目前，生物廢水處理因其能耗高而受到挑戰(zhàn)。一氧化二氮是一種功能強(qiáng)大的燃料添加劑，而不是生物脫氮過(guò)程中不需要的副產(chǎn)品。到目前為止，大多數(shù)研究主要集中在過(guò)程開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和控制。目前，對(duì)廢水作為能源來(lái)源的N2O的生產(chǎn)缺乏全面的分析。本綜述的目的是在工程可行性、經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境可持續(xù)性方面對(duì)N2O生產(chǎn)和能源回收的思路進(jìn)行全面和批判性的分析。

1、N2O:一種可以從城市污水中回收的能源

N2O是各種廢水生物脫氮過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，也是一種極強(qiáng)的溫室氣體，造成了嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，N2O作為氮的反應(yīng)形式，含有一定量的化學(xué)能，可以通過(guò)熱分解回收。此外，不可燃的N2O可以用作與其它燃料（例如甲烷氣體）混合燃燒的氧化劑或添加劑。

對(duì)于氨氮濃度為40 mg/L的典型城市污水，當(dāng)氨氮全部轉(zhuǎn)化為N2O時(shí)，N2O的最大產(chǎn)量估計(jì)為63 g/m³，全球污水約為3.3×1011 m³/年，在全球范圍內(nèi)，城市污水產(chǎn)生的最大N2O可計(jì)算為20.79 Mg N2O/年，但是只有約1/10的含氮化合物的廢水中的勢(shì)能是可回收的。事實(shí)上，城市污水中N2O的可回收能量與一般的廠內(nèi)能耗（0.26~0.67 kWh/m³）相比幾乎微不足道。

2、N2O生成途徑:易于控制

一般來(lái)說(shuō)，城市污水中氨氮濃度較低，約為40mg/L，表明從稀釋廢水中回收N2O可能不具有實(shí)際可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。但是，厭氧消化液中一般含有高濃度的氨氮500~1500 mg N/L，這可能是側(cè)流處理過(guò)程中產(chǎn)生N2O的更合適來(lái)源。

如圖1所示，廢水可通過(guò)生物或生物-化學(xué)耦合途徑產(chǎn)生N2O。在生物脫氮過(guò)程中，N2O可通過(guò)羥胺（NH2OH）氧化（途徑①）、硝化反硝化（途徑Ⅱ）和反硝化作用（途徑Ⅲ）產(chǎn)生。到目前為止，通過(guò)途徑Ⅰ和Ⅱ的N2O排放在生物過(guò)程中已被普遍報(bào)道，其通常由氨氧化細(xì)菌（AOB）介導(dǎo)。

N2O也被認(rèn)為是自養(yǎng)或異養(yǎng)細(xì)菌反硝化的中間產(chǎn)物。顯然，為了提高N2O的能量回收率，圖1中的氮代謝途徑應(yīng)在N2O產(chǎn)生階段加以控制，同時(shí)避免隨后還原為N2。事實(shí)上，在大規(guī)模的生物廢水處理過(guò)程中，這種代謝調(diào)控顯得非常具有挑戰(zhàn)性。

在廢水生物處理過(guò)程中，通過(guò)鐵介導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)制備了N2O。然而，應(yīng)注意的是，N2O的化學(xué)生產(chǎn)仍然主要由生物過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物決定，如NO2-、HNO2和NH2OH（圖1）。這反過(guò)來(lái)又使化學(xué)過(guò)程控制變得高度復(fù)雜和困難。

在提高N2O產(chǎn)量的生物-化學(xué)耦合過(guò)程中（圖2），F(xiàn)e（II）的理論用量應(yīng)為5472g Fe（II）/m³。顯然，在制備N2O的生物-化學(xué)耦合工藝中，如此高的鐵（II）用量不僅會(huì)導(dǎo)致較高的運(yùn)行成本，而且會(huì)導(dǎo)致與處理后的廢水中的高陰離子濃度（即9381 g SO42–/m³）相關(guān)的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，從而影響后續(xù)的生物含鐵量高的工藝和生物污泥，應(yīng)視為有害固體。因此，利用厭氧消化液通過(guò)生物與鐵介導(dǎo)的耦合化學(xué)過(guò)程實(shí)際生產(chǎn)N2O是值得商榷的。

3、CADNO：提高N2O能量回收率的工程選擇

近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越感興趣的是從廢水中回收N2O作為一種強(qiáng)大的燃料氧化劑。在這種情況下開(kāi)發(fā)了好氧-缺氧-氮分解操作（CANDO）工藝，從厭氧消化液中回收N2O�；�本上，CANDO過(guò)程包括三個(gè)操作步驟：（i） NH4+部分硝化為NO2-；（ii）NO2-部分反硝化為N2O，以及（iii）N2O與CH4共燃以回收能量（圖3）。除了已經(jīng)確立的步驟3之外，實(shí)際上步驟1和2在大規(guī)模上仍然具有高度的挑戰(zhàn)性。因此，與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，CANDO工藝中生物脫氮的整體性能可能會(huì)受到影響。

