N?O reduction during denitrifying phosphorus removal with propionate as carbon source

以丙酸鹽為碳源反硝化除磷過程中N 2 O的還原

來源：Environmental Science and Pollution Research (2022) 29:12390–12398

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過三個序批式反應(yīng)器（SBR）對比了不同碳源（乙酸鹽、丙酸鹽及其混合物）對反硝化除磷（DPR）過程中氧化亞氮（N?O）排放的影響。核心發(fā)現(xiàn)：

 

N?O減排效果：丙酸鹽系統(tǒng)（RP）的N?O排放因子僅為0.43%，顯著低于乙酸鹽系統(tǒng)（RA）的16.3%和混合碳源系統(tǒng)（RM）的1.9%（表1）。

 

營養(yǎng)物去除差異：丙酸鹽系統(tǒng)的脫氮效率比乙酸鹽系統(tǒng)低40.6%，但除磷效率無顯著差異（表1）。

 

關(guān)鍵機制：丙酸鹽系統(tǒng)亞硝酸鹽（NO??）積累量更低（圖1），且糖原積累菌（GAOs）豐度降低，共同導致N?O排放減少（圖2）。

 

 

 

研究目的

 

量化碳源對N?O排放的影響：對比乙酸鹽、丙酸鹽及其混合物在DPR過程中的N?O生成量。

 

揭示減排機制：從亞硝酸鹽積累、聚羥基脂肪酸酯（PHAs）合成及微生物群落角度解析減排原理。

 

優(yōu)化工藝：為廢水處理廠提供低碳源選擇，實現(xiàn)溫室氣體減排。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 長期運行→批式實驗→機制驗證 的三步策略：

 

長期SBR運行：

 

建立三個SBR（RA：乙酸鹽；RP：丙酸鹽；RM：混合碳源），運行4個月（Methods 2.1）。

 

監(jiān)測營養(yǎng)物去除（N/P）及N?O排放（表1，圖1-2）。

 

批式實驗驗證：

 

批式I：測試不同碳源下NO??、NO??、N?O的還原速率（表2）。

 

 

批式II：探究硝酸鹽（NO??）存在下NO??和N?O的還原競爭（圖4）。

 

 

批式III：對比丙酸鹽系統(tǒng)中NO??/NO??作為電子受體時的N?O產(chǎn)量（圖5）。

 

 

機制分析：

 

測定PHAs合成量及組分（圖3），分析微生物群落變化（4.2節(jié)）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. N?O排放與營養(yǎng)物去除（表1）

 

數(shù)據(jù)：

 

RA系統(tǒng)N?O排放因子16.3%，RP系統(tǒng)僅0.43%（表1）。

 

RP系統(tǒng)脫氮效率（28.4%）顯著低于RA（71.4%），但除磷效率相當（>87%）。

 

意義：證實丙酸鹽可大幅降低N?O排放，但需權(quán)衡脫氮效率損失。

 

2. 亞硝酸鹽積累動態(tài)（圖1）

 

數(shù)據(jù)：

 

RA系統(tǒng)最大NO??積累量21.3 mg N/L，RP系統(tǒng)始終<1 mg N/L（圖1c）。

 

N?O峰值與NO??積累正相關(guān)（RA：3.3 mg N/L vs. RP：≈0 mg N/L，圖2）。

 

意義：亞硝酸鹽積累是驅(qū)動N?O生成的關(guān)鍵因素，丙酸鹽通過抑制NO??積累實現(xiàn)減排。

 

3. PHAs合成與組分（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

RA系統(tǒng)PHAs合成量最高（3.0 mmol-C/g VSS），PHB占比66.1%；RP系統(tǒng)PHAs合成量最低（2.0 mmol-C/g VSS），PH?MV占比63%（圖3）。

 

意義：丙酸鹽改變PHAs組分（PH?MV為主），降低電子供應(yīng)速率，減少N?O生成潛力。

 

