研究简介:本研究以处理污泥消化上清液的全尺寸 IFAS-CANON（一体化固定膜活性污泥-完全自养脱氮）系统为研究对象，围绕 N₂O 产生路径展开宏观与微观尺度的综合分析。CANON 工艺因能耗低、污泥产量少，被广泛应用于高氨氮废水处理，但其 N₂O 排放可能抵消其气候效益，而全尺寸系统中的路径级证据此前十分匮乏。该研究依托处理能力 2400 m³/d 的实际工程，沿流程在进水、O1–O8 工艺取样点及出水布点，联用原位监测、序批式批次试验、生物膜微电极剖面分析及稳定同位素解析，系统阐明 N₂O 的产生、转化与 underlying 路径，并识别微观尺度热点。


研究发现，该全尺寸系统 N₂O 排放因子达 1.59±0.50%（以去除总氮计），尽管各取样点微生物群落结构相似，N₂O 产生量及相关路径却呈现显著空间差异：富含氨氧化细菌（AOB）的活性污泥絮体与生物膜外层被确定为主要的微观 N₂O 产生热点。在复杂废水基质驱动下，生物与非生物路径共存且共同贡献 N₂O，其中以生物路径占主导——主要包括 AOB 反硝化与羟胺（NH₂OH）氧化，受可生物降解碳源有限及反硝化菌群多样性较低影响，异养反硝化亦不可忽视。非生物路径方面，HNO₂ 氧化 NH₂OH 被识别为一条潜在重要的非生物来源；此外 NH₂OH 在 O₂、Fe³⁺ 存在下的转化及 HNO₂ 与 Fe²⁺ 的反应亦参与其中。


研究进一步揭示，亚硝酸盐（NO₂⁻–N）积累是所有关键路径的核心驱动因子。当全尺寸系统局部 NO₂⁻–N 浓度超过 25 mg/L 时，N₂O 产生量显著高于下游低亚硝酸盐区域，且高亚硝酸盐同时促进生物与非生物两类路径。本研究工作在真实运行条件下揭示了全尺寸 IFAS-CANON 系统中 N₂O 多路径产生的空间异质性与微观热点，明确了 AOB 富集区与生物膜外层以及高亚硝酸盐区位为减排关键靶点，为全尺寸系统的低碳、低 N₂O 运行提供了过程层面的机制依据与调控方向。


Unisense微电极系统的应用


研究人员选用丹麦Unisense 优尼森公司生产的N2O-25、NO-15、OX-10三款微电极，同时服务于批次试验动态监测与生物膜微尺度剖面分析两类核心场景。在批次试验与微反应器运行中，该系列微电极可实时原位测定液相中溶解态N₂O、NO及DO的动态浓度变化，为不同底物、不同溶氧条件下的N₂O产生路径判别提供连续数据支撑，比如通过NO浓度波动辅助识别厌氧氨氧化活性、通过DO水平区分好氧/缺氧反应环境以排除干扰路径。


在生物膜微尺度分析中，先将取自全尺寸系统的活性污泥与生物膜预处理后置于微反应器，将生物膜固定于尼龙网稳定后，在32℃、pH7.0、DO0.3mg/L的工况下平衡1小时，再通过Unisense配套自动显微操纵器将微电极针尖定位至生物膜表面上方1mm处，以100μm为步长逐层向生物膜内部推进并记录各深度信号，共设置3次重复、每个测试随机选取5个生物膜样品，最终获取了高分辨率的生物膜内DO、溶解N₂O、溶解NO深度分布剖面，据此将生物膜划分为外层好氧区与内层缺氧区，结合微生物群落数据明确生物膜外层AOB富集区是N₂O核心微观产生热点、内层厌氧氨氧化主导区N₂O贡献极低，填补了全尺寸CANON系统生物膜内N₂O产生位点不清的研究空白，其获取的微观尺度数据与宏观全流程监测、批次路径试验、稳定同位素分析的结果形成互证为亚硝酸。


实验结论


本研究首次在全尺寸一体化固定膜活性污泥-完全自养亚硝态氮脱氮（IFAS-CANON）处理污泥消化上清液的系统中，阐明了空间异质性更强、类型更丰富的N₂O产生路径，识别了宏观与微观尺度的N₂O产生热点，明确了亚硝态氮（NO₂⁻-N）的核心驱动作用：该全尺寸系统N₂O排放因子达1.59±0.50%（以去除总氮计），受进水复杂水质驱动，除已知生物产N₂O路径外还触发了非生物生成路径，几乎覆盖目前已知的所有N₂O产生机制；生物路径为N₂O产生的主导贡献者，主要包括氨氧化细菌（AOB）反硝化（在B-2批次试验中贡献占比62.2%~73.3%，在B-4批次试验中占比26.1%~54.5%）与羟胺（NH₂OH）氧化（在B-1批次试验中占比59.1%~91.1%，在B-3批次试验中占比59.2%~73.4%），同时受进水可生物降解碳源不足、反硝化菌群多样性较低影响，异养反硝化也贡献了可观的N₂O产量，微观尺度下AOB富集的活性污泥絮体与生物膜外层被确定为核心N₂O产生热点；非生物N₂O生成路径涵盖HNO₂、O₂、Fe³⁺氧化NH₂OH以及Fe²⁺还原HNO₂两类反应，其中HNO₂氧化NH₂OH被识别为潜在的关键非生物产N₂O路径；亚硝态氮积累是所有关键产N₂O路径的核心驱动因子，全尺寸系统中NO₂⁻-N浓度超过25 mg/L的区位N₂O产量显著高于下游低亚硝态氮区域，因此靶向宏观高亚硝态氮区位与微观产生热点是实现该系统低碳减排的核心方向。

图1 、全尺寸IFAS-CANON系统沿程水质、N₂O浓度及微生物群落分布特征。该图展示了处理污泥消化上清液的全尺寸IFAS-CANON系统沿流程（进水Inf至出水Eff的O1-O8采样点）的综合监测结果。图a呈现了NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N、COD浓度以及溶解态N₂O（以N计，D(N₂O-N)）和气态N₂O体积浓度（G(N₂O)）的纵向变化规律，显示系统在O1点出现显著亚硝酸盐积累，且全程维持高N₂O浓度。图b展示了不同采样点活性污泥与生物膜在门/属水平的微生物群落组成，表明氨氧化细菌（AOB）在活性污泥中富集，而厌氧氨氧化菌（AnAOB）在生物膜中占主导。子图c通过定量PCR（qPCR）展示了功能基因（AOB-amoA、AnAOB-hzsB、反硝化基因nirS、nirK、nosZ）的丰度分布，进一步验证了氨氧化主要发生在活性污泥中，而厌氧氨氧化主要发生在生物膜内。