研究簡(jiǎn)介:在全球變暖的背景下，污水處理廠(chǎng)（WWTPs）實(shí)現凈零排放的理念在全球范圍內引起了越來(lái)越多的關(guān)注。由于氧化亞氮（N2O）排放占污水處理廠(chǎng)總碳足跡的大部分（高達50%-83%），因此N2O的減排對于實(shí)現凈零排放的目標至關(guān)重要。人們已經(jīng)為污水處理中的N2O減排做出了大量努力，但大多數提出的策略都是針對懸浮污泥系統的，在溶解氧（DO）、亞硝酸鹽、銨、pH、COD/N比等各種因素的影響基礎上開(kāi)發(fā)的。新型生物膜工藝（如整合固定膜活性污泥（IFAS）系統）中的N2O減排機會(huì )仍然被大部分忽視。IFAS系統，將懸浮絮凝體和附著(zhù)生物膜結合起來(lái)，由于其具有污染物去除效率高、耐負荷性強、占地面積小和減少污泥產(chǎn)生等優(yōu)勢，越來(lái)越多地被認為是WWTPs運行升級的有希望的替代方案。

本文的目標是研究生物膜在一種硝化IFAS系統中如何減少N2O排放的潛在機制，該系統在進(jìn)料中沒(méi)有可生物降解的碳源，而且異養反硝化作用被預計將被主要抑制。首先，對混合系統、單獨的污泥絮凝體和單獨的生物膜進(jìn)行了典型周期測試，比較了硝化性能和N2O排放量。在不同DO水平（0.25-3.0 mg O2/L）下進(jìn)行了一系列特別設計的硝化批處理試驗，以充分揭示生物膜在減少N2O排放中的作用。為了進(jìn)一步揭示不同DO條件下N2O產(chǎn)生途徑與生物膜的相關(guān)性，研究人員利用位點(diǎn)偏好（SP）的同位素技術(shù)來(lái)確定不同N2O產(chǎn)生途徑的單獨貢獻。此外利用N2O微傳感器評估了生物膜作為潛在N2O減排“匯”的可行性。本研究首次嘗試揭示生物膜在一種硝化IFAS系統中減少N2O排放的作用。

Unisense微電極測定系統的應用

為了研究生物膜通過(guò)反硝化過(guò)程減少N 2 O排放（即將N2O還原為N2）的潛力，一系列反硝化過(guò)程設計了批量測試。采用unisense微剖面系統連接三種不同的探針?lè )謩e在線(xiàn)檢測DO、pH和液相N2O濃度。為了防止N2O從液相中逸出，間歇式反應器中不留任何頂部空間。

實(shí)驗結果

揭示生物膜在硝化IFAS系統中減少N2O排放中的作用。通過(guò)實(shí)驗調查了生物膜對BNR和N2O減排的潛在貢獻和潛在機制。長(cháng)期實(shí)驗表明，氨氧化主要發(fā)生在絮體中（＞86%），生物膜可以減少44%的N2O排放。隨著(zhù)溶解氧濃度在0.5-3.0 mg O2/L范圍內的降低，生物膜存在時(shí)，N2O排放因子降低了50%-83%。此外，現場(chǎng)偏好分析表明，在IFAS系統中NH2OH氧化途徑的相對貢獻（44%-80%）高于絮體中的貢獻（25%-60%），伴隨著(zhù)AOB反硝化途徑貢獻的相應變化。生物膜可以作為一個(gè)有效的N2O匯，因為其獨特的微生物組成和關(guān)鍵酶Nos的高豐度。在不添加外部碳源的情況下，生物膜能夠在120分鐘內將1.34 mg N2O-N/L減少為N2，而絮體只能減少0.42 mg N2O-N/L。生物膜的微生物豐富度和多樣性遠高于絮體。雖然大多數優(yōu)勢菌株存在于生物膜和絮體中，但由于播種現象，其系統中的植物分布在屬和屬水平上的差異顯著(zhù)，導致了其關(guān)鍵基因和酶的各自組成，這與實(shí)驗結果一致。

圖1、（A）銨、（B）亞硝酸鹽、（C）硝酸鹽、（D）氣相N2O和（E）液相N2O在IFAS系統、獨立絮體和獨立生物膜中的濃度周期變化。未包括沉淀和傾倒周期。誤差條代表三次重復測試的標準偏差。（F）IFAS系統和獨立絮體在十個(gè)并行循環(huán)測試中的N2OEFs。