4. 反硝化酶活性（表2，圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

RA系統(tǒng)的NO??還原速率（R1）顯著高于NO??還原速率（R2），R1/R2=3.06（表2）。

 

NO??存在時，RA系統(tǒng)的NO??和N?O還原被強烈抑制（圖4b）。

 

意義：乙酸鹽系統(tǒng)因NO??/NO??還原失衡導致N?O積累，丙酸鹽系統(tǒng)無此現(xiàn)象。

 

5. 電子受體對比（圖5）

 

數(shù)據(jù)：

 

RP系統(tǒng)中，NO??作為電子受體時N?O產(chǎn)量（1.8 mg N/L）高于NO??（0.5 mg N/L）（圖5）。

 

意義：直接驗證NO??是N?O生成的主要前體物。

 

核心結(jié)論

 

丙酸鹽的減排優(yōu)勢：N?O排放因子降低97%（RA 16.3% → RP 0.43%），主要歸因于低亞硝酸鹽積累和GAOs菌群抑制。

 

脫氮效率權(quán)衡：丙酸鹽系統(tǒng)脫氮率降低40.6%，需通過工藝優(yōu)化（如碳源混合）平衡脫氮與減排目標。

 

微生物機制：丙酸鹽促進DPAOs富集（PH?MV為主），減少GAOs驅(qū)動的N?O生成。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理與部署

 

型號與功能：丹麥Unisense N?O微電極（檢測限0.1 μM），用于實時監(jiān)測液相N?O濃度（Methods 2.4）。

 

部署場景：

 

SBR周期內(nèi)N?O動態(tài)監(jiān)測（圖2）。

 

批式實驗中N?O生成/消耗速率測定（圖4-5）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機制解析

 

N?O時間分辨率（圖2）：

 

電極捕捉到RA系統(tǒng)在150分鐘后N?O急劇上升至3.3 mg N/L，而RP系統(tǒng)始終接近0 mg N/L。

 

意義：高時間分辨率（分鐘級）揭示N?O生成與亞硝酸鹽積累的同步性。

 

競爭抑制驗證（圖4）：

 

電極數(shù)據(jù)顯示：NO??存在時，RA系統(tǒng)的N?O還原被抑制（圖4b），而RP系統(tǒng)不受影響。

 

意義：直接證明乙酸鹽系統(tǒng)中NO??與N?O還原的電子競爭機制。

 

前體物貢獻量化（圖5）：

 

以NO??為電子受體時，RP系統(tǒng)N?O產(chǎn)量升高至1.8 mg N/L（圖5），明確NO??是N?O生成的主要前體。

 

研究意義

 

方法學優(yōu)勢：

 

Unisense電極實現(xiàn) 原位、實時監(jiān)測，克服傳統(tǒng)離線分析的滯后性，精準量化瞬態(tài)過程（如150分鐘后的N?O驟升）。

 

機制深度解析：

 

通過分鐘級數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)亞硝酸鹽積累與N?O生成，為“NO??→N?O”路徑提供直接證據(jù)。

 

工藝優(yōu)化指導：

 

實時數(shù)據(jù)證明丙酸鹽系統(tǒng)可實現(xiàn)近零N?O排放，為廢水處理廠碳源選擇提供實證支持。

 

應(yīng)用價值

 

碳源選擇策略：優(yōu)先選用丙酸鹽或混合碳源（RM排放因子1.9%），平衡脫氮與減排需求。

 

工藝設(shè)計啟示：通過控制亞硝酸鹽積累（如優(yōu)化碳氮比）可進一步抑制N?O生成。

 

電極技術(shù)推廣：Unisense微電極適用于生物膜/懸浮污泥體系，為復(fù)雜界面反應(yīng)研究提供工具。

 

總結(jié)：丙酸鹽作為碳源可顯著降低DPR過程的N?O排放，Unisense電極數(shù)據(jù)從時間分辨率和機制關(guān)聯(lián)性層面為這一結(jié)論提供了堅實支撐，為廢水處理廠的低碳運行提供了新思路。