Application of a Partial Nitrogen Lab-Scale Sequencing Batch Reactor for the Treatment of Organic Wastewater and Its N2O Production Pathways, and the Microbial Mechanism

偏氮實驗室規(guī)模序批式反應(yīng)器處理有機(jī)廢水及其N2O 生成途徑和微生物機(jī)理

來源：Sustainability 2022, 14, 1457.

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究構(gòu)建了處理有機(jī)廢水的部分亞硝化（PN）序批式反應(yīng)器（PN-SBR），運行225天后實現(xiàn)穩(wěn)定PN狀態(tài)：

脫氮性能：氨氮去除率>98%，60%以上轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（NO??-N），硝酸鹽（NO??-N）生成量極低（圖1）。

 

 

N?O排放特征：

典型周期內(nèi)N?O排放量占總氮的6.3%（圖2d），主要產(chǎn)生于厭氧-好氧轉(zhuǎn)換階段。

 

 

同位素特征（SP值19-23‰）表明羥胺（NH?OH）氧化是N?O主要產(chǎn)生途徑（圖2e）。

 

微生物機(jī)制：

優(yōu)勢菌門為變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）（圖3a）。

 

異養(yǎng)硝化菌（如Acidovorax、Paracoccus、Shinella等）顯著富集（相對豐度>55%），主導(dǎo)氨氧化過程（圖3c, 圖4）。

 

 

 

研究目的

驗證PN工藝可行性：探究PN工藝處理高有機(jī)負(fù)荷廢水（C/N≈3）的可行性，突破傳統(tǒng)認(rèn)知中有機(jī)物抑制氨氧化菌（AOB）的限制。

解析N?O產(chǎn)生路徑：明確PN過程中N?O的主要產(chǎn)生途徑及貢獻(xiàn)率，為減少溫室氣體排放提供依據(jù)。

揭示微生物機(jī)制：闡明異養(yǎng)硝化菌（HNAD）在有機(jī)廢水PN中的核心作用及協(xié)同機(jī)制。

 

研究思路

 

采用 “反應(yīng)器運行→過程監(jiān)測→多組學(xué)驗證”策略：

反應(yīng)器構(gòu)建與運行：

接種SHARON反應(yīng)器污泥，以人工有機(jī)廢水（NH?Cl + 葡萄糖）為底物，分四階段運行225天（階段I-IV）（圖1）。

控制DO（<0.65 mg/L）、pH（7.5-8.5）及曝氣時間抑制NOB，促進(jìn)亞硝酸鹽積累。

 

多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測：

水質(zhì)參數(shù)：NH??-N、NO??-N、NO??-N、COD、pH、DO（圖2a-b）。

N?O排放：溶解態(tài)N?O（D-N?O）用Unisense微電極實時監(jiān)測（圖2c）；氣態(tài)N?O用GC-MS分析（圖2d）。

同位素分析：測定N?O的δ1?Nα、δ1?Nβ和SP值，解析產(chǎn)生途徑（圖2e）。

 

微生物機(jī)制解析：

16S rRNA測序分析群落結(jié)構(gòu)（圖3）。

宏基因組挖掘功能基因（amo, hao, nirK等）（圖5-6）。

 

 

 

分離培養(yǎng)核心異養(yǎng)硝化菌并驗證功能（表3, 圖4）。

 

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 反應(yīng)器脫氮性能（圖1）

數(shù)據(jù)：

階段IV氨氮去除率>98%，亞硝酸鹽積累率>60%，硝酸鹽生成可忽略。

COD去除率~99%，出水COD~20 mg/L。

意義：首次證明PN工藝可直接處理有機(jī)廢水（C/N=3），省去前置厭氧消化步驟，降低運行成本。

 

2. N?O排放規(guī)律（圖2）

數(shù)據(jù)：

D-N?O濃度在進(jìn)水初期驟升至3.5 mg/L（圖2c），與羥胺峰值同步。

氣態(tài)N?O排放峰值1180 ppm（圖2d），SP值穩(wěn)定在19-23‰（圖2e），羥胺氧化途徑貢獻(xiàn)>59%。

意義：明確羥胺氧化是N?O主要來源，為優(yōu)化曝氣策略（如減少厭氧-好氧轉(zhuǎn)換頻率）以減少溫室氣體排放提供依據(jù)。

 

