Mechanisms of NO and N?O production by enriched nitrifying sludge in a sequencing batch reactor: Effects of hydroxylamine

序批式反應器中富集硝化污泥產生 NO 和 N 2 O 的機理：羥胺的影響

來源：Journal of Environmental Management 316 (2022) 115237

 

摘要核心內容

 

本研究通過序批式反應器（SBR）實驗，探究羥胺（NH?OH）對富集硝化污泥產生一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N?O）的影響機制。核心發現包括：

 

亞硝酸鹽（NO??）積累驅動N?O生成：氨氧化過程中NO??積累時，N?O是主要產物（圖1B2），峰值濃度達0.15 mg-N/L。

 

 

NH?OH氧化與DO正相關：NH?OH氧化產生的NO和N?O總量與溶解氧（DO）水平呈正相關（圖2A2/B2），高DO下總產量更高（NO: 0.159 mg-N/L, N?O: 0.363 mg-N/L）。

 

 

NH?OH添加加劇氣體排放：氨氧化過程中添加NH?OH顯著提升NO和N?O產量（圖3A2），高DO下N?O峰值達0.698 mg-N/L。

 

 

混合路徑主導低DO環境：低DO下NO??與NH?OH共存時，生物（硝化菌反硝化）與非生物（化學反應）混合路徑是NO/N?O的主要來源（圖4B2）。

 

 

非生物反應貢獻顯著：NH?OH與NO??的化學反應可直接生成N?O（峰值1.719 mg-N/L），占氣體總產量的30%以上（圖5）。

 

 

研究目的

 

闡明NH?OH的作用機制：明確NH?OH作為底物或外源添加物對NO/N?O生成的貢獻。

 

解析DO與底物的交互影響：探究不同DO條件下NH?OH與NO??積累對氣體產生路徑的影響。

 

區分生物與非生物路徑：量化硝化菌反硝化、化學反硝化等路徑的貢獻，為污水處理過程減排提供理論依據。

 

研究思路與技術路線

 

采用 五組對照實驗（表1）系統分離影響因素：

 

 

基礎氨氧化（圖1）：

 

無NO??積累（完全硝化） vs. NO??積累（部分硝化）。

 

NH?OH氧化（圖2）：

 

高DO（>5 mg/L） vs. 低DO（<1 mg/L），無其他底物。

 

氨氧化+NH?OH添加（圖3）：

 

高DO下無NO??積累 vs. 有NO??積累 vs. 低DO條件。

 

亞硝酸氧化+NH?OH添加（圖4）：

 

高DO vs. 低DO，以NO??為唯一底物。

 

非生物反應（圖5）：

 

NH?OH與NO??在純水中的化學反應驗證。

 

監測指標：溶解態NO/N?O（Unisense電極在線監測）、NH??-N、NO??-N、NO??-N、DO、pH、ORP，結合高通量測序分析微生物群落。

 

關鍵數據及研究意義

1. NO??積累驅動N?O生成（圖1B2）

 

數據：NO??積累時N?O峰值濃度（0.15 mg-N/L）顯著高于NO（0.03 mg-N/L）。

 

意義：證實硝化菌反硝化是N?O主要路徑，為優化硝化工藝（如控制NO??濃度）減少N?O排放提供依據。

 

2. NH?OH氧化與DO正相關（圖2）

 

數據：高DO下NH?OH氧化的NO+N?O總產量（0.522 mg-N/L）是低DO（0.140 mg-N/L）的3.7倍。

 

意義：DO通過影響羥胺氧化酶（HAO）活性調控氣體產量，提示高DO污水處理中需關注NH?OH累積風險。

 

3. NH?OH添加加劇氣體排放（圖3A2）

 

數據：氨氧化中添加NH?OH使N?O峰值升至0.698 mg-N/L（無添加時<0.05 mg-N/L）。

 

意義：外源NH?OH打破氨氧化平衡，增強電子傳遞鏈中NO/N?O的生成，解釋實際污水廠突發N?O排放現象。

 

4. 混合路徑主導低DO環境（圖4B2）

 

數據：低DO下NH?OH+NO??共存時，NO/N?O峰值達0.225/4.529 mg-N/L，且持續時間長。

 

意義：揭示低氧條件下生物（硝化菌反硝化）與非生物（NH?OH+NO??→N?O）路徑的協同作用。

 

5. 非生物反應貢獻（圖5）

 

數據：NH?OH與NO??反應直接生成N?O（峰值1.719 mg-N/L），占高DO下氣體產量的32%。

 

意義：首次量化化學路徑貢獻，修正傳統“純生物路徑”認知，需在N?O核算模型中納入非生物因子。

 

核心結論

 

NH?OH是氣體產生關鍵前體：其氧化過程直接貢獻60%以上的NO/N?O，且受DO正向調控。

 

DO與底物決定主導路徑：

 

高DO+NO??積累 → 硝化菌反硝化為主；

 

高DO+NH?OH添加 → NH?OH氧化為主；

 

低DO+NH?OH/NO??共存 → 生物/非生物混合路徑。

 

非生物反應不可忽視：NH?OH與NO??的化學反應貢獻30%以上N?O，尤其在低pH或高NO??環境中。

 

應用啟示：控制DO>2 mg/L、避免NO??積累、限制NH?OH暴露可有效抑制污水處理中的NO/N?O排放。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與測量優勢

 

型號與精度：丹麥Unisense NO-500/N?O-500微電極，實時監測溶解態氣體，分辨率達0.001 mg-N/L，響應時間<5秒。

 

在線監測價值：克服傳統離線采樣（如氣相色譜）的時間滯后性，捕捉瞬態氣體峰（如圖3A2中N?O 5分鐘內飆升的曲線）。

 

關鍵發現與機制解析

 

揭示瞬態釋放規律（圖2-4）：

 

NH?OH添加后1分鐘內NO/N?O濃度驟升，證實氣體產生與羥胺氧化直接耦合（非累積效應）。

 

低DO下N?O持續時間長達300分鐘（圖2B2），反映反硝化路徑的持續性。

 

量化非生物路徑貢獻（圖5）：

 

在無微生物的純水中，Unisense捕獲到NH?OH+NO??→N?O的瞬時峰（1.719 mg-N/L），明確化學反硝化的存在。

 

關聯微生物活動：

 

氣體釋放曲線與ORP驟降同步（圖3C2），印證電子傳遞鏈擾動導致的反硝化酶激活。

 

高DO下N?O快速消耗（圖1B2）對應Nor酶活性，Unisense數據為酶動力學研究提供實時依據。

 

研究意義

 

方法學創新：首次將Unisense電極應用于硝化污泥體系，實現溶解態氣體的原位高分辨監測。

 

機制深度解析：量化NH?OH氧化路徑對N?O的貢獻（占總量32-68%），修正“硝化菌反硝化主導”的傳統模型。

 

技術推廣價值：適用于其他還原性環境（如厭氧消化、沉積物），為溫室氣體原位監測提供標準化方案。

 

總結：本研究通過Unisense電極精準捕捉NH?OH驅動的NO/N?O瞬態釋放，揭示了DO與底物對氣體產生路徑的調控機制，強調非生物反應在實際污水處理中的重要性，為優化脫氮工藝和減排策略提供理論支撐。