N2O production and emission pathways in anammox biofilter for treating wastewater with low nitrogen concentrations

厭氧氨氧化生物濾池處理低氮廢水的N 2 O產生和排放途徑

來源：Science of the Total Environment 852 (2022) 158282

 

摘要核心內容

 

本研究針對厭氧氨氧化（Anammox）生物濾池處理低氮廢水時的N?O排放問題，通過調控濾速（1.0–3.0 m/h），結合微電極實時監測、穩定同位素示蹤及微生物群落分析，揭示了N?O產生路徑及控制策略。核心發現包括：

 

濾速對N?O的影響：N?O產量隨濾速增加顯著上升，排放因子從1.5 m/h時的0.004%升至3.0 m/h時的0.496%（圖3）。

 

 

最優操作條件：濾速1.5 m/h時脫氮效率最高（NH??-N和NO??-N去除率>99%），且N?O產量最低（圖1, 圖2f）。

 

 

 

微生物群落特征：Anammox菌（hzsB基因）占主導，但硝化菌（AOB-amoA）和反硝化菌（nirK/nirS）共存，為N?O產生提供條件（圖4）。

 

 

N?O產生路徑：

 

好氧區：AOB反硝化（52.5%）和NH?OH氧化（47.5%）為主要路徑（圖5a）。

 

 

缺氧區：內源異養反硝化主導（圖6, 圖7）。

 

 

 

減排策略：厭氧環境可顯著降低N?O產量（表2）。

 

 

研究目的

 

量化N?O排放：探究不同濾速下溶解態（D-N?O）和氣態（G-N?O）N?O的生成規律。

 

解析微生物作用：識別Anammox生物濾池中參與脫氮及N?O產生的功能微生物。

 

明確產生路徑：通過批次實驗和同位素示蹤，確定N?O的關鍵生成途徑。

 

研究思路與技術路線

 

采用 梯度濾速運行→微生物群落分析→路徑驗證 的三步策略：

 

長期濾柱運行：

 

在厭氧氨氧化生物濾池（AN-biofilter）中設置濾速梯度（1.0–3.0 m/h），監測沿濾柱高度的氮形態變化及N?O濃度（圖2a-e）。

 

使用氣相色譜分析氣態N?O，計算排放因子（圖3）。

 

微生物群落解析：

 

qPCR定量功能基因（hzsB, amoA, nirK, nirS等），明確Anammox菌、硝化菌及反硝化菌的豐度分布（圖4）。

 

批次實驗驗證：

 

設計9組批次實驗（表1），結合丹麥Unisense N?O/NO微電極實時監測溶解氣體，并通過穩定同位素質譜（1?N）量化不同路徑貢獻（圖5-7）。

 

 

關鍵數據及研究意義

1. 濾速對N?O的影響（圖2, 圖3）

 

數據：濾速從1.5 m/h升至3.0 m/h時，D-N?O峰值濃度從0.42 mg/L增至1.21 mg/L（圖2f），G-N?O濃度從124 ppm升至1093 ppm（圖3）。

 

意義：首次建立濾速與N?O排放的定量關系，為優化生物濾池運行參數（推薦1.5 m/h）提供依據，避免盲目提高負荷導致的溫室氣體排放激增。

 

2. 微生物群落特征（圖4）

 

數據：Anammox菌（hzsB）豐度最高（2.38×10? copies/g），但反硝化菌（nirK+nirS）總量超過硝化菌（amoA），且中層（M區）nirK基因豐度最高（1.71×10? copies/g），與N?O峰值區對應。

 

意義：揭示“Anammox菌主導脫氮，但反硝化菌驅動N?O產生”的互作機制，修正了“Anammox過程不產N?O”的傳統認知。

 

3. N?O產生路徑（圖5-7, 表2）

 

數據：

 

好氧區：NH?OH氧化路徑貢獻47.5%，且添加NH?OH時N?O濃度升至0.15 mg/L（圖5b）。

 

