Unveiling the roles of biofilm in reducing N2O emission in a nitrifying integrated fixed-film activated sludge (IFAS) system  

揭示生物膜在硝化型IFAS系統中降低N2O排放的作用  

來源：Water Research, Volume 243, 2023, Article 120326

《水研究》2023年第243卷，文章編號120326  

 

摘要內容

 

研究通過微傳感器、同位素位點偏好分析（SP）和高通量測序技術，揭示了生物膜在硝化型IFAS系統中降低N2O排放的雙重機制：  

減少N2O產生：生物膜通過促進亞硝酸鹽氧化（降低亞硝酸鹽積累），抑制氨氧化菌（AOB）反硝化途徑的N2O產生（貢獻率比懸浮污泥低10-20%）。  

 

增強N2O消耗：生物膜作為N2O匯，通過內源反硝化途徑將N2O還原為N2（120分鐘內消耗1.34 mg N/L，比懸浮污泥高3倍）。  

 

在DO=0.25-3 mg/L范圍內，IFAS系統的N2O排放因子（EF）比純懸浮污泥系統低50-83%。  

 

研究目的

闡明IFAS系統中生物膜降低N2O排放的具體機制。  

 

量化生物膜對N2O產生途徑（AOB反硝化 vs. NH2OH氧化）的影響。  

 

驗證生物膜作為N2O匯的能力及其微生物學基礎。  

 

研究思路

系統對比：  

 

平行運行IFAS系統、純懸浮污泥和純生物膜反應器，對比典型周期內氮轉化和N2O排放（圖1）。

 

條件調控：  

 

在硝化批次測試中調控DO水平（0.25-3 mg/L），分析生物膜對N2O排放的影響（圖2）。  

 

通過SP同位素技術量化不同DO下N2O產生途徑的貢獻（圖3）。  

匯功能驗證：  

 

 

設計反硝化批次測試，添加N2O（5 mg N/L）和亞硝酸鹽，監測液相N2O消耗（圖4）。  

 

機制解析：  

 

 

高通量測序分析生物膜與懸浮污泥的微生物群落及關鍵酶基因差異（圖5）。  

 

 

測量數據及研究意義

周期測試數據（圖1）  

 

數據：IFAS系統的N2O排放因子（EF）為5.00±0.67%，顯著低于純懸浮污泥（8.91±1.21%）；生物膜區域液相N2O峰值僅0.06 mg N/L。  

 

意義：證實生物膜存在使系統整體N2O排放降低44%，且生物膜自身N2O積累可忽略。  

DO影響數據（圖2）  

 

數據：DO=0.5 mg/L時，IFAS的N2O EF（0.80%）比懸浮污泥（1.60%）低50%；DO=3 mg/L時仍低50%（0.44% vs. 0.88%）。  

 

意義：揭示生物膜的減排效果在低DO下更顯著，為優化IFAS運行參數提供依據。  

SP同位素數據（圖3）  

 

數據：DO=0.25 mg/L時，生物膜中AOB反硝化途徑貢獻45.01±3.29%，低于懸浮污泥（54.56±2.63%）；NH2OH氧化途徑貢獻相應升高。  

 

意義：生物膜改變了N2O產生途徑比例，減少高排放的AOB反硝化途徑占比。  

N2O消耗數據（圖4）  

 

數據：添加N2O后，生物膜在120分鐘內消耗1.34 mg N/L N2O，而懸浮污泥僅消耗0.42 mg N/L。  

 

意義：直接證明生物膜作為N2O匯的能力，歸因于其高豐度的N2O還原酶（Nos）。  

微生物數據（圖5）  

 

數據：生物膜中Nos基因相對豐度（1.29%）是懸浮污泥（0.40%）的3倍；Denitratisoma等反硝化菌在生物膜中富集（4.13% vs. 0.60%）。  

 

意義：從微生物角度解釋生物膜的高N2O還原能力，關聯功能菌群與減排機制。  

 

結論

減排效果：生物膜使IFAS系統的N2O排放降低43.77%，在低DO（0.5 mg/L）時減排效果達83%。  

 

產生途徑調控：生物膜減少AOB反硝化途徑貢獻10-20%，增加NH2OH氧化途徑貢獻（IFAS中44-80% vs. 懸浮污泥25-60%）。  

 

匯功能機制：生物膜通過富集反硝化菌（如Denitratisoma）和高Nos酶活性，實現內源反硝化驅動的N2O還原。  

 

應用價值：為IFAS工藝優化（如控制低DO）提供理論支撐，推動污水廠碳中和運行。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense N2O微傳感器（N2O UniAmp）實時監測液相N2O濃度（圖1E, 圖4），其核心價值在于：  

原位動態解析：  

 

實時捕捉N2O濃度瞬變（如圖1E中曝氣啟動后N2O驟升），揭示生物膜對N2O的快速消耗能力（圖4A中30分鐘內下降1.0 mg N/L）。  

空間分辨率優勢：  

 

直接測量生物膜-液體界面的N2O梯度（未展示但隱含），避免傳統取樣法的混合誤差，精準量化生物膜作為“匯”的局部貢獻。  

工藝優化指導：  

 

通過DO與N2O的實時關聯數據（圖1D-E），驗證低DO（0.5 mg/L）下生物膜減排效果最佳，為IFAS系統節能降耗提供關鍵參數。  

機制驗證不可替代性：  

 

結合同位素技術（SP值），微傳感器數據直接證實生物膜通過增強N2O還原（而非僅抑制產生）實現凈減排，突破傳統排放因子計算的局限性。