Inhibition effect of magnetic field on nitrous oxide emission from sequencing batch reactor treating domestic wastewater at low temperature  

磁場對低溫下處理生活污水的序批式反應器中氧化亞氮排放的抑制效應  

來源： Journal of Environmental Sciences, Volume 87, 2020, Pages 205-212

《環境科學學報》第87卷，2020年，205-212頁

 

摘要內容

本研究探討了磁場（30 mT）對低溫（10°C）下處理低濃度生活污水的序批式反應器（SBR）中氧化亞氮（N?O）排放的影響。經過124天的平行運行，結果表明：施加磁場的反應器（MF-SBR）的N?O轉化率比常規SBR（C-SBR）降低了34.3%；同時，MF-SBR的總氮（TN）和氨氮（NH?-N）去除率分別比C-SBR提高了22.4%和39.5%。高通量測序顯示，MF-SBR中可減少N?O排放的氨氧化菌（AOB，如Nitrosomonas）、亞硝酸鹽氧化菌（NOB，如Nitrospira）和反硝化菌（如Zoogloea）的豐度顯著提升。MF-SBR的反硝化酶活性（Nir）和基因豐度（nosZ、nirS、nirK）也明顯高于C-SBR。研究表明，磁場通過影響污泥的微生物特性，是低溫下抑制N?O生成并提升脫氮效率的有效方法。  

 

研究目的

探究磁場對低溫（10°C）條件下SBR處理生活污水時N?O排放的抑制效果及脫氮性能的增強機制，并從微生物學角度（菌群結構、酶活性和基因豐度）解析其作用原理。  

 

研究思路：  

1 設置平行反應器：MF-SBR（施加30 mT靜態磁場）和C-SBR（無磁場對照），在10°C下同步運行124天，處理合成生活污水。  

2 監測運行性能：定期檢測NH?-N、TN、COD去除率及N?O排放量，對比兩系統的脫氮效率和N?O轉化率。  

3 分析動態過程：通過典型周期內N?O排放速率和溶解濃度監測，識別N?O產生階段（硝化/反硝化）。  

4 解析微生物機制：測定反硝化酶（NIR、NOS）活性、功能基因（nosZ、nirS、nirK）豐度，并通過16S rRNA高通量測序分析菌群結構變化。  

5 關聯數據：將性能提升與微生物特性變化關聯，驗證磁場對低溫微生物活性的促進作用。  

 

測量的數據：  

1 水質指標：NH?-N、TN、COD去除率（表1）；典型周期內氮化合物（NH??、NO??、NO??）和COD濃度變化（圖2）。  

 

 

2 N?O排放數據：N?O轉化率（排放N?O量/去除氮量）、周期內N?O排放速率和溶解濃度（圖3）。  

 

3 酶活性：亞硝酸還原酶（NIR）和N?O還原酶（NOS）活性（圖4）。  

 

4 基因豐度：反硝化功能基因nosZ、nirS、nirK的豐度（圖4）。  

5 微生物群落：門、綱水平菌群結構（圖5）及屬水平反硝化菌豐度（如Zoogloea、Dechloromonas等）（圖6）。  

 

 

數據的研究意義：  

1 表1數據證明磁場提升脫氮效率（TN↑22.4%）并降低N?O轉化率（↓34.3%），直接驗證磁場的環境效益。  

2 圖2-3顯示N?O主要在好氧階段產生（與NO??積累相關），且MF-SBR周期內N?O排放量更低，表明磁場抑制了硝化過程N?O生成并促進反硝化還原。  

3 圖4中MF-SBR的NIR/NOS酶活性和nosZ基因豐度更高，說明磁場增強了N?O還原能力，從酶和基因層面解釋了N?O減排機制。  

4 圖5-6顯示MF-SBR中β-變形菌綱（含Nitrosomonas、Nitrospira）和反硝化菌（如Zoogloea）豐度顯著增加，證實磁場優化了菌群結構，促進脫氮并減少N?O積累。  

 

使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義：  

使用Unisense微傳感器測量的N?O氣體和溶解相濃度數據（圖3）提供了高精度、實時的N?O動態信息，其研究意義包括：  

1 精準識別N?O產生階段：數據顯示好氧階段N?O排放速率與NO??濃度正相關（圖3a），證實AOB硝化是N?O主要來源；而缺氧階段溶解N?O積累（圖3b）表明反硝化不完全是潛在排放源。  

2 量化磁場抑制效應：MF-SBR的N?O排放速率峰值低于C-SBR（圖3a），且溶解N?O積累量減少（圖3b），直接證明磁場有效抑制了N?O生成和積累。  

3 支持機制推斷：結合水質數據（圖2），Unisense數據表明磁場通過促進NOB（降低NO??積累）和反硝化菌（增強N?O還原）減少了N?O產生，并加速其還原為N?。  

4 提供計算基礎：實時濃度數據用于計算N?O轉化率（表1），為評估磁場減排效果提供關鍵量化指標。  

總之，Unisense數據實現了N?O行為的原位監測，為揭示磁場對N?O代謝路徑的調控提供了直接證據。  

 

結論：  

1 磁場（30 mT）顯著提升低溫SBR的脫氮效率（TN↑22.4%，NH?-N↑39.5%）并降低N?O轉化率（↓34.3%）。  

2 磁場增強反硝化酶活性（NIR↑40.5%，NOS↑37.9%）和功能基因豐度（nosZ、nirS、nirK），促進N?O還原為N?。  

3 菌群分析顯示磁場富集了AOB（Nitrosomonas）、NOB（Nitrospira）和反硝化菌（Zoogloea等），優化了微生物群落結構。  

4 磁場通過緩解低溫對微生物的抑制，提升菌群活性和功能，是實現低溫污水高效脫氮和N?O減排的有效策略。