最大限度减少N2O排放的有效策略。
为了帮助满足多种技术需求，Xylem已责成其创新实验室团队确定当前和新兴的技术格局，确定最有前途的方案，并帮助加快向市场广泛部署。
该团队与内部和外部全球N2O工作组密切合作，后者包括咨询公司和公用事业公司。合作倡议和知识共享平台在促进对N2O挑战的集体理解、促进最佳实践交流以及促进水业内前沿研究传播方面发挥了关键作用。
随着水行业继续应对复杂的N2O管理问题，优先考虑可持续发展、创新和合作仍是当务之急。利用业内集体专业知识和技术进步，制定全面、有针对性的战略应对N2O带来的多方面挑战，确保持续保护环境完整性和促进可持续水资源管理实践至关重要。
通过采用全面和前瞻性方法，水业可以为更具塑性和环保意识的未来铺平道路，有效减轻N2O的影响，促进水处理与全球环境福祉之间的可持续平衡。
