Effects of carbon sources and operation modes on the performances of aerobic denitrification process and its microbial community shifts

碳源和操作模式對好氧反硝化過程性能及其微生物群落變化的影響

來源：Journal of Environmental Management, Volume 239, 2019, Pages 299-305

《環(huán)境管理雜志》，第239卷，2019年，第299-305頁，

 

摘要

這篇論文研究了碳源（乙酸鈉CH3COONa和丁酸鈉CH3CH2CH2COONa）和操作模式（缺氧/好氧模式和完全好氧模式）對好氧反硝化過程性能的影響。結(jié)果表明，使用丁酸鈉在缺氧/好氧模式下可獲得最高的總氮去除效率（90.05%）和聚-β-羥基丁酸酯（PHB）含量（22.23%）。同時(shí)，論文監(jiān)測了一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N2O）的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)使用乙酸鈉時(shí)NO和N2O濃度較低，而使用丁酸鈉時(shí)較高。微生物群落分析顯示，碳源對群落結(jié)構(gòu)有顯著影響，丁酸鈉條件下Plasticicumulans sp.成為優(yōu)勢菌屬。

 

研究目的

本研究的主要目的是：（1）研究碳源和操作模式對好氧反硝化過程性能的影響；（2）揭示碳源和操作模式對PHB合成的作用；（3）探索好氧反硝化過程中NO和N2O的產(chǎn)生特性；（4）檢查不同操作條件下微生物群落的變化。

 

研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的序批式反應(yīng)器（SBR），工作體積為10L，在29°C下運(yùn)行。設(shè)計(jì)了四個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別使用兩種碳源（乙酸鈉和丁酸鈉）和兩種操作模式（缺氧/好氧模式和完全好氧模式），碳氮磷比為100:10:4。每個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行12小時(shí)周期，監(jiān)測化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、磷酸鹽磷（PO43--P）、總氮（TN）和PHB含量。同時(shí)，使用丹麥Unisense微電極連續(xù)監(jiān)測NO和N2O濃度，并通過高通量測序分析微生物群落結(jié)構(gòu)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 長期性能數(shù)據(jù)，包括COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P和TN的出水濃度及去除效率，來自Fig. 2和Table 4。研究意義在于驗(yàn)證好氧反硝化過程在較高碳氮比（10）下能實(shí)現(xiàn)高效總氮去除（86.11%-90.05%），表明過量碳源可刺激電子傳遞鏈，提升脫氮效率。

 

 

2 典型周期變化數(shù)據(jù)，包括COD、氮磷污染物濃度和PHB含量的動態(tài)變化，來自Fig. 3。研究意義在于揭示操作模式對PHB合成的關(guān)鍵作用，缺氧/好氧模式比完全好氧模式更利于PHB積累（最高達(dá)22.23%），而PHB含量與總氮去除效率呈正相關(guān)，說明PHB作為碳源存儲對好氧反硝化至關(guān)重要。

 

3 NO和N2O濃度數(shù)據(jù)，來自Fig. 4，使用Unisense電極測量。研究意義在于量化好氧反硝化過程中的溫室氣體排放，使用乙酸鈉時(shí)NO和N2O濃度較低（~0.4 mg/L和~0.02 mg/L），而使用丁酸鈉時(shí)較高（NO~2.5 mg/L，N2O~0.2 mg/L），為評估環(huán)境足跡提供依據(jù)。

 

4 微生物群落數(shù)據(jù)，包括優(yōu)勢菌屬比例和多樣性指數(shù)，來自Fig. 5。研究意義在于顯示碳源對群落結(jié)構(gòu)的直接影響，乙酸鈉條件下微生物多樣性更豐富，而丁酸鈉條件下Plasticicumulans sp.（PHB生產(chǎn)者）成為優(yōu)勢菌，解釋了不同碳源下的性能差異。

 

結(jié)論

1 PHB在好氧反硝化過程中發(fā)揮重要作用，缺氧/好氧模式有利于PHB合成和好氧反硝化菌富集，從而提升總氮去除效率。

2 盡管丁酸鈉能提高脫氮效率，但乙酸鈉是更好的碳源選擇，因?yàn)槠洚a(chǎn)生的NO和N2O排放較低，減少了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3 碳源對好氧反硝化過程和微生物群落的影響比操作模式更顯著，丁酸鈉傾向于選擇PHB生產(chǎn)菌屬，而乙酸鈉支持更豐富的微生物多樣性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense Clark型微電極連續(xù)監(jiān)測好氧反硝化過程中NO和N2O的濃度。這種電極具有高精度和快速響應(yīng)特性，能夠?qū)崟r(shí)捕捉氣體濃度的動態(tài)變化，如圖4所示的數(shù)據(jù)。研究意義在于：首先，Unisense電極提供了直接、連續(xù)的測量數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)采樣方法可能帶來的誤差，確保了NO和N2O排放數(shù)據(jù)的可靠性。其次，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，論文揭示了碳源對氣體產(chǎn)生特性的影響，例如使用丁酸鈉時(shí)NO濃度較高且周期內(nèi)變化顯著，這可能與微生物代謝途徑中還原劑過量導(dǎo)致的中間產(chǎn)物積累有關(guān)。這種詳細(xì)的氣體排放數(shù)據(jù)有助于理解好氧反硝化的生化機(jī)制，如酶活性受碳源類型的影響。最后，這些測量結(jié)果為優(yōu)化工藝參數(shù)以減少溫室氣體排放提供了科學(xué)依據(jù)，強(qiáng)調(diào)在追求高脫氮效率的同時(shí)需考慮環(huán)境可持續(xù)性。因此，Unisense電極的應(yīng)用提升了研究的準(zhǔn)確性和深度，為好氧反硝化技術(shù)的環(huán)境評估奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。