Characteristics of N2O generation within the internal micro-environment of activated sludge flocs under different dissolved oxygen concentrations

不同溶解氧濃度下活性污泥絮凝體內部微環境N2O生成特征

來源：Bioresource Technology 291 (2019) 121867

 

論文總結

研究系統探究了在不同溶解氧（DO）濃度下，活性污泥絮體（ASFs）內部微環境中氧化亞氮（N2O）的生成特性，揭示了微觀尺度下N2O的分布規律及其與微生物群落結構的關系。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，N2O是一種強效溫室氣體，在污水處理廠（WWTPs）的生物脫氮（BNR）過程中大量產生。本研究采用微電極技術和分子生物學方法，探究了不同粒徑活性污泥絮體內部N2O及其他化學物質（DO、NH4+-N、NO3--N）的濃度分布，以及微生物群落組成。結果表明，N2O的生成與絮體內部微環境密切相關，并受主體廢水DO濃度的顯著影響。在小絮體（<100 μm）中，N2O、DO、NH4+-N和NO3--N濃度分布均勻；而在大絮體（>200 μm）中心，N2O生成率更高，DO、NH4+-N和NO3--N濃度則顯著低于表面。不同粒徑絮體的微生物結構存在差異，且取決于微環境特征。

 

研究目的

本研究旨在深入探究以下核心問題：

 

揭示不同DO濃度下，活性污泥絮體內部微環境（化學梯度、質量傳遞）對N2O生成的空間分布特征的影響。

量化不同粒徑絮體在不同DO條件下的N2O生成速率，并解析其產生機制（硝化菌反硝化 vs. 異養反硝化）。

闡明絮體內部微生物群落結構（如AOB、NOB、反硝化菌）的分布如何響應微環境變化，并與N2O生成關聯。

 

為污水處理廠優化運行參數（如DO控制）、減少N2O排放提供理論依據和策略建議。

 

研究思路

研究采用了“宏觀反應器實驗-微觀尺度測量-微生物群落驗證”的多層次研究思路：

 

宏觀批次實驗：在序批式反應器（SBR）中運行活性污泥，控制主體廢水DO濃度為1 mg/L（S1）和2 mg/L（S2），監測宏觀N2O排放、污染物去除效率及硝化速率，建立不同DO下的基準性能數據。

微觀尺度測量：從污水處理廠取新鮮活性污泥，按粒徑分為三組（L1: <100 μm; L2: 100–200 μm; L3: >200 μm）。使用丹麥Unisense微電極在特制的上流式腔室中，原位測量絮體內N2O、DO、NH4+-N和NO3--N的濃度微剖面，計算N2O生成速率。

微生物群落分析：結合熒光原位雜交（FISH） 和高通量測序（Illumina MiSeq） 技術，解析不同粒徑絮體中功能微生物（如AOB、NOB、反硝化菌）的豐度、分布和群落結構。

 

數據關聯與機制闡釋：將化學微剖面數據與微生物分布、群落結構進行關聯分析，揭示微環境特征驅動N2O生成的機制。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖表編號）及研究意義：

 

宏觀N2O排放與污染物去除數據（來源：Fig. 1, Table 3）

 

 

數據：DO=1 mg/L時，N2O總生成量是DO=2 mg/L時的2.6倍。硝化速率隨DO升高而增加（從2.5×10?2增至3.2×10?2 mg NH4+-N/(min·g MLVSS)）。

 

研究意義：從宏觀層面證實低DO促進N2O生成，為微觀研究提供背景和對比基準。

 

絮體內部DO濃度微剖面數據（來源：Fig. 2）

 

數據：在小絮體（L1）中，DO濃度從表面到中心僅下降2.1%（DO=2 mg/L）和4.4%（DO=1 mg/L）。在大絮體（L3）中，中心DO濃度顯著降低，在DO=1 mg/L時，中心濃度低至0.22 mg/L，形成缺氧區。

 

研究意義：直接證實大絮體存在顯著的氧梯度，中心區域可能發生厭氧/缺氧反應，為N2O的生成創造了微環境條件。

 

絮體內部NH4+-N與NO3--N濃度微剖面數據（來源：Fig. 3, Fig. 4）

 

 

數據：與DO類似，NH4+-N和NO3--N在小絮體中分布均勻，但在大絮體（L3）中心濃度顯著降低（如NO3--N在DO=1 mg/L時從表面到中心下降0.40 mg/L）。

 

研究意義：表明硝化作用主要發生在絮體表面氧充足區域，而中心區域可能發生反硝化作用（消耗NO3--N），這與N2O的生成途徑密切相關。

 

