N2O production and emission pathways in anammox biofilter for treating wastewater with low nitrogen concentrations

厭氧氨氧化生物濾池處理低氮廢水的N 2 O產(chǎn)生和排放途徑

來(lái)源：Science of the Total Environment 852 (2022) 158282

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究針對(duì)厭氧氨氧化（Anammox）生物濾池處理低氮廢水時(shí)的N?O排放問(wèn)題，通過(guò)調(diào)控濾速（1.0–3.0 m/h），結(jié)合微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定同位素示蹤及微生物群落分析，揭示了N?O產(chǎn)生路徑及控制策略。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

濾速對(duì)N?O的影響：N?O產(chǎn)量隨濾速增加顯著上升，排放因子從1.5 m/h時(shí)的0.004%升至3.0 m/h時(shí)的0.496%（圖3）。

 

 

最優(yōu)操作條件：濾速1.5 m/h時(shí)脫氮效率最高（NH??-N和NO??-N去除率>99%），且N?O產(chǎn)量最低（圖1, 圖2f）。

 

 

 

微生物群落特征：Anammox菌（hzsB基因）占主導(dǎo)，但硝化菌（AOB-amoA）和反硝化菌（nirK/nirS）共存，為N?O產(chǎn)生提供條件（圖4）。

 

 

N?O產(chǎn)生路徑：

 

好氧區(qū)：AOB反硝化（52.5%）和NH?OH氧化（47.5%）為主要路徑（圖5a）。

 

 

缺氧區(qū)：內(nèi)源異養(yǎng)反硝化主導(dǎo)（圖6, 圖7）。

 

 

 

減排策略：厭氧環(huán)境可顯著降低N?O產(chǎn)量（表2）。

 

 

研究目的

 

量化N?O排放：探究不同濾速下溶解態(tài)（D-N?O）和氣態(tài)（G-N?O）N?O的生成規(guī)律。

 

解析微生物作用：識(shí)別Anammox生物濾池中參與脫氮及N?O產(chǎn)生的功能微生物。

 

明確產(chǎn)生路徑：通過(guò)批次實(shí)驗(yàn)和同位素示蹤，確定N?O的關(guān)鍵生成途徑。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 梯度濾速運(yùn)行→微生物群落分析→路徑驗(yàn)證 的三步策略：

 

長(zhǎng)期濾柱運(yùn)行：

 

在厭氧氨氧化生物濾池（AN-biofilter）中設(shè)置濾速梯度（1.0–3.0 m/h），監(jiān)測(cè)沿濾柱高度的氮形態(tài)變化及N?O濃度（圖2a-e）。

 

使用氣相色譜分析氣態(tài)N?O，計(jì)算排放因子（圖3）。

 

微生物群落解析：

 

qPCR定量功能基因（hzsB, amoA, nirK, nirS等），明確Anammox菌、硝化菌及反硝化菌的豐度分布（圖4）。

 

批次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

 

設(shè)計(jì)9組批次實(shí)驗(yàn)（表1），結(jié)合丹麥Unisense N?O/NO微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氣體，并通過(guò)穩(wěn)定同位素質(zhì)譜（1?N）量化不同路徑貢獻(xiàn)（圖5-7）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 濾速對(duì)N?O的影響（圖2, 圖3）

 

數(shù)據(jù)：濾速?gòu)?.5 m/h升至3.0 m/h時(shí)，D-N?O峰值濃度從0.42 mg/L增至1.21 mg/L（圖2f），G-N?O濃度從124 ppm升至1093 ppm（圖3）。

 

意義：首次建立濾速與N?O排放的定量關(guān)系，為優(yōu)化生物濾池運(yùn)行參數(shù)（推薦1.5 m/h）提供依據(jù)，避免盲目提高負(fù)荷導(dǎo)致的溫室氣體排放激增。

 

2. 微生物群落特征（圖4）

 

數(shù)據(jù)：Anammox菌（hzsB）豐度最高（2.38×10? copies/g），但反硝化菌（nirK+nirS）總量超過(guò)硝化菌（amoA），且中層（M區(qū)）nirK基因豐度最高（1.71×10? copies/g），與N?O峰值區(qū)對(duì)應(yīng)。

 

意義：揭示“Anammox菌主導(dǎo)脫氮，但反硝化菌驅(qū)動(dòng)N?O產(chǎn)生”的互作機(jī)制，修正了“Anammox過(guò)程不產(chǎn)N?O”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

3. N?O產(chǎn)生路徑（圖5-7, 表2）

 

數(shù)據(jù)：

 

好氧區(qū)：NH?OH氧化路徑貢獻(xiàn)47.5%，且添加NH?OH時(shí)N?O濃度升至0.15 mg/L（圖5b）。

 

缺氧區(qū)：內(nèi)源反硝化（無(wú)外碳源）產(chǎn)生N?O 0.09 mg/L，遠(yuǎn)低于好氧條件下的0.48 mg/L（表2）。

 

