Effect of magnetic powder on nitrous oxide emissions from a sequencing batch reactor for treating domestic wastewater at low temperatures  

磁性粉末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影響  

來源：Bioresource Technology 315 (2020) 123848

《生物資源技術》，第315卷 2020年 文章編號123848

 

摘要  

摘要指出低溫會增加污水處理廠脫氮過程中氧化亞氮（N?O）的產生和排放。本研究調查了添加磁性粉末對低溫下序批式反應器（SBR）處理生活污水時N?O生成和排放的影響。結果表明，磁性粉末同時抑制了N?O的生成和排放，并提高了低溫下氨氮（NH??）、總氮（TN）和化學需氧量（COD）的去除率。此外，N?O轉化率（N?O生成量與TN去除量之比）降低。磁性粉末的效果取決于其濃度，效果順序為1 mg/L > 2 mg/L > 4 mg/L。添加磁性粉末，尤其是在1 mg/L濃度下，顯著提高了活性污泥中硝化和反硝化酶的活性，并促進了氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的生長。  

 

研究目的  

探究磁性粉末對低溫（10°C）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，并通過酶活性和微生物群落分析揭示其生物機制。  

 

研究思路  

設置四個SBR反應器，分別添加不同濃度的磁性粉末：R0（0 mg/L，對照）、R1（1 mg/L）、R2（2 mg/L）、R3（4 mg/L），在低溫（10°C）下運行30天。監測水質指標（NH??-N、TN、COD、NO??-N、NO??-N）、N?O排放（氣體和溶解相）、酶活性（AOB、NOB活性及硝化反硝化酶）和微生物群落變化（通過高通量16S rRNA測序），以評估磁性粉末的影響。  

 

測量的數據

1 水質指標：NH??-N、TN、COD、NO??-N、NO??-N的去除率和出水濃度（來自圖2）。  

 

2 N?O排放：氣體和溶解N?O濃度隨時間變化（來自圖4）。  

 

3 酶活性：AOB和NOB活性，以及氨單加氧酶（AMO）、羥胺氧化還原酶（HAO）、亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）、硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）、N?O還原酶（NOS）的活性（來自圖5）。  

 

4 微生物群落：門水平和屬水平的菌群結構（來自圖6）。  

 

 

數據的研究意義  

1 水質數據（圖2）表明磁性粉末提高了脫氮效率和COD去除率，尤其以1 mg/L濃度效果最佳，證實了磁性粉末對低溫污水處理性能的增強。  

2 N?O數據（圖4）顯示磁性粉末顯著降低了氣體和溶解N?O濃度，表明其有效抑制了N?O排放，減少了溫室氣體釋放。  

3 酶活性數據（圖5）表明磁性粉末增強了硝化和反硝化酶活性，特別是NOS活性，解釋了N?O還原能力提升的原因。  

4 微生物數據（圖6）顯示磁性粉末促進了Proteobacteria等有益菌門的富集和反硝化菌（如Dechloromonas、Thauera）的生長，揭示了微生物機制。  

 

結論

1 磁性粉末能有效抑制低溫下SBR中的N?O排放，并提高NH??-N、TN和COD的去除率。  

2 磁性粉末的效果濃度依賴，1 mg/L濃度效果最佳，N?O轉化率降低高達76.7%。  

3 磁性粉末增強了硝化和反硝化酶活性，并促進了氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的生長，優化了微生物群落結構。  

4 磁性粉末形成的弱磁場（20-80 Gs）改善了活性污泥的低溫適應性，是一種經濟有效的污水處理輔助方法。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測量的N?O濃度數據（圖4）提供了高精度、實時的氣體和溶解相N?O動態信息，研究意義包括：  

1 精準識別N?O產生階段：數據顯示在缺氧喂養階段N?O濃度急劇上升，表明反硝化是N?O主要來源；在好氧階段N?O排放峰值出現，表明硝化過程也有貢獻。這幫助明確了N?O生成的主要途徑。  

2 量化磁性粉末抑制效果：R0（無磁性粉末）的N?O濃度始終高于其他反應器，直接證明磁性粉末有效抑制了N?O排放，且濃度依賴（R1效果最好）。  

3 支持機制推斷：結合酶活性數據，Unisense數據驗證了磁性粉末通過增強NOS活性促進N?O還原，從而減少排放。  

4 提供計算基礎：實時濃度數據用于計算N?O轉化率，為評估磁性粉末的環境效益提供關鍵量化指標。  

總之，Unisense數據實現了N?O行為的原位監測，為揭示磁性粉末的抑制機制提供了直接證據。