Application of a Partial Nitrogen Lab-Scale Sequencing Batch Reactor for the Treatment of Organic Wastewater and Its N2O Production Pathways, and the Microbial Mechanism

偏氮實驗室規模序批式反應器處理有機廢水及其N2O 生成途徑和微生物機理

來源：Sustainability 2022, 14, 1457.

 

摘要核心內容

 

本研究構建了處理有機廢水的部分亞硝化（PN）序批式反應器（PN-SBR），運行225天后實現穩定PN狀態：

脫氮性能：氨氮去除率>98%，60%以上轉化為亞硝酸鹽（NO??-N），硝酸鹽（NO??-N）生成量極低（圖1）。

 

 

N?O排放特征：

典型周期內N?O排放量占總氮的6.3%（圖2d），主要產生于厭氧-好氧轉換階段。

 

 

同位素特征（SP值19-23‰）表明羥胺（NH?OH）氧化是N?O主要產生途徑（圖2e）。

 

微生物機制：

優勢菌門為變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）（圖3a）。

 

異養硝化菌（如Acidovorax、Paracoccus、Shinella等）顯著富集（相對豐度>55%），主導氨氧化過程（圖3c, 圖4）。

 

 

 

研究目的

驗證PN工藝可行性：探究PN工藝處理高有機負荷廢水（C/N≈3）的可行性，突破傳統認知中有機物抑制氨氧化菌（AOB）的限制。

解析N?O產生路徑：明確PN過程中N?O的主要產生途徑及貢獻率，為減少溫室氣體排放提供依據。

揭示微生物機制：闡明異養硝化菌（HNAD）在有機廢水PN中的核心作用及協同機制。

 

研究思路

 

采用 “反應器運行→過程監測→多組學驗證”策略：

反應器構建與運行：

接種SHARON反應器污泥，以人工有機廢水（NH?Cl + 葡萄糖）為底物，分四階段運行225天（階段I-IV）（圖1）。

控制DO（<0.65 mg/L）、pH（7.5-8.5）及曝氣時間抑制NOB，促進亞硝酸鹽積累。

 

多參數動態監測：

水質參數：NH??-N、NO??-N、NO??-N、COD、pH、DO（圖2a-b）。

N?O排放：溶解態N?O（D-N?O）用Unisense微電極實時監測（圖2c）；氣態N?O用GC-MS分析（圖2d）。

同位素分析：測定N?O的δ1?Nα、δ1?Nβ和SP值，解析產生途徑（圖2e）。

 

微生物機制解析：

16S rRNA測序分析群落結構（圖3）。

宏基因組挖掘功能基因（amo, hao, nirK等）（圖5-6）。

 

 

 

分離培養核心異養硝化菌并驗證功能（表3, 圖4）。

 

 

 

關鍵數據及研究意義

1. 反應器脫氮性能（圖1）

數據：

階段IV氨氮去除率>98%，亞硝酸鹽積累率>60%，硝酸鹽生成可忽略。

COD去除率~99%，出水COD~20 mg/L。

意義：首次證明PN工藝可直接處理有機廢水（C/N=3），省去前置厭氧消化步驟，降低運行成本。

 

2. N?O排放規律（圖2）

數據：

D-N?O濃度在進水初期驟升至3.5 mg/L（圖2c），與羥胺峰值同步。

氣態N?O排放峰值1180 ppm（圖2d），SP值穩定在19-23‰（圖2e），羥胺氧化途徑貢獻>59%。

意義：明確羥胺氧化是N?O主要來源，為優化曝氣策略（如減少厭氧-好氧轉換頻率）以減少溫室氣體排放提供依據。

 

3. 微生物群落演替（圖3）

數據：

異養硝化菌（Acidovorax, Paracoccus等）相對豐度從16.2%（階段I）升至55.5%（階段IV）（圖3c）。

自養AOB（Nitrosomonas）豐度僅0.9%，遠低于傳統PN系統（1-16%）。

意義：揭示有機廢水中異養硝化菌替代自養AOB成為氨氧化主力，挑戰傳統PN理論。

 

4. 功能菌株特性（表3, 圖4）

數據：

分離菌株SBR-Zi-1（Paracoccus）氨氮去除率96.3%，亞硝酸鹽產量18.9 mg/L（表3）。

核心菌屬（如Comamonas, Shinella）與異養硝化基因（amo, hao）高度關聯（圖4a, 圖6）。

意義：證實異養硝化菌具備獨立完成氨氧化的能力，為菌劑開發提供候選菌種。

 

5. 功能基因分布（圖5-6）

 

數據：

氨氧化基因（amo, hao）豐度低（0.053‰-0.22‰），反硝化基因（nirK, nar等）豐度高（0.12‰-3.23‰）（圖6a）。

羥胺脫氫酶（hao）主要源于Nitrosomonas（77.8%）和Comamonas（5.5%）（圖6b）。

意義：異養菌可能通過非經典途徑（如羥胺氧化）參與脫氮，需重新評估PN的微生物代謝網絡。

 

Unisense微電極數據的專項解讀

技術原理

Unisense N?O微電極（N?O-R型）：

通過陰極還原N?O產生電流信號，實時監測溶解態N?O（D-N?O）濃度。

高靈敏度（檢測限0.1 mg/L）、微尺度（電極尖端直徑<10 μm），可無擾動原位測量生物膜/混合液微環境。

 

核心發現（圖2c）

動態規律：

D-N?O在進水10分鐘內從0.2 mg/L飆升至3.5 mg/L，隨后迅速下降（圖2c）。

峰值與羥胺積累高度同步，證實羥胺氧化是N?O爆發的直接誘因。

空間關聯：

D-N?O變化與DO呈負相關（DO<0.65 mg/L時D-N?O最高），揭示低氧環境促進N?O生成。

 

研究意義

 

機制解析：

首次捕捉到PN-SBR中D-N?O的瞬態變化，證明羥胺氧化是主要途徑（非傳統反硝化途徑）。

彌補了氣相色譜（GC-MS）僅能測氣態N?O的局限，揭示液相N?O的生成-釋放動力學。

 

工藝優化：

D-N?O峰值出現在厭氧-好氧轉換期，提示可通過分段曝氣或DO精準控制減少N?O排放。

模型校準：

提供N?O生成速率數據（如峰值3.5 mg/L/10min），用于校準脫氮模型中的N?O預測模塊。

 

結論

 

工藝可行性：PN工藝可直接處理有機廢水（C/N=3），實現高效亞硝酸鹽積累（>60%）。

N?O產生機制：羥胺氧化是N?O主要途徑（貢獻>59%），排放量占總氮6.3%。

微生物驅動：異養硝化菌（如Acidovorax, Paracoccus）替代自養AOB成為脫氮主力，其豐度與PN性能正相關。

工程啟示：需優化曝氣策略以減少N?O排放，異養硝化菌劑可強化PN系統穩定性。

 

總結：Unisense微電極通過原位監測溶解態N?O動態，揭示了PN過程中羥胺氧化的關鍵作用，為理解N?O爆發機制和優化脫氮工藝提供了不可替代的技術支撐。