Micro-analysis of nitrous oxide accumulation in denitrification under acidic conditions: The role of pH and free nitrous acid

酸性條件下反硝化過程中一氧化二氮積累的微量分析：pH 和游離亞硝酸的作用

來源：Journal of Water Process Engineering 47 (2022) 102767

 

1. 摘要核心內容

 

論文探究了酸性條件下（pH 4.5–6.5）反硝化過程中N?O積累的機制。關鍵發現包括：

 

N?O富集效率：pH從6.5降至4.5時，N?O產率從1.0%升至65.0%，伴隨亞硝酸鹽積累。

抑制機制：微電極分析表明，H?（氫離子）是N?O還原酶（NOS）的真實抑制劑，而非游離亞硝酸（FNA）；同時低pH促進NOR活性，增加N?O生成。

應用意義：為酸性條件下回收N?O作為能源提供了理論依據。

 

2. 研究目的

 

澄清酸性pH下N?O積累的微生物機制，重點區分H?濃度與FNA濃度對NOS活性的抑制作用，為廢水處理中N?O能源回收提供技術支撐。

 

3. 研究思路

 

采用宏觀批量實驗+微觀微電極技術的雙尺度驗證：

 

批量實驗：在pH 4.5–6.5下進行硝酸鹽反硝化，監測N?O產率與亞硝酸鹽積累（圖1）。

 

微電極原位測量：

測試1–2：以N?O為唯一氮源，量化無FNA（圖2）和有FNA（圖3）時pH對N?O消耗速率的影響。

 

 

 

測試3–4：以NO為氮源，量化無FNA（圖4）和有FNA（圖5）時pH對N?O生成速率的影響。

 

 

 

機制解析：通過凈體積速率計算（公式1–2）和擬合曲線（圖6）區分H?與FNA的作用，構建機制模型（圖7）。

 

 

 

 

 

4. 測量數據及研究意義

關鍵數據來源與意義

測量指標 數據來源 研究意義

N?O產率與亞硝酸鹽積累 圖1 pH↓導致亞硝酸鹽積累↑（FNA↑）和N?O產率↑（65%@pH4.5），揭示酸性條件富集潛力。

無FNA時N?O消耗速率 圖2f–j pH↓使N?O消耗速率↓（pH4.5比pH6.5降低57.5%），證明H?直接抑制NOS活性。

有FNA時N?O消耗速率 圖3f–j FNA存在進一步抑制消耗速率（pH4.5時比無FNA低26.2%），但H?仍是主因。

無FNA時N?O生成速率（NO底物） 圖4f–j pH↓使N?O生成速率↑（pH4.5比pH6.5高63倍），表明低pH直接促進NOR活性。

有FNA時N?O生成速率 圖5f–j FNA存在進一步刺激生成速率（pH4.5時比無FNA高8.4%），增加底物效應。

H?/FNA與速率擬合關系 圖6a–b 定量驗證：N?O消耗速率與H?濃度負相關（R2=0.995），強于FNA（R2=0.997）。

5. 丹麥Unisense電極數據的核心意義

 

技術原理：

 

采用N?O微電極（Unisense, Denmark），空間分辨率100 μm，直接測定污泥絮體內N?O濃度梯度剖面（圖2a–e, 3a–e等）。

通過穩態擴散-反應模型（公式1–2）計算凈體積反應速率（R），區分生成/消耗區域。

 

研究發現與意義：

 

原位驗證H?的抑制作用（圖2）：

無FNA時，pH 4.5下N?O消耗速率顯著降低（26.03 vs. 61.21 μmol·cm?3·h?1 @pH 6.5），首次證明H?是NOS的真實抑制劑，推翻“FNA是唯一抑制劑”的假說。

 

揭示FNA的協同效應（圖3,5）：

FNA存在時，N?O消耗速率進一步降低（pH4.5: 34.82 vs. 22.45 μmol·cm?3·h?1），但通過圖6擬合曲線明確FNA僅協同放大H?的抑制效果。

NO底物實驗中，FNA通過增加亞硝酸鹽底物進一步刺激N?O生成（圖5j vs. 4j）。

 

量化低pH對NOR的激活作用（圖4）：

pH 4.5時N?O生成速率達17.08 μmol·cm?3·h?1（比pH6.5高40倍），明確低pH直接激活NOR，促進NO→N?O轉化。

 

方法論貢獻：

 

突破傳統宏觀局限：直接測定絮體內部反應動力學，避免氣相損失干擾。

解析多反應耦合機制：同步量化生成（NOR）與消耗（NOS）速率，揭示pH/FNA的差異化影響。

 

6. 結論

 

主導機制：

H?是NOS活性的真實抑制劑，FNA僅起協同作用。

低pH激活NOR，大幅提升NO→N?O轉化效率（pH4.5時速率比pH6.5高40倍）。

亞硝酸鹽積累（低pH抑制NIR活性）提供額外底物，進一步促進N?O生成。

 

應用價值：

酸性條件（pH 4.5–5.0）可實現高效N?O回收（產率>50%），無需惰性氣體吹脫。

機制模型（圖7）為優化廢水處理工藝提供理論支持。

 

7. 圖表索引

 

圖1：不同pH下氮/COD濃度變化 → N?O產率與亞硝酸鹽積累關系

圖2–3：無/有FNA時N?O濃度剖面與消耗速率 → H?與FNA的抑制效果

圖4–5：無/有FNA時N?O生成速率 → pH對NOR的激活作用

圖6：H?/FNA與消耗速率擬合曲線 → 定量驗證抑制作用

圖7：N?O積累機制模型 → 多因素耦合效應

 

本研究通過微電極原位分析，澄清了酸性反硝化中N?O富集的關鍵機制，為廢水能源回收提供了新視角。