Mechanisms of NO and N?O production by enriched nitrifying sludge in a sequencing batch reactor: Effects of hydroxylamine

序批式反應(yīng)器中富集硝化污泥產(chǎn)生 NO 和 N 2 O 的機(jī)理：羥胺的影響

來(lái)源：Journal of Environmental Management 316 (2022) 115237

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過(guò)序批式反應(yīng)器（SBR）實(shí)驗(yàn)，探究羥胺（NH?OH）對(duì)富集硝化污泥產(chǎn)生一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N?O）的影響機(jī)制。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

亞硝酸鹽（NO??）積累驅(qū)動(dòng)N?O生成：氨氧化過(guò)程中NO??積累時(shí)，N?O是主要產(chǎn)物（圖1B2），峰值濃度達(dá)0.15 mg-N/L。

 

 

NH?OH氧化與DO正相關(guān)：NH?OH氧化產(chǎn)生的NO和N?O總量與溶解氧（DO）水平呈正相關(guān)（圖2A2/B2），高DO下總產(chǎn)量更高（NO: 0.159 mg-N/L, N?O: 0.363 mg-N/L）。

 

 

NH?OH添加加劇氣體排放：氨氧化過(guò)程中添加NH?OH顯著提升NO和N?O產(chǎn)量（圖3A2），高DO下N?O峰值達(dá)0.698 mg-N/L。

 

 

混合路徑主導(dǎo)低DO環(huán)境：低DO下NO??與NH?OH共存時(shí)，生物（硝化菌反硝化）與非生物（化學(xué)反應(yīng)）混合路徑是NO/N?O的主要來(lái)源（圖4B2）。

 

 

非生物反應(yīng)貢獻(xiàn)顯著：NH?OH與NO??的化學(xué)反應(yīng)可直接生成N?O（峰值1.719 mg-N/L），占?xì)怏w總產(chǎn)量的30%以上（圖5）。

 

 

研究目的

 

闡明NH?OH的作用機(jī)制：明確NH?OH作為底物或外源添加物對(duì)NO/N?O生成的貢獻(xiàn)。

 

解析DO與底物的交互影響：探究不同DO條件下NH?OH與NO??積累對(duì)氣體產(chǎn)生路徑的影響。

 

區(qū)分生物與非生物路徑：量化硝化菌反硝化、化學(xué)反硝化等路徑的貢獻(xiàn)，為污水處理過(guò)程減排提供理論依據(jù)。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 五組對(duì)照實(shí)驗(yàn)（表1）系統(tǒng)分離影響因素：

 

 

基礎(chǔ)氨氧化（圖1）：

 

無(wú)NO??積累（完全硝化） vs. NO??積累（部分硝化）。

 

NH?OH氧化（圖2）：

 

高DO（>5 mg/L） vs. 低DO（<1 mg/L），無(wú)其他底物。

 

氨氧化+NH?OH添加（圖3）：

 

高DO下無(wú)NO??積累 vs. 有NO??積累 vs. 低DO條件。

 

亞硝酸氧化+NH?OH添加（圖4）：

 

高DO vs. 低DO，以NO??為唯一底物。

 

非生物反應(yīng)（圖5）：

 

NH?OH與NO??在純水中的化學(xué)反應(yīng)驗(yàn)證。

 

監(jiān)測(cè)指標(biāo)：溶解態(tài)NO/N?O（Unisense電極在線監(jiān)測(cè)）、NH??-N、NO??-N、NO??-N、DO、pH、ORP，結(jié)合高通量測(cè)序分析微生物群落。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. NO??積累驅(qū)動(dòng)N?O生成（圖1B2）

 

數(shù)據(jù)：NO??積累時(shí)N?O峰值濃度（0.15 mg-N/L）顯著高于NO（0.03 mg-N/L）。

 

意義：證實(shí)硝化菌反硝化是N?O主要路徑，為優(yōu)化硝化工藝（如控制NO??濃度）減少N?O排放提供依據(jù)。

 

2. NH?OH氧化與DO正相關(guān)（圖2）

 

數(shù)據(jù)：高DO下NH?OH氧化的NO+N?O總產(chǎn)量（0.522 mg-N/L）是低DO（0.140 mg-N/L）的3.7倍。

 

意義：DO通過(guò)影響羥胺氧化酶（HAO）活性調(diào)控氣體產(chǎn)量，提示高DO污水處理中需關(guān)注NH?OH累積風(fēng)險(xiǎn)。

 

3. NH?OH添加加劇氣體排放（圖3A2）

 

數(shù)據(jù)：氨氧化中添加NH?OH使N?O峰值升至0.698 mg-N/L（無(wú)添加時(shí)<0.05 mg-N/L）。

 