缺氧區：內源反硝化（無外碳源）產生N?O 0.09 mg/L，遠低于好氧條件下的0.48 mg/L（表2）。

 

意義：明確生物濾池中N?O的空間分異路徑，強調好氧區是減排重點。

 

4. 厭氧環境減排效應（表2）

 

數據：缺氧條件下N?O濃度僅為好氧條件的1/5（如NO??+COD時0.11 mg/L vs. 0.48 mg/L）。

 

意義：證實嚴格厭氧操作可有效抑制N?O生成，為工藝優化提供理論支撐。

 

核心結論

 

濾速調控是關鍵：1.5 m/h為最優濾速，平衡高脫氮效率（>99%）與低N?O排放（0.004%）。

 

微生物互作驅動N?O產生：Anammox菌主導脫氮，但共存的反硝化菌（尤其nirK型）是N?O主要生產者。

 

路徑分異明顯：

 

好氧區以AOB反硝化和NH?OH氧化為主（共占100%）。

 

缺氧區依賴內源反硝化。

 

厭氧環境減排有效：嚴格缺氧使N?O產量降低80%，支持Anammox系統向厭氧條件傾斜。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與部署

 

型號與功能：丹麥Unisense N?O和NO微電極，檢測限0.001 mg/L，實時監測溶解態氣體動態（2.3節）。

 

應用場景：

 

批次實驗中在線跟蹤N?O/NO生成曲線（圖5a-b, 圖6, 圖7）。

 

結合密閉反應器，同步獲取溶解氣體與液相氮素數據（表1）。

 

關鍵發現與機制解析

 

NH?OH氧化的瞬時監測（圖5b）：

 

電極捕捉到NH?OH添加后N?O濃度驟升（0→0.15 mg/L），且伴隨NO脈沖式釋放（峰值0.0003 mg/L），直接驗證NH?OH→N?O路徑的化學機制。

 

好氧vs.缺氧的N?O動力學差異（圖6, 表2）：

 

好氧條件下N?O快速積累（0.48 mg/L），而缺氧條件下緩慢上升且峰值更低（0.11 mg/L），揭示氧氣對N?O還原酶的抑制效應。

 

Anammox過程的低N?O特征（圖7）：

 

電極顯示Anammox反應中N?O濃度始終<0.05 mg/L，且無NO累積，排除Anammox菌直接產N?O的可能性。

 

研究意義

 

方法學創新：

 

首次將Unisense電極應用于Anammox生物濾池，實現溶解態N?O/NO的高分辨率原位監測。

 

克服傳統離線分析的滯后性，精準捕捉瞬態反應（如NH?OH氧化的分鐘級響應）。

 

機制深度解析：

 

量化不同路徑貢獻（如NH?OH氧化占47.5%），糾正“AOB反硝化主導”的單一認知。

 

通過NO信號（圖5a）驗證硝化菌反硝化路徑的NO中間產物，完善N?O產生鏈條。

 

應用指導價值：

 

實時數據證明嚴格厭氧可削減80% N?O（表2），為工藝調控提供直接依據。

 

電極監測與qPCR聯動，建立“微生物功能基因→代謝活動→氣體釋放”的完整證據鏈。

 

理論與應用價值

 

優化工藝運行：推薦生物濾池濾速≤1.5 m/h，并強化厭氧段控制以降低N?O排放。

 

修正Anammox認知：單一Anammox系統仍存在N?O排放風險，需協同調控共存菌群。

 

電極技術推廣：Unisense微電極適用于生物膜/顆粒污泥等復雜體系，為污水廠溫室氣體監測提供可靠工具。

 

總結：本研究通過Unisense電極揭示濾速與N?O產生的定量關系，明確Anammox生物濾池中N?O的三重產生路徑，并證實厭氧環境是減排關鍵。成果為厭氧氨氧化工藝的可持續應用提供理論支持與方法學示范。