氧化亚氮（N2O）是一种强温室气体，温室效应约为CO2的300倍，可持续参与大气光化学反应并破坏平流层臭氧。据报道，污水生物脱氮过程是N2O释放的重要来源，占比约3%,且该比例逐年上升。因此，污水处理，尤其是生物脱氮过程中N2O的释放日益引起人们的关注。


厌氧氨氧化（Anammox）因具有能源消耗低和污泥产量少等优点，被认为是最经济简洁的新一代生物脱氮工艺。几乎所有厌氧氨氧化工艺中均发现N2O释放现象，由于Anammox系统通常是多菌共生的复杂系统，N2O的产生来源和机理仍需进一步深入研究。Rathnayake等研究自养部分亚硝化系统中N2O释放来源时，发现除氨氧化细菌（AOB）外，反硝化细菌对N2O产生也起到重要贡献。Ali等利用荧光原位杂交和同位素标记方法，发现短程硝化耦合厌氧氨氧化系统中N2O产生于反硝化和硝化途径。此外，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）易聚集形成颗粒和生物膜，测定污泥中N2O的浓度可为其产生来源提供更为直接的依据。


丹麦Unisense微电极，一种尖端在5——25um的微型传感器，可在不破坏污泥结构的同时，测定其内部物质浓度的连续分布特性，进而获取微生物原位活性的分布规律。Wang等采用微电极技术对单级自养脱氮生物膜内N2O产生进行研究，发现生物膜异养反硝化途径是导致NO3−的消耗，并释放N2O的重要原因，然而，对Anammox颗粒中N2O原位产生的研究尚鲜见报道。


本研究首先分析了Anammox系统中N2O的宏观释放特性，在此基础上利用微电极测定了颗粒污泥内部NH4+、NO2−、NO3−和N2O空间浓度分布特性，并建立了微生物原位活性与N2O产生速率之间关系。同时结合微生物种群特性，揭示Anammox颗粒内N2O的原位产生规律及微生物来源，旨在为N2O的减量控制提供参考。


微电极测试方案：从厌氧生物转盘进水口处挑取粒径约为5mm的颗粒，置于测试槽中的尼龙网上，并用昆虫针固定。使用微控制器将微电极尖端缓慢刺入颗粒污泥中心，步长设定为100μm,信号由数据采集系统记录。微电极测定在20℃进行，测试槽中配置不同浓度溶液（表1）。每种浓度用微电极测定3次。


结果表明pH值降低显著地增加N2O的产生。pH值会影响生物酶活性，特别是游离亚硝酸（FNA），通过结合N2O还原酶的活性位点产生竞争性抑制作用，从而增加N2O的净产生量。有研究表明，FNA抑制N2O还原酶的浓度为0.004mg/L,高于该浓度时，会抑制N2O的还原导致N2O产生增加。本研究中pH值为7.0时，FNA浓度为0.0045mg/L,高于其抑制浓度。pH值为8.5时，FNA浓度为0.0012mg/L,低于抑制浓度。Wunderlin等研究表明，AOB自养反硝化产生的N2O也随pH值的降低而增加。由于AOB生长在颗粒表层区域【4-5,9],而本研究N2O主要产生于深层区域，故N2O产生速率随pH值降低而增加的现象是异养反硝化受pH值影响所致。


结论：微电极研究表明，厌氧氨氧化颗粒污泥原位活性呈明显分层现象：Anammox活性区在表层0——1500μm范围，其中，200——400μm活性最高，当NH4+-N浓度为14mg/L时，NH4+和NO2−消耗速率分别达到1.19与1.65mg/（cm3⋅h）；在1500——2500μm颗粒深层区域，表现为NOx-还原的反硝化活性区。


N2O主要产生于Anammox颗粒污泥的深层区域（1500——2500μm），且随pH值由8.5降至7.0,N2O最大产生速率增加28.16倍，达到0.35mg/（cm3⋅h），表明N2O主要产生于反硝化途径。


高通量测序表明，Candidatus Kuenenia为厌氧氨氧化颗粒污泥唯一优势菌属，其相对丰度占比34.37%.具有反硝化功能的Truepera、Limnobacter、Ignavibacterium和Anaerolineaceae也被检出，推测它们是N2O产生的主要作用者。