圖2、（A）在硝化批測試中，IFAS系統和獨立絮體在不同溶解氧水平下的氨氧化速率（AOR）和（B）N2O EF。誤差條代表三次重復測試的標準偏差。圖2A所示，IFAS（從0.89±0.06至3.52±0.07 mg N/min）和污泥絮體（從0.84±0.01至3.08±0.02 mg N/min）的氨氧化率(AOR)顯著(zhù)增加隨著(zhù)DO濃度的增加（從0.25到3 mg O2/L），前者的增加率幾乎保持不變，而后者的增加率卻下降。圖2B中IFAS系統的N2O EF從DO濃度0.25 mg O2/L時(shí)的(0.73±0.02)%增加到(0.80±0.04)%當DO濃度為0.5 mg O2/L時(shí)，隨著(zhù)DO濃度的增加（0.5-3 mg O2/L）緩慢下降至（0.44±0.02）%。單獨污泥絮體也呈現出類(lèi)似的趨勢，其最高N2O EF達到（1.60±0.05）%。

圖3、在硝化批測試中，AOB反硝化和NH2OH氧化途徑對N2O產(chǎn)生的相對貢獻在不同溶解氧水平下的情況。誤差條代表三次重復測試的標準偏差。

圖4、反硝化批測試中的液相N2O曲線(xiàn)：（A）僅添加N2O，（B）N2O和亞硝酸鹽共存。顯示了添加或不添加亞硝酸鹽時(shí)液相N2O的變化。4A所示，在存在生物膜和污泥絮凝物的情況下，N2O濃度在120分鐘內分別降低了1.61和1.03 mg N/L。然而，添加亞硝酸鹽后，生物膜的N2O濃度下降至1.34 mg N/L，而污泥絮體的N 2 O濃度僅下降0.42 mg N/L（圖4B）。

圖5.生物膜和絮體的微生物群落多樣性和組成：（A）Venn圖，（B）Alpha多樣性比較，（C）以圓形圖形式可視化的屬和屬水平的系統發(fā)育分類(lèi)群的分布。（D）與N2O轉化相關(guān)的氮代謝KEGG通路和（F）關(guān)鍵酶的預測相對豐度。

結論與展望

IFAS系統之類(lèi)的生物膜工藝越來(lái)越被認為是污水處理廠(chǎng)運營(yíng)升級的有前途的技術(shù)，因為它具有高穩定性、高效的污染物去除性能、占地面積小和減少污泥產(chǎn)生。IFAS系統產(chǎn)生的N2O比傳統的懸浮污泥系統少，這在全球碳中和的背景下具有重要意義。然而IFAS系統中N2O轉化的潛在機制尚不清楚，而生物膜在減少N2O排放方面的作用尚未得到充分探討。所有這些對于IFAS系統的發(fā)展至關(guān)重要。本研究首次揭示了利用微傳感器（unisense微剖面分析系統）、同位素技術(shù)和高通量測序手段研究不同溶解氧水平下硝化IFAS系統中N2O轉化過(guò)程，全面了解了生物膜在減少N2O排放方面的作用。研究發(fā)現在典型運行周期中，氨氧化主要發(fā)生在污泥絮凝體中（>86%），生物膜能夠在典型運行周期中減少43.77%的N2O排放。生物膜不僅減少了硝化過(guò)程中的亞硝酸鹽積累，通過(guò)抑制硝化細菌反硝化途徑減少了N2O的產(chǎn)生，而且還作為N2O的“匯”，促進(jìn)了通過(guò)內源性反硝化還原N2O的過(guò)程。結果證明IFAS系統的N2O排放比單獨的污泥絮凝體系統低50%-83%。此外隨著(zhù)溶解氧水平在0.5-3.0 mg O2/L范圍內的降低，生物膜的存在進(jìn)一步減少了N2O排放量。微生物群落和關(guān)鍵酶分析表明，生物膜具有相對較高的微生物多樣性和獨特的酶組成。本研究中獲得的N2O貢獻途徑與溶解氧濃度之間的相關(guān)性為IFAS系統中的N2O轉化提供了新的見(jiàn)解，可能修改目前的N2O模型，以更準確地預測基于生物膜的BNR工藝的N2O排放。本研究得到的結果將深入了解IFAS系統的N2O減排機制，并顯著(zhù)促進(jìn)基于生物膜的污水處理技術(shù)的發(fā)展。