Glycerol used for denitrification in full-scale wastewater treatment plants: nitrous oxide emissions, sludge acclimatization, and other insights  

甘油在污水處理廠反硝化中的應(yīng)用：氧化亞氮排放、污泥適應(yīng)及其他發(fā)現(xiàn)  

來源：Water Science and Technology, Volume 88

《水科學(xué)與技術(shù)》第88卷

 

摘要內(nèi)容  

該研究揭示了甘油作為反硝化碳源在污水處理廠（WWTPs）中的雙重效應(yīng)：污泥馴化后顯著提升反硝化速率（SDNR從1.61增至16.11 mgNO?-N·gVSS?1·h?1），但導(dǎo)致亞硝酸鹽積累并引發(fā)高氧化亞氮（N?O）排放（排放因子高達(dá)2.5% kgN?O/kgTN?????????）。通過微生物群落分析（16S rRNA測序）發(fā)現(xiàn)，甘油馴化富集了Saccharimonadales（缺乏nir基因）和Propionibacteriales（缺乏nosZ基因），二者協(xié)同作用導(dǎo)致亞硝酸鹽積累和N?O釋放。研究提出基于甘油投加量（而非傳統(tǒng)氮負(fù)荷）的N?O排放因子更適用于此類場景，并通過全尺度實(shí)驗證實(shí)異丁酸鹽復(fù)配可抑制N?O排放。  

 

研究目的  

量化甘油馴化對反硝化效率（C/N比、SDNR）和N?O排放的影響  

 

解析甘油馴化污泥的微生物群落演變與功能基因缺失的關(guān)聯(lián)  

 

建立適用于甘油碳源的N?O排放因子計算方法  

 

探索抑制N?O排放的碳源優(yōu)化策略（如異丁酸鹽復(fù)配）  

 

研究思路  

批次實(shí)驗對比：對比未馴化與甘油馴化污泥的反硝化性能（圖1）  

 

全尺度監(jiān)測：在7座污水處理廠監(jiān)測N?O排放（Unisense電極）、亞硝酸鹽濃度及碳氮比（圖2-3，表1-2）  

 

 

 

 

微生物分析：16S rRNA測序揭示甘油馴化污泥的菌群特征（圖5-6）  

 

 

干預(yù)實(shí)驗：在Merchtem廠復(fù)配異丁酸鹽驗證N?O抑制效果（圖4）  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

反硝化性能數(shù)據(jù)（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：馴化后SDNR提升10倍（16.11 vs 1.61 mgNO?-N·gVSS?1·h?1），C/N比從6.87降至3.10 mgCOD/mgNO?-N  

 

意義：證實(shí)甘油馴化可大幅提升反硝化效率，但高碳氮需求暗示潛在副產(chǎn)物積累風(fēng)險  

 

來源：圖1（批次測試曲線）  

N?O排放數(shù)據(jù)（圖2，表2）  

 

數(shù)據(jù)：甘油投加導(dǎo)致N?O排放因子高達(dá)2.5%，且與投加COD強(qiáng)相關(guān)（R2=0.86）  

 

意義：揭示傳統(tǒng)基于氮負(fù)荷的排放因子（EF_TN）不適用甘油場景，需改用EF_COD  

 

來源：圖2（液相/氣相N?O監(jiān)測），表2（COD與N?O相關(guān)性）  

微生物群落數(shù)據(jù)（圖5-6）  

 

數(shù)據(jù)：甘油馴化富集Saccharimonadales（相對豐度↑15%）和Propionibacteriales（↑12%），二者均缺乏完整反硝化基因  

 

意義：從菌群角度解釋亞硝酸鹽積累機(jī)制（nir/nosZ基因缺失）  

 

來源：圖5（菌群分布），圖6（關(guān)鍵菌屬對比）  

干預(yù)效果數(shù)據(jù)（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：復(fù)配異丁酸鹽（58.8%占比）使N?O排放降低90%  

 

意義：證明多碳源策略可平衡菌群功能，抑制N?O生成  

 

來源：圖4（異丁酸鹽投加期間N?O濃度曲線）  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

使用Unisense Clark電極（N?O微傳感器）實(shí)現(xiàn)：  

原位實(shí)時監(jiān)測：首次在全尺度污水處理廠捕獲甘油投加后液相N?O的瞬時峰值（圖2頂部），證實(shí)亞硝酸鹽積累（>3 mgN/L）與N?O生成的同步性  

 

排放機(jī)制解析：通過氣/液相N?O濃度對比（圖2），揭示曝氣階段的氣提效應(yīng)是N?O釋放主因，推翻傳統(tǒng)“反硝化中間產(chǎn)物累積”假說  

 

工藝優(yōu)化依據(jù)：精準(zhǔn)量化異丁酸鹽的N?O抑制效果（圖4），為碳源復(fù)配策略提供數(shù)據(jù)支撐  

 

因子模型驗證：基于電極數(shù)據(jù)建立COD投加量-N?O排放線性模型（圖3），取代低相關(guān)性（R2<0.25）的TN去除量模型  

 

結(jié)論  

高效與風(fēng)險并存：甘油馴化使SDNR提升10倍、C/N比降低55%，但富集缺陷菌群（Saccharimonadales/Propionibacteriales）導(dǎo)致亞硝酸鹽積累  

 

排放因子革新：提出基于甘油投加量（EF_COD）的N?O排放因子，較傳統(tǒng)EF_TN預(yù)測精度提升300%（R2從0.23→0.86）  

 

抑制策略有效：異丁酸鹽復(fù)配通過激活Burkholderiales的完整反硝化通路，使N?O排放降低90%  

 

工程建議：長期使用甘油需監(jiān)測N?O，優(yōu)先采用混合碳源或定期投加短鏈脂肪酸以維持菌群平衡