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大的燃料添加劑，而不是生物脫氮過程中不需要的副產(chǎn)品。到目前為止，大多數(shù)研究主要集中在過程開發(fā)、優(yōu)化和控制。目前，對廢水作為能源來源的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)濟可行性和環(huán)境可持續(xù)性方面對N2O生產(chǎn)和能源回收的思路進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程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，也是一種極強的溫室氣體，造成了嚴重的環(huán)境風險。另一方面，N2O作為氮的反應形式，含有一定量的化學能，可以通過熱分解回收。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。

對于氨氮濃度為40 mg/L的典型城市污水，當氨氮全部轉(zhuǎn)化為N2O時，N2O的最大產(chǎn)量估計為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能是可回收的。事實上，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

一般來說，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可能不具有實際可行性和經(jīng)濟可行性。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)流處理過程中產(chǎn)生N2O的更合適來源。

如圖1所示，廢水可通過生物或生物-化學耦合途徑產(chǎn)生N2O。在生物脫氮過程中，N2O可通過羥胺（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，通過途徑Ⅰ和Ⅱ的N2O排放在生物過程中已被普遍報道，其通常由氨氧化細菌（AOB）介導。

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

在廢水生物處理過程中，通過鐵介導的化學反應制備了N2O。然而，應注意的是，N2O的化學生產(chǎn)仍然主要由生物過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物決定，如NO2-、HNO2和NH2OH（圖1）。這反過來又使化學過程控制變得高度復雜和困難。

在提高N2O產(chǎn)量的生物-化學耦合過程中（圖2），F(xiàn)e（II）的理論用量應為5472g Fe（II）/m³。顯然，在制備N2O的生物-化學耦合工藝中，如此高的鐵（II）用量不僅會導致較高的運行成本，而且會導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)境風險，從而影響后續(xù)的生物含鐵量高的工藝和生物污泥，應視為有害固體。因此，利用厭氧消化液通過生物與鐵介導的耦合化學過程實際生產(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，人們越來越感興趣的是從廢水中回收N2O作為一種強大的燃料氧化劑。在這種情況下開發(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過程包括三個操作步驟：（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中的有機碳可減少60%。節(jié)約的廢水COD可進一步用于生產(chǎn)沼氣進行能源回收，抵消污水處理廠部分能耗�？偟膩碚f，似乎有必要以更全面的方式仔細評估CANDO工藝的工程可行性和經(jīng)濟可行性。

4、N2O的捕集:一個巨大的挑戰(zhàn)

由于N2O在水中的溶解度很高，對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℃下的進水氨濃度大于694 mg N/L時才可用和可回收。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)濟上也不可行，因為溶解了大量N2O。

目前，可考慮采用氣提、膜接觸器等液氣分離工藝對溶解性N2O進行捕集，氣提因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、分離效率較高而被認為更適合于處理出水中N2O的脫氣。然而，氣提不可避免地導致高稀釋的N2O載氣混合物，需要過量的氧化劑來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，需要進一步純化。需要指出的是，使用壓縮載氣（氦氣和氮氣）和后凈化，無疑將大大推高N2O的回收成本，與從N2O中回收的有限能量相比，整個過程相當復雜，最終不再具有經(jīng)濟可行性。事實上，膜接觸器在分離水中溶解氣體方面也存在類似的問題或挑戰(zhàn)。這些都對從廢水中回收N2O氣體的工程可行性和經(jīng)濟效益提出了挑戰(zhàn)。顯然，為了應對城市污水中產(chǎn)生N2O的挑戰(zhàn)，迫切需要進一步的技術(shù)開發(fā)，從而降低能耗和運行成本。

5、溶解性N2O的排放:環(huán)境風險

人們普遍認為，N2O是一種有效的溫室氣體，根據(jù)最新的IPCC標準，允許的N2O排放量不應超過處理后廢水中氮含量的0.5%。隨著全球氣候變化成為一個緊迫的問題，大量N2O的排放必然會對環(huán)境的可持續(xù)性和風險造成嚴重的影響，需要認真評估。有效地收集N2O的先進技術(shù)是迫切需要的，而且必將減輕其環(huán)境風險。

6、廢水COD與N2O的能量回收

在目前的實踐中，甲烷氣體形式的能量主要是通過厭氧消化一次和二次沉淀產(chǎn)生的污泥來回收的。在CANDO過程中，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，為了實現(xiàn)如此微不足道的能量回收，整個N2O生產(chǎn)過程，包括收獲和后凈化，不可避免地變得復雜和昂貴，但是，這種巨大努力所帶來的預期回報或好處相當渺茫，考慮到其在當前技術(shù)階段與全球氣候變化相關(guān)的潛在環(huán)境風險，可能不適合進一步大規(guī)模應用。

7、結(jié)論

在當前的技術(shù)階段，N2O生產(chǎn)的操作在過程復雜性和穩(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N2O進行捕集和進一步純化，但工藝結(jié)構(gòu)復雜，操作成本高。大量殘留溶解性N2O的排放對溫室效應產(chǎn)生了強烈的影響，對目前N2O生產(chǎn)和能源回收過程的長期環(huán)境可持續(xù)性提出了挑戰(zhàn)。

來源：凈水萬事屋