摘要

從宏觀和微觀角度研究了氧限制條件下，pH 對實驗室規模部分亞硝化序批式反應器一氧化二氮排放的影響。在單個周期的曝氣階段，當初始 pH 從 7.5 增加到 8.5 時，N2O 排放量減少。通過應用微電極，在整個污泥聚集體內部觀察到了 N2O 的產生，并且其產量隨 pH 從 8.5 降低到 7.0 而增加。在 pH 8.0 和 8.5 時，N2O 主要在污泥聚集體的外層 (<1000μm) 產生，那里主要發生亞硝化反應。在 pH 7.0 和 7.5 時，N2O 的產生主要在內層 (>1000μm) 觀察到，那里溶解氧幾乎耗盡，表明此處的主要途徑是反硝化作用。在氧限制條件下，pH 降低導致來自反硝化途徑的 N2O 排放增加。

1. 引言

一氧化二氮 通常從生物脫氮過程中排放，這是一個問題，因為 N2O 是一種強大的溫室氣體，其溫室效應比二氧化碳強得多（約300倍）。人們普遍認為，氨氧化細菌是 BNR 過程中 N2O 排放的主要貢獻者；因此，部分亞硝化反應器中的 N2O 排放越來越受到關注。

N2O 排放受 BNR 系統中工藝參數（例如，溶解氧濃度、pH 和底物濃度）的影響。低 DO 濃度、高 NO2- 濃度和進水 NH4+ 濃度的變化已被確定為促進 N2O 形成的因素。pH 與 BNR 過程中 N2O 排放的關系也有報道。Pan 等人發現，在利用甲醇的反硝化菌進行反硝化過程中，低 pH 值時 N2O 會積累。Law 等人在一個 PN 系統中，在 pH 8.0 時獲得了最大的 N2O 排放速率，并發現 N2O 排放與氨氧化速率相關。在以往的研究中，N2O 排放速率和動態特性得到了很好的研究，而微觀尺度的 N2O 產生則很少被表征。

理論上，N2O 首先在微生物聚集體內部產生，然后排放到大氣中。因此，測量污泥聚集體內部的 N2O 產生和轉化可能揭示 N2O 產生最可能的途徑。微電極是用于微環境測量的最合適工具之一。Satoh 等人研究了不同操作條件下生物膜內硝化活性的變化。Rathnayake 等人觀察到 N2O 主要在顆粒的外層產生，那里 AOB 表現出高活性，并反映出 AOB 可能對 N2O 的產生負責。然而，N2O 產生途徑隨操作條件的變化以前尚未有報道。

在本研究中，一個實驗室規模的 SBR 以合成無機廢水為進水，在氧限制條件下運行以實現部分亞硝化。首先從宏觀角度研究了 N2O 排放。然后，從微觀角度，利用微電極量化微生物聚集體內部的微環境和氮轉化。對獲得的微生物活性進行了與 N2O 產生的相關性分析，旨在探索 pH 如何影響 N2O 的產生和排放。

2. 材料與方法

2.1. 實驗裝置

一個工作體積為 4 L 的實驗室規模 SBR 用于部分亞硝化。一個周期包括 5 分鐘進水期、320 分鐘曝氣期、30 分鐘沉降期和 5 分鐘排水期。排水體積為 2.0 L，交換體積為 50%。每天排出 200 mL 混合液，使污泥停留時間為 20 天。本研究期間，混合液懸浮固體濃度約為 3000 mg L-1。

在曝氣期間，使用質量流量控制器保持恒定的空氣流量 (0.32 L min-1)，曝氣 5 分鐘后，主體液體中的平均 DO 濃度為 0.33 ± 0.06 mg L-1。通過水套將反應器溫度維持在 27 ± 1 °C。

2.2. 生物質與合成廢水

在之前的研究中，通過接種常規污泥成功啟動并穩定運行了部分亞硝化，并研究了 N2O 排放的特征。如下所述，使用相同的生物質進一步探索 pH 對 N2O 排放的影響。

合成廢水含有 NH4Cl（氮源）、NaHCO3（碳源和緩沖劑）和微量元素。NH4+ 和 NaHCO3 的濃度分別為 600 mg N L-1 和 5400 mg L-1。如 Ju 等人所述添加微量元素溶液。使用 HCl (0.5 mol L-1) 和 NaOH (0.5 mol L-1) 將初始 pH 值調節至 7.5、8.0 和 8.5 等不同值。

2.3. 化學分析

根據 APHA 的標準方法測定 NH4+-N、揮發性懸浮固體和總懸浮固體。使用離子色譜儀測定硝酸鹽氮和 NO2--N。分別使用 pH 計和 DO 儀直接監測 pH 和 DO 濃度。

2.4. DNA 提取、PCR-DGGE、克隆與測序

從 SBR 中收集混合液，并使用細菌基因組小量提取試劑盒提取總 DNA。使用通用引物 F357（帶 GC 夾）和 R518 進行 PCR 擴增。根據 Lv 等人的方法進行 DGGE 分析、克隆和測序。