研究簡(jiǎn)介:在全球變暖的背景下，污水處理廠（WWTPs）實(shí)現(xiàn)凈零排放的理念在全球范圍內(nèi)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。由于氧化亞氮（N2O）排放占污水處理廠總碳足跡的大部分（高達(dá)50%-83%），因此N2O的減排對(duì)于實(shí)現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)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(shù)提出的策略都是針對(duì)懸浮污泥系統(tǒng)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(chǔ)上開發(fā)的。新型生物膜工藝（如整合固定膜活性污泥（IFAS）系統(tǒng)）中的N2O減排機(jī)會(huì)仍然被大部分忽視。IFAS系統(tǒng)，將懸浮絮凝體和附著生物膜結(jié)合起來(lái)，由于其具有污染物去除效率高、耐負(fù)荷性強(qiáng)、占地面積小和減少污泥產(chǎn)生等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地被認(rèn)為是WWTPs運(yùn)行升級(jí)的有希望的替代方案。

本文的目標(biāo)是研究生物膜在一種硝化IFAS系統(tǒng)中如何減少N2O排放的潛在機(jī)制，該系統(tǒng)在進(jìn)料中沒(méi)有可生物降解的碳源，而且異養(yǎng)反硝化作用被預(yù)計(jì)將被主要抑制。首先，對(duì)混合系統(tǒng)、單獨(dú)的污泥絮凝體和單獨(dú)的生物膜進(jìn)行了典型周期測(cè)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(shè)計(jì)的硝化批處理試驗(yàn)，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(dú)貢獻(xiàn)。此外利用N2O微傳感器評(píng)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(tǒng)中減少N2O排放的作用。

Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)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(shè)計(jì)了批量測(cè)試。采用unisense微剖面系統(tǒng)連接三種不同的探針?lè)謩e在線檢測(cè)DO、pH和液相N2O濃度。為了防止N2O從液相中逸出，間歇式反應(yīng)器中不留任何頂部空間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

揭示生物膜在硝化IFAS系統(tǒng)中減少N2O排放中的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)查了生物膜對(duì)BNR和N2O減排的潛在貢獻(xiàn)和潛在機(jī)制。長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)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。隨著溶解氧濃度在0.5-3.0 mg O2/L范圍內(nèi)的降低，生物膜存在時(shí)，N2O排放因子降低了50%-83%。此外，現(xiàn)場(chǎng)偏好分析表明，在IFAS系統(tǒng)中NH2OH氧化途徑的相對(duì)貢獻(xiàn)（44%-80%）高于絮體中的貢獻(xiàn)（25%-60%），伴隨著AOB反硝化途徑貢獻(xiàn)的相應(yīng)變化。生物膜可以作為一個(gè)有效的N2O匯，因?yàn)槠洫?dú)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(nèi)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(yuǎn)高于絮體。雖然大多數(shù)優(yōu)勢(shì)菌株存在于生物膜和絮體中，但由于播種現(xiàn)象，其系統(tǒng)中的植物分布在屬和屬水平上的差異顯著，導(dǎo)致了其關(guān)鍵基因和酶的各自組成，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tǒng)、獨(dú)立絮體和獨(dú)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(fù)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差。（F）IFAS系統(tǒng)和獨(dú)立絮體在十個(gè)并行循環(huán)測(cè)試中的N2OEFs。

圖2、（A）在硝化批測(cè)試中，IFAS系統(tǒng)和獨(dú)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(fù)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)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)顯著增加隨著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(tǒng)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(dāng)DO濃度為0.5 mg O2/L時(shí)，隨著DO濃度的增加（0.5-3 mg O2/L）緩慢下降至（0.44±0.02）%。單獨(dú)污泥絮體也呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)，其最高N2O EF達(dá)到（1.60±0.05）%。

圖3、在硝化批測(cè)試中，AOB反硝化和NH2OH氧化途徑對(duì)N2O產(chǎn)生的相對(duì)貢獻(xiàn)在不同溶解氧水平下的情況。誤差條代表三次重復(fù)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖4、反硝化批測(cè)試中的液相N2O曲線：（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(nèi)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(tǒng)發(fā)育分類群的分布。（D）與N2O轉(zhuǎn)化相關(guān)的氮代謝KEGG通路和（F）關(guān)鍵酶的預(yù)測(cè)相對(duì)豐度。

結(jié)論與展望

IFAS系統(tǒng)之類的生物膜工藝越來(lái)越被認(rèn)為是污水處理廠運(yùn)營(yíng)升級(jí)的有前途的技術(shù)，因?yàn)樗哂懈叻€(wěn)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(tǒng)產(chǎn)生的N2O比傳統(tǒng)的懸浮污泥系統(tǒng)少，這在全球碳中和的背景下具有重要意義。然而IFAS系統(tǒng)中N2O轉(zhuǎn)化的潛在機(jī)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(duì)于IFAS系統(tǒng)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(tǒng)）、同位素技術(shù)和高通量測(cè)序手段研究不同溶解氧水平下硝化IFAS系統(tǒng)中N2O轉(zhuǎn)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(xiàn)在典型運(yùn)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(yùn)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(xì)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(nèi)源性反硝化還原N2O的過(guò)程。結(jié)果證明IFAS系統(tǒng)的N2O排放比單獨(dú)的污泥絮凝體系統(tǒng)低50%-83%。此外隨著溶解氧水平在0.5-3.0 mg O2/L范圍內(nèi)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(duì)較高的微生物多樣性和獨(dú)特的酶組成。本研究中獲得的N2O貢獻(xiàn)途徑與溶解氧濃度之間的相關(guān)性為IFAS系統(tǒng)中的N2O轉(zhuǎn)化提供了新的見(jiàn)解，可能修改目前的N2O模型，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基于生物膜的BNR工藝的N2O排放。本研究得到的結(jié)果將深入了解IFAS系統(tǒng)的N2O減排機(jī)制，并顯著促進(jìn)基于生物膜的污水處理技術(shù)的發(fā)展。