Inhibition effect of magnetic field on nitrous oxide emission from sequencing batch reactor treating domestic wastewater at low temperature

磁場(chǎng)對(duì)低溫處理生活污水的序批式反應(yīng)器中氧化亞氮排放的抑制效應(yīng)

來源：Journal of Environmental Sciences, Volume 87, 2020, Pages 205-212

《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》，第87卷，2020年，頁碼205-212

 

摘要

摘要指出本研究旨在探討磁場(chǎng)對(duì)低溫（10°C）下處理低濃度生活污水的序批式反應(yīng)器（SBR）中氧化亞氮（N2O）排放的影響。平行運(yùn)行124天后，磁場(chǎng)-SBR（MF-SBR）的N2O轉(zhuǎn)化率比常規(guī)SBR（C-SBR）降低了34.3%，同時(shí)MF-SBR的總氮（TN）和氨氮（NH4-N）去除效率分別提高了22.4%和39.5%。高通量測(cè)序顯示，MF-SBR中能夠?qū)2O還原為N2的氨氧化細(xì)菌（AOB，如Nitrosomonas）、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB，如Nitrospira）和反硝化細(xì)菌（如Zoogloea）的豐度顯著提升。MF-SBR的反硝化酶活性（Nir）和基因豐度（nosZ、nirS和nirK）也明顯高于C-SBR。研究表明，在低溫處理生活污水的SBR中，應(yīng)用磁場(chǎng)通過影響污泥的微生物特性，是抑制N2O產(chǎn)生和提高脫氮效率的有效方法。

 

研究目的

研究目的是探究磁場(chǎng)在低溫（10°C）下對(duì)SBR處理生活污水時(shí)抑制N2O排放和增強(qiáng)脫氮效果的影響，并從微生物學(xué)角度通過測(cè)定反硝化功能基因和酶活性以及高通量16S rRNA基因測(cè)序分析微生物群落，以解釋磁場(chǎng)的作用機(jī)制，為污水處理廠（WWTP）提高脫氮效率和減少N2O排放提供依據(jù)。

 

研究思路

研究思路是通過設(shè)置兩個(gè)SBR反應(yīng)器（MF-SBR和C-SBR）在低溫（10°C）下平行運(yùn)行124天，對(duì)比磁場(chǎng)（30 mT）對(duì)N2O排放和脫氮性能的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量N2O排放率、氮去除效率（TN、NH4-N）、反硝化酶活性（NIR、NOS）和基因豐度（nosZ、nirS、nirK），并利用高通量16S rRNA基因測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)，以闡明磁場(chǎng)影響N2O排放和脫氮的微生物機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 N2O排放和氮去除數(shù)據(jù)：來自圖1和表1，顯示MF-SBR的N2O轉(zhuǎn)化率比C-SBR降低34.3%，TN和NH4-N去除效率分別提高22.4%和39.5%。研究意義是證實(shí)磁場(chǎng)在低溫下能有效抑制N2O排放并提升脫氮性能，為污水處理提供經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)選擇，避免昂貴溫控設(shè)施。

 

 

 

2 運(yùn)行周期內(nèi)N2O和氮化合物變化數(shù)據(jù)：來自圖2和圖3，顯示N2O主要在沉降和排水期通過反硝化產(chǎn)生，好氧期與亞硝酸鹽積累相關(guān)。研究意義是揭示N2O產(chǎn)生時(shí)段和途徑，磁場(chǎng)通過促進(jìn)亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化和反硝化酶活性減少N2O積累，優(yōu)化過程控制。

 

 

3 反硝化酶活性和基因豐度數(shù)據(jù)：來自圖4，MF-SBR的NIR和NOS活性分別提高40.5%和37.9%，nosZ、nirS和nirK基因豐度顯著增加。研究意義是表明磁場(chǎng)增強(qiáng)低溫下反硝化酶活性和基因表達(dá)，緩解低溫抑制，從而降低N2O排放并提高脫氮效率。

 

4 微生物群落數(shù)據(jù)：來自圖5和圖6，MF-SBR中β-變形菌門（如Nitrosomonas、Nitrospira和Zoogloea）豐度增加，反硝化菌群（如Dechloromonas、Thauera）更豐富。研究意義是證實(shí)磁場(chǎng)調(diào)控微生物群落，促進(jìn)有益菌生長(zhǎng)，改善脫氮路徑，減少N2O產(chǎn)生。

 

 

結(jié)論

1 磁場(chǎng)應(yīng)用（30 mT）在低溫（10°C）下顯著抑制SBR的N2O轉(zhuǎn)化率（降低34.3%）并提高脫氮效率（TN和NH4-N去除率分別增加22.4%和39.5%）。

2 磁場(chǎng)增強(qiáng)反硝化酶活性（NIR和NOS）和基因豐度（nosZ、nirS、nirK），緩解低溫對(duì)微生物活性的抑制。

3 微生物群落分析顯示磁場(chǎng)促進(jìn)AOB（Nitrosomonas）、NOB（Nitrospira）和反硝化菌（如Zoogloea）的豐度，優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效脫氮和N2O減排。

4 磁場(chǎng)技術(shù)為低溫污水處理提供了一種經(jīng)濟(jì)可靠的輔助手段，未來需進(jìn)一步優(yōu)化磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高精度原位監(jiān)測(cè)能力，能夠?qū)崟r(shí)量化氣相和液相中的N2O濃度動(dòng)態(tài)。具體地，電極測(cè)量顯示N2O排放主要發(fā)生在沉降和排水期（反硝化主導(dǎo)）以及好氧期（與亞硝酸鹽積累相關(guān)），如圖2和圖3所示。這種測(cè)量幫助精確計(jì)算N2O轉(zhuǎn)化率（如MF-SBR降低34.3%），并揭示磁場(chǎng)通過減少亞硝酸鹽積累和增強(qiáng)反硝化酶活性抑制N2O產(chǎn)生的機(jī)制。研究意義在于提供可靠數(shù)據(jù)支持磁場(chǎng)效應(yīng)的驗(yàn)證，避免傳統(tǒng)采樣誤差，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，為低溫污水處理中N2O減排策略提供關(guān)鍵工具和見解。