意義：明確生物濾池中N?O的空間分異路徑，強(qiáng)調(diào)好氧區(qū)是減排重點(diǎn)。

 

4. 厭氧環(huán)境減排效應(yīng)（表2）

 

數(shù)據(jù)：缺氧條件下N?O濃度僅為好氧條件的1/5（如NO??+COD時(shí)0.11 mg/L vs. 0.48 mg/L）。

 

意義：證實(shí)嚴(yán)格厭氧操作可有效抑制N?O生成，為工藝優(yōu)化提供理論支撐。

 

核心結(jié)論

 

濾速調(diào)控是關(guān)鍵：1.5 m/h為最優(yōu)濾速，平衡高脫氮效率（>99%）與低N?O排放（0.004%）。

 

微生物互作驅(qū)動(dòng)N?O產(chǎn)生：Anammox菌主導(dǎo)脫氮，但共存的反硝化菌（尤其nirK型）是N?O主要生產(chǎn)者。

 

路徑分異明顯：

 

好氧區(qū)以AOB反硝化和NH?OH氧化為主（共占100%）。

 

缺氧區(qū)依賴內(nèi)源反硝化。

 

厭氧環(huán)境減排有效：嚴(yán)格缺氧使N?O產(chǎn)量降低80%，支持Anammox系統(tǒng)向厭氧條件傾斜。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理與部署

 

型號(hào)與功能：丹麥Unisense N?O和NO微電極，檢測(cè)限0.001 mg/L，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解態(tài)氣體動(dòng)態(tài)（2.3節(jié)）。

 

應(yīng)用場(chǎng)景：

 

批次實(shí)驗(yàn)中在線跟蹤N?O/NO生成曲線（圖5a-b, 圖6, 圖7）。

 

結(jié)合密閉反應(yīng)器，同步獲取溶解氣體與液相氮素?cái)?shù)據(jù)（表1）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解析

 

NH?OH氧化的瞬時(shí)監(jiān)測(cè)（圖5b）：

 

電極捕捉到NH?OH添加后N?O濃度驟升（0→0.15 mg/L），且伴隨NO脈沖式釋放（峰值0.0003 mg/L），直接驗(yàn)證NH?OH→N?O路徑的化學(xué)機(jī)制。

 

好氧vs.缺氧的N?O動(dòng)力學(xué)差異（圖6, 表2）：

 

好氧條件下N?O快速積累（0.48 mg/L），而缺氧條件下緩慢上升且峰值更低（0.11 mg/L），揭示氧氣對(duì)N?O還原酶的抑制效應(yīng)。

 

Anammox過(guò)程的低N?O特征（圖7）：

 

電極顯示Anammox反應(yīng)中N?O濃度始終<0.05 mg/L，且無(wú)NO累積，排除Anammox菌直接產(chǎn)N?O的可能性。

 

研究意義

 

方法學(xué)創(chuàng)新：

 

首次將Unisense電極應(yīng)用于Anammox生物濾池，實(shí)現(xiàn)溶解態(tài)N?O/NO的高分辨率原位監(jiān)測(cè)。

 

克服傳統(tǒng)離線分析的滯后性，精準(zhǔn)捕捉瞬態(tài)反應(yīng)（如NH?OH氧化的分鐘級(jí)響應(yīng)）。

 

機(jī)制深度解析：

 

量化不同路徑貢獻(xiàn)（如NH?OH氧化占47.5%），糾正“AOB反硝化主導(dǎo)”的單一認(rèn)知。

 

通過(guò)NO信號(hào)（圖5a）驗(yàn)證硝化菌反硝化路徑的NO中間產(chǎn)物，完善N?O產(chǎn)生鏈條。

 

應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值：

 

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)證明嚴(yán)格厭氧可削減80% N?O（表2），為工藝調(diào)控提供直接依據(jù)。

 

電極監(jiān)測(cè)與qPCR聯(lián)動(dòng)，建立“微生物功能基因→代謝活動(dòng)→氣體釋放”的完整證據(jù)鏈。

 

理論與應(yīng)用價(jià)值

 

優(yōu)化工藝運(yùn)行：推薦生物濾池濾速≤1.5 m/h，并強(qiáng)化厭氧段控制以降低N?O排放。

 

修正Anammox認(rèn)知：?jiǎn)我籄nammox系統(tǒng)仍存在N?O排放風(fēng)險(xiǎn)，需協(xié)同調(diào)控共存菌群。

 

電極技術(shù)推廣：Unisense微電極適用于生物膜/顆粒污泥等復(fù)雜體系，為污水廠溫室氣體監(jiān)測(cè)提供可靠工具。

 

總結(jié)：本研究通過(guò)Unisense電極揭示濾速與N?O產(chǎn)生的定量關(guān)系，明確Anammox生物濾池中N?O的三重產(chǎn)生路徑，并證實(shí)厭氧環(huán)境是減排關(guān)鍵。成果為厭氧氨氧化工藝的可持續(xù)應(yīng)用提供理論支持與方法學(xué)示范。