絮體內部N2O濃度微剖面及生成速率數據（來源：Fig. 5）

 

數據：N2O濃度和生成速率從絮體表面到中心逐漸增加，且在大絮體（L3）中尤為顯著。在DO=1 mg/L時，L3絮體中心的N2O生成速率高達0.95 g/(m3·s)。

 

研究意義：首次原位證實N2O的生成熱點在絮體中心，尤其是大絮體在低DO條件下。這強烈表明中心缺氧區的異養反硝化是N2O的主要產生途徑。

 

微生物群落結構與分布數據（來源：Fig. 6, Supplementary Data）

 

數據：高通量測序顯示，大絮體（L3）中反硝化菌總相對豐度（31.5%）高于小絮體（L1, 17.8%）。FISH結果顯示，AOB和NOB主要分布在絮體表面，而反硝化菌富集在絮體內部。

 

研究意義：從生物學角度證實了功能微生物的空間異質性分布：表面以硝化菌為主，中心以反硝化菌為主。這完美解釋了化學微剖面的結果——中心缺氧環境適合反硝化菌生長并進行不完全反硝化，導致N2O積累。0.5%).'>

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

絮體粒徑和DO濃度共同決定內部微環境：小絮體（<100 μm）內部化學物質分布均勻，N2O生成率低；大絮體（>200 μm）內部存在顯著的化學梯度（DO降低，N2O升高），尤其在低DO（1 mg/L）條件下，中心形成缺氧區，成為N2O生成熱點。

N2O主要產生于絮體中心的異養反硝化過程：中心缺氧、碳源可能不足的環境抑制了N2O還原酶活性，導致反硝化過程在N2O階段積累，使其成為主要排放源。

微生物分布具有空間異質性：AOB和NOB富集于絮體表面（好氧區），而反硝化菌富集于內部（缺氧區），這種分布與微環境化學梯度高度吻合。

 

工程啟示：為避免N2O生成，應優化運行以避免形成大粒徑絮體和控制低DO條件。通過維持充足且均勻的DO分布（如提高曝氣強度、優化混合），可以破壞絮體中心的缺氧微環境，從而有效抑制N2O的生成。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極獲取的原位、高分辨率化學微剖面數據（Fig. 2-5）是支撐整個研究結論的核心證據，其研究意義重大：

 

提供了直接、定量的空間分辨率證據：傳統方法只能測量反應器整體的平均濃度，無法揭示絮體內部的化學反應。Unisense微電極的尖端極其微小（10-20 μm），能夠精確地穿刺絮體并實時測量從表面到中心每一個點的N2O、DO、NH4+-N和NO3--N濃度。這提供了最直接的證據證明N2O在絮體中心生成率最高，且與DO消耗、硝酸鹽還原同步發生。

揭示了質量傳遞限制的關鍵作用：微剖面數據清晰顯示，隨著絮體粒徑增大，從表面到中心的濃度梯度越發陡峭。這直接證明了質量傳遞（特別是氧氣） 在絮體內部受到極大限制。大絮體中心因氧氣無法有效傳入而形成缺氧區，這正是驅動反硝化過程和N2O生成的物理基礎。

實現了從“宏觀現象”到“微觀機制”的跨越：宏觀數據（Fig. 1）只知道低DO導致更多N2O，但不知其來源。微電極數據精準定位了N2O的生成源頭在絮體中心，并將其與中心的低DO、低NO3--N的微環境特征關聯起來，從而令人信服地推斷出異養反硝化是主要途徑，而非AOB的硝化菌反硝化。

為模型構建與優化提供關鍵參數：測量得到的濃度梯度數據可用于通過菲克第二定律計算得出N2O的凈生成速率（如L3中心在低DO下速率高達0.95 g/(m3·s)）。這些定量化的速率參數是構建和驗證活性污泥微模型所必需的，對于預測和優化污水處理過程以減少N2O排放具有重要價值。

 

技術可靠性確保了結論的準確性：Unisense微電極系統在法拉第籠中操作，避免了電信號干擾。其經過嚴格校準，具有高精度和快速響應時間，確保了所測數據的高度可靠性和重復性。這使得基于這些數據得出的“絮體中心是N2O熱點”的結論堅實可信。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中不僅是一個測量工具，更是揭示科學奧秘的“眼睛”。它提供的原位、實時、高分辨率的空間化學數據，成功地將抽象的“微環境”概念轉化為可視化和可量化的科學參數，最終令人信服地揭示了活性污泥絮體內部N2O生成的微觀機制，為減排策略的制定提供了精確的靶點。