意義：外源NH?OH打破氨氧化平衡，增強(qiáng)電子傳遞鏈中NO/N?O的生成，解釋實(shí)際污水廠突發(fā)N?O排放現(xiàn)象。

 

4. 混合路徑主導(dǎo)低DO環(huán)境（圖4B2）

 

數(shù)據(jù)：低DO下NH?OH+NO??共存時(shí)，NO/N?O峰值達(dá)0.225/4.529 mg-N/L，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

 

意義：揭示低氧條件下生物（硝化菌反硝化）與非生物（NH?OH+NO??→N?O）路徑的協(xié)同作用。

 

5. 非生物反應(yīng)貢獻(xiàn)（圖5）

 

數(shù)據(jù)：NH?OH與NO??反應(yīng)直接生成N?O（峰值1.719 mg-N/L），占高DO下氣體產(chǎn)量的32%。

 

意義：首次量化化學(xué)路徑貢獻(xiàn)，修正傳統(tǒng)“純生物路徑”認(rèn)知，需在N?O核算模型中納入非生物因子。

 

核心結(jié)論

 

NH?OH是氣體產(chǎn)生關(guān)鍵前體：其氧化過(guò)程直接貢獻(xiàn)60%以上的NO/N?O，且受DO正向調(diào)控。

 

DO與底物決定主導(dǎo)路徑：

 

高DO+NO??積累 → 硝化菌反硝化為主；

 

高DO+NH?OH添加 → NH?OH氧化為主；

 

低DO+NH?OH/NO??共存 → 生物/非生物混合路徑。

 

非生物反應(yīng)不可忽視：NH?OH與NO??的化學(xué)反應(yīng)貢獻(xiàn)30%以上N?O，尤其在低pH或高NO??環(huán)境中。

 

應(yīng)用啟示：控制DO>2 mg/L、避免NO??積累、限制NH?OH暴露可有效抑制污水處理中的NO/N?O排放。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理與測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

 

型號(hào)與精度：丹麥Unisense NO-500/N?O-500微電極，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解態(tài)氣體，分辨率達(dá)0.001 mg-N/L，響應(yīng)時(shí)間<5秒。

 

在線監(jiān)測(cè)價(jià)值：克服傳統(tǒng)離線采樣（如氣相色譜）的時(shí)間滯后性，捕捉瞬態(tài)氣體峰（如圖3A2中N?O 5分鐘內(nèi)飆升的曲線）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解析

 

揭示瞬態(tài)釋放規(guī)律（圖2-4）：

 

NH?OH添加后1分鐘內(nèi)NO/N?O濃度驟升，證實(shí)氣體產(chǎn)生與羥胺氧化直接耦合（非累積效應(yīng)）。

 

低DO下N?O持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)300分鐘（圖2B2），反映反硝化路徑的持續(xù)性。

 

量化非生物路徑貢獻(xiàn)（圖5）：

 

在無(wú)微生物的純水中，Unisense捕獲到NH?OH+NO??→N?O的瞬時(shí)峰（1.719 mg-N/L），明確化學(xué)反硝化的存在。

 

關(guān)聯(lián)微生物活動(dòng)：

 

氣體釋放曲線與ORP驟降同步（圖3C2），印證電子傳遞鏈擾動(dòng)導(dǎo)致的反硝化酶激活。

 

高DO下N?O快速消耗（圖1B2）對(duì)應(yīng)Nor酶活性，Unisense數(shù)據(jù)為酶動(dòng)力學(xué)研究提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

 

研究意義

 

方法學(xué)創(chuàng)新：首次將Unisense電極應(yīng)用于硝化污泥體系，實(shí)現(xiàn)溶解態(tài)氣體的原位高分辨監(jiān)測(cè)。

 

機(jī)制深度解析：量化NH?OH氧化路徑對(duì)N?O的貢獻(xiàn)（占總量32-68%），修正“硝化菌反硝化主導(dǎo)”的傳統(tǒng)模型。

 

技術(shù)推廣價(jià)值：適用于其他還原性環(huán)境（如厭氧消化、沉積物），為溫室氣體原位監(jiān)測(cè)提供標(biāo)準(zhǔn)化方案。

 

總結(jié)：本研究通過(guò)Unisense電極精準(zhǔn)捕捉NH?OH驅(qū)動(dòng)的NO/N?O瞬態(tài)釋放，揭示了DO與底物對(duì)氣體產(chǎn)生路徑的調(diào)控機(jī)制，強(qiáng)調(diào)非生物反應(yīng)在實(shí)際污水處理中的重要性，為優(yōu)化脫氮工藝和減排策略提供理論支撐。