The combination of nanobubble aeration and iron-based multi-carbon source composites achieves efficient aquaculture wastewater nitrogen removal

納米氣泡曝氣與鐵基多碳源復合材料相結合，實現水產養殖廢水高效脫氮

來源：Chemical Engineering Journal 491 (2024) 152093

 

1. 摘要核心內容

 

論文提出了一種創新方法：結合納米氣泡曝氣（Nanobubble Aeration） 和鐵基多碳源復合材料（IMCSC），解決水產養殖廢水脫氮的兩大瓶頸——沉積物缺氧和電子供體不足。通過提升沉積物溶解氧（DO）水平和補充電子供體，顯著富集土著好氧反硝化菌，實現高效脫氮。NIMCSC系統（納米氣泡+IMCSC）的總氮（TN）去除率達89.75%，較對照組提升7.46–14.07%。宏基因組分析揭示了微生物群落共生關系、電子傳遞增強及關鍵代謝途徑的協同作用。

2. 研究目的

 

核心問題：水產養殖廢水碳氮比低（C/N ≤ 4）、沉積物缺氧，抑制土著好氧反硝化菌活性。

創新方案：

納米氣泡曝氣：解決沉積物缺氧問題（穿透水-沉積物界面，提升深層DO）；

IMCSC復合材料：提供緩釋碳源（PCL+玉米芯）和電子供體（零價鐵ZVI），補充電子供體短缺。

驗證目標：評估該組合技術對脫氮效率、微生物群落及代謝機制的影響。

 

3. 研究思路

 

系統構建：

3組實驗系統（MCSC、IMCSC、NIMCSC），模擬養殖池塘（水+沉積物）。

添加復合載體（MCSC或IMCSC），對比不同曝氣方式（擴散曝氣 vs 納米氣泡曝氣）。

每日添加氮磷碳源（KNO?、KH?PO?、CH?COONa），模擬實際養殖輸入（表1）。

性能監測：

水質參數（DO、TN、NO??-N、NH??-N、COD、pH）、沉積物TN、鐵釋放量。

微生物群落分析（16S rRNA測序）和宏基因組學（氮代謝、電子傳遞通路）。

機制解析：

通過共現網絡、功能基因注釋、電子傳遞系統活性（ETSA）揭示脫氮機理。

 

4. 測量數據及其研究意義

（1）溶解氧分布（丹麥Unisense微電極測量）

 

 

數據來源：圖2b

關鍵結果：

納米氣泡曝氣（NIMCSC）使沉積物氧滲透深度達 9.6 mm，顯著高于擴散曝氣（MCSC/IMCSC：~5.2 mm）和原始沉積物（5.2 mm）。

上覆水DO濃度：NIMCSC（7.52 mg/L）> IMCSC（6.57 mg/L）> MCSC（6.49 mg/L）。

研究意義：

直接證明納米氣泡穿透沉積物能力：納米氣泡（平均直徑184.12 nm）因高拉普拉斯壓力快速溶解釋氧，突破傳統曝氣無法氧化深層沉積物的限制。

為好氧反硝化創造微環境：沉積物深層DO提升，使好氧反硝化菌（如Pseudomonas、Thiobacillus）在沉積物中富集，推動界面脫氮。

 

（2）水質參數動態變化

 

TN/NO??-N去除（圖4）：

NIMCSC系統TN去除率89.75%（出水TN=1.49 mg/L），較IMCSC（82.29%）和MCSC（75.68%）顯著提升。

NO??-N在NIMCSC中快速降解（第15天降至3.85 mg/L），無NH??積累。

 

 

COD與Fe釋放（圖3）：

IMCSC/NIMCSC的COD穩定在17–19 mg/L（達標排放），Fe2?緩釋（0.126–0.137 mg/L）提供電子供體。

意義：證實IMCSC緩釋碳源避免二次污染，ZVI氧化產物（Fe2?/H?）補充電子供體。

 

 

（3）微生物群落與功能

 

群落結構（圖5c、表2）：

 

 

NIMCSC富集混合營養型好氧反硝化菌：

水體：Hydrogenophaga（相對豐度23.77%，自養）

沉積物：Pseudomonas（4.13%，異養）、Thiobacillus（鐵氧化菌）

共現網絡（圖6）：

 

NIMCSC中微生物共生關系增強（正相關邊比例高），核心菌屬（Haliangium）主導脫氮。

宏基因組（圖7）：

 

NIMCSC中好氧反硝化基因（napAB、nirS、nosZ）表達上調，DNRA途徑（nirBD）受抑制。

電子傳遞鏈基因（ccoN、CYTB）和TCA循環酶基因（IDH1、mdh）豐度增加。

 

（4）電子傳遞系統活性（ETSA）

 

數據來源：圖S2

結果：NIMCSC沉積物ETSA較MCSC提升66.04%，表明電子傳遞效率增強。

意義：ZVI促進細胞色素c合成，加速NADH→NO??的電子傳遞，解決低C/N比限制。

 

5. 結論

 

技術優勢：

納米氣泡曝氣提升沉積物氧滲透深度（9.6 mm），IMCSC提供電子供體，協同促進土著好氧反硝化菌富集。

NIMCSC系統TN去除率89.75%，達養殖廢水排放一級標準（SC/T 9101-2007）。

微生物機制：

富集混合營養菌（Hydrogenophaga、Pseudomonas），形成共生網絡。

上調好氧反硝化基因（napAB、nosZ）和電子傳遞基因（ccoN、CYTB）。

代謝途徑：

ZVI氧化驅動Fe2?/H?提供電子，TCA循環生成NADH/FADH?，電子傳遞鏈推動高效脫氮。

 

丹麥Unisense電極數據的核心研究意義

 

解決沉積物缺氧瓶頸：傳統擴散曝氣僅能氧化沉積物表層（≤5.4 mm），而Unisense微電極實測數據顯示，納米氣泡使氧滲透深度達9.6 mm（圖2b），直接驗證其穿透沉積物孔隙的能力。

支撐好氧反硝化的可行性：沉積物深層DO提升，為好氧反硝化菌（如沉積物中的Pseudomonas）提供了生存微環境，打破“沉積物缺氧抑制好氧過程”的傳統認知。

技術優勢量化依據：該數據是NIMCSC系統高效脫氮的核心證據，闡明納米氣泡如何通過物理傳遞特性改變生化反應空間，為技術推廣提供理論支撐。

 

總結：本研究通過納米氣泡曝氣與IMCSC的協同，解決了水產養殖廢水脫氮的氧限制和電子供體短缺問題，Unisense電極數據為納米氣泡的沉積物氧化能力提供了關鍵實證，宏基因組學則揭示了微生物代謝的強化機制，為養殖廢水低碳處理提供了新思路。