與現(xiàn)有污水處理廠的常規(guī)反硝化相比，CANDO工藝（圖3）中亞硝酸鹽異養(yǎng)反硝化為N2O所需的廢水COD中的有機(jī)碳可減少60%。節(jié)約的廢水COD可進(jìn)一步用于生產(chǎn)沼氣進(jìn)行能源回收，抵消污水處理廠部分能耗�？偟膩�(lái)說(shuō)，似乎有必要以更全面的方式仔細(xì)評(píng)估CANDO工藝的工程可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。

4、N2O的捕集:一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)

由于N2O在水中的溶解度很高，對(duì)其捕集具有很大的挑戰(zhàn)。從圖4可以看出，氣態(tài)N2O只有在25℃下的進(jìn)水氨濃度大于694 mg N/L時(shí)才可用和可回收。這清楚地表明，從稀釋廢水（如城市廢水）中回收N2O在技術(shù)上不可行，在經(jīng)濟(jì)上也不可行，因?yàn)槿芙饬舜罅縉2O。

目前，可考慮采用氣提、膜接觸器等液氣分離工藝對(duì)溶解性N2O進(jìn)行捕集，氣提因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、分離效率較高而被認(rèn)為更適合于處理出水中N2O的脫氣。然而，氣提不可避免地導(dǎo)致高稀釋的N2O載氣混合物，需要過(guò)量的氧化劑來(lái)有效地從燃料中回收能量。顯然，這種稀釋的N2O氣體混合物不利于甚至不適合與甲烷氣體共燃。因此，需要進(jìn)一步純化。需要指出的是，使用壓縮載氣（氦氣和氮?dú)猓┖秃髢艋�，無(wú)疑將大大推高N2O的回收成本，與從N2O中回收的有限能量相比，整個(gè)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，最終不再具有經(jīng)濟(jì)可行性。事實(shí)上，膜接觸器在分離水中溶解氣體方面也存在類似的問(wèn)題或挑戰(zhàn)。這些都對(duì)從廢水中回收N2O氣體的工程可行性和經(jīng)濟(jì)效益提出了挑戰(zhàn)。顯然，為了應(yīng)對(duì)城市污水中產(chǎn)生N2O的挑戰(zhàn)，迫切需要進(jìn)一步的技術(shù)開(kāi)發(fā)，從而降低能耗和運(yùn)行成本。

5、溶解性N2O的排放:環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

人們普遍認(rèn)為，N2O是一種有效的溫室氣體，根據(jù)最新的IPCC標(biāo)準(zhǔn)，允許的N2O排放量不應(yīng)超過(guò)處理后廢水中氮含量的0.5%。隨著全球氣候變化成為一個(gè)緊迫的問(wèn)題，大量N2O的排放必然會(huì)對(duì)環(huán)境的可持續(xù)性和風(fēng)險(xiǎn)造成嚴(yán)重的影響，需要認(rèn)真評(píng)估。有效地收集N2O的先進(jìn)技術(shù)是迫切需要的，而且必將減輕其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

6、廢水COD與N2O的能量回收

在目前的實(shí)踐中，甲烷氣體形式的能量主要是通過(guò)厭氧消化一次和二次沉淀產(chǎn)生的污泥來(lái)回收的。在CANDO過(guò)程中，95%的亞硝酸鹽和80%的亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氧化亞氮是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，每立方米廢水可以產(chǎn)生66KJ的能量。圖5顯示了接收厭氧消化液的CANDO工藝中的詳細(xì)COD和能量流。與COD相比，N2O的能量回收是微不足道的。此外，為了實(shí)現(xiàn)如此微不足道的能量回收，整個(gè)N2O生產(chǎn)過(guò)程，包括收獲和后凈化，不可避免地變得復(fù)雜和昂貴，但是，這種巨大努力所帶來(lái)的預(yù)期回報(bào)或好處相當(dāng)渺茫，考慮到其在當(dāng)前技術(shù)階段與全球氣候變化相關(guān)的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，可能不適合進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。

7、結(jié)論

在當(dāng)前的技術(shù)階段，N2O生產(chǎn)的操作在過(guò)程復(fù)雜性和穩(wěn)定性方面仍然具有挑戰(zhàn)性。城市污水和厭氧消化液產(chǎn)生的N2O的可回收能量與總能耗相比顯得微不足道。由于N2O的溶解度高，需要對(duì)N2O進(jìn)行捕集和進(jìn)一步純化，但工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作成本高。大量殘留溶解性N2O的排放對(duì)溫室效應(yīng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響，對(duì)目前N2O生產(chǎn)和能源回收過(guò)程的長(zhǎng)期環(huán)境可持續(xù)性提出了挑戰(zhàn)。

來(lái)源：凈水萬(wàn)事屋