3. 微生物群落演替（圖3）

數(shù)據(jù)：

異養(yǎng)硝化菌（Acidovorax, Paracoccus等）相對豐度從16.2%（階段I）升至55.5%（階段IV）（圖3c）。

自養(yǎng)AOB（Nitrosomonas）豐度僅0.9%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)PN系統(tǒng)（1-16%）。

意義：揭示有機(jī)廢水中異養(yǎng)硝化菌替代自養(yǎng)AOB成為氨氧化主力，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)PN理論。

 

4. 功能菌株特性（表3, 圖4）

數(shù)據(jù)：

分離菌株SBR-Zi-1（Paracoccus）氨氮去除率96.3%，亞硝酸鹽產(chǎn)量18.9 mg/L（表3）。

核心菌屬（如Comamonas, Shinella）與異養(yǎng)硝化基因（amo, hao）高度關(guān)聯(lián)（圖4a, 圖6）。

意義：證實異養(yǎng)硝化菌具備獨立完成氨氧化的能力，為菌劑開發(fā)提供候選菌種。

 

5. 功能基因分布（圖5-6）

 

數(shù)據(jù)：

氨氧化基因（amo, hao）豐度低（0.053‰-0.22‰），反硝化基因（nirK, nar等）豐度高（0.12‰-3.23‰）（圖6a）。

羥胺脫氫酶（hao）主要源于Nitrosomonas（77.8%）和Comamonas（5.5%）（圖6b）。

意義：異養(yǎng)菌可能通過非經(jīng)典途徑（如羥胺氧化）參與脫氮，需重新評估PN的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)。

 

Unisense微電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理

Unisense N?O微電極（N?O-R型）：

通過陰極還原N?O產(chǎn)生電流信號，實時監(jiān)測溶解態(tài)N?O（D-N?O）濃度。

高靈敏度（檢測限0.1 mg/L）、微尺度（電極尖端直徑<10 μm），可無擾動原位測量生物膜/混合液微環(huán)境。

 

核心發(fā)現(xiàn)（圖2c）

動態(tài)規(guī)律：

D-N?O在進(jìn)水10分鐘內(nèi)從0.2 mg/L飆升至3.5 mg/L，隨后迅速下降（圖2c）。

峰值與羥胺積累高度同步，證實羥胺氧化是N?O爆發(fā)的直接誘因。

空間關(guān)聯(lián)：

D-N?O變化與DO呈負(fù)相關(guān)（DO<0.65 mg/L時D-N?O最高），揭示低氧環(huán)境促進(jìn)N?O生成。

 

研究意義

 

機(jī)制解析：

首次捕捉到PN-SBR中D-N?O的瞬態(tài)變化，證明羥胺氧化是主要途徑（非傳統(tǒng)反硝化途徑）。

彌補(bǔ)了氣相色譜（GC-MS）僅能測氣態(tài)N?O的局限，揭示液相N?O的生成-釋放動力學(xué)。

 

工藝優(yōu)化：

D-N?O峰值出現(xiàn)在厭氧-好氧轉(zhuǎn)換期，提示可通過分段曝氣或DO精準(zhǔn)控制減少N?O排放。

模型校準(zhǔn)：

提供N?O生成速率數(shù)據(jù)（如峰值3.5 mg/L/10min），用于校準(zhǔn)脫氮模型中的N?O預(yù)測模塊。

 

結(jié)論

 

工藝可行性：PN工藝可直接處理有機(jī)廢水（C/N=3），實現(xiàn)高效亞硝酸鹽積累（>60%）。

N?O產(chǎn)生機(jī)制：羥胺氧化是N?O主要途徑（貢獻(xiàn)>59%），排放量占總氮6.3%。

微生物驅(qū)動：異養(yǎng)硝化菌（如Acidovorax, Paracoccus）替代自養(yǎng)AOB成為脫氮主力，其豐度與PN性能正相關(guān)。

工程啟示：需優(yōu)化曝氣策略以減少N?O排放，異養(yǎng)硝化菌劑可強(qiáng)化PN系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

總結(jié)：Unisense微電極通過原位監(jiān)測溶解態(tài)N?O動態(tài)，揭示了PN過程中羥胺氧化的關(guān)鍵作用，為理解N?O爆發(fā)機(jī)制和優(yōu)化脫氮工藝提供了不可替代的技術(shù)支撐。