全程自养脱氮（亚硝态氮型完全自养脱氮，CANON）工艺因能耗低、污泥产量少，已广泛应用于高氨氮废水处理，但处理过程中排放的氧化亚氮（N₂O）可能抵消其气候效益，目前针对全尺寸CANON系统的N₂O产排路径层面的实证证据仍十分匮乏。本研究以处理污泥消化上清液的全尺寸一体化固定膜活性污泥（IFAS）-CANON系统为对象，耦合原位监测、批次试验、生物膜微电极剖面分析及稳定同位素解析技术，系统探究了N₂O的产生、转化过程及潜在生成路径。

图2、 不同生物过程批次试验中水质变化及N₂O产生路径贡献。通过批次试验解析了不同生物路径对N₂O的贡献。图a展示了O1点在B-1试验（厌氧氨氧化条件）下，NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N、COD、溶解态NO（D(NO-N)）及D(N₂O-N)随时间的变化，表明在无外加碳源条件下仍有N₂O产生。图b量化了B-1试验中O1、O4、O8三点的N₂O产生路径，显示羟胺（NH₂OH）氧化是主要贡献者（>59%）。图c和d分别展示了B-2（好氧氨氧化）和B-4（好氧硝化，以NO₂⁻为底物）试验中底物与产物浓度的动态变化。图e对比了不同NO₂⁻-N浓度下各采样点的N₂O产量，证实高浓度亚硝酸盐促进N₂O生成。图f汇总了硝化相关试验中各路径的贡献，表明AOB反硝化与NH₂OH氧化是核心生物源。

图3、不同反硝化条件下N₂O产生特征。探讨了碳源、电子受体及溶解氧对异养反硝化产N₂O的影响。图a汇总了O1、O4、O8三点在各类反硝化批次试验中的D(N₂O-N)峰值，显示在低C/N比及以NO₂⁻为电子受体时N₂O积累最显著。图b、c、d分别展示了B-5（缺氧无碳、NO₂⁻为电子受体）、B-7（缺氧低C/N、NO₂⁻为电子受体）和B-10（微好氧低C/N、NO₂⁻为电子受体）试验中的水质与N₂O动态变化，结果表明受限于碳源不足和反硝化菌群多样性低，即使添加外源碳，系统仍难以完全还原N₂O，且高浓度亚硝酸盐通过抑制N₂O还原酶加剧了N₂O积累。

图4、 非生物批次试验中N₂O产生特征。该图评估了非生物化学反应对N₂O生成的贡献。图a展示了O1、O4、O8三点在四种非生物反应路径下的D(N₂O-N)浓度，其中B-13（NH₂OH被HNO₂氧化）和B-14（NH₂OH被Fe³⁺氧化）产生的N₂O浓度最高。图b量化了各非生物路径的相对贡献，明确HNO₂氧化NH₂OH是主导性的非生物产N₂O途径，尤其在O1和O4等高亚硝酸盐区域潜力显著，提示在评估全尺寸系统N₂O排放时不可忽视化学过程。

图5、生物膜内微尺度环境因子分布及N₂O产生机制示意图。揭示了N₂O产生的微观热点与驱动机制。图a展示了利用Unisense微电极测定的生物膜内DO、D(N₂O-N)和D(NO-N)的典型稳态深度剖面，以1000 μm为界，生物膜外层（<1000 μm）为好氧区，伴随高DO和N₂O积累。内层（>1000 μm）为缺氧区，N₂O产量极低，证实生物膜外层是AOB介导的N₂O主要产生区。图b为宏观-微观耦合机制示意图，整合了活性污泥絮体与生物膜不同分区的产N₂O路径（生物与非生物），并强调了亚硝酸盐积累作为核心驱动因子，以及NO₂⁻-N > 25 mg/L作为宏观减排关键控制阈值的机制。


结论与展望


结果显示，该全尺寸系统的N₂O排放因子达1.59%±0.50%（以总氮去除量计）；尽管系统不同区位的微生物群落结构相似，但N₂O产排量及主导生成路径存在显著空间异质性。富集氨氧化细菌（AOB）的活性污泥絮体与生物膜外层被确定为N₂O核心产生热点。受复杂进水基质驱动，生物与非生物路径共同贡献N₂O生成，其中生物路径占主导地位：主要包括AOB反硝化与羟胺（NH₂OH）氧化，受进水可生物降解碳源不足、反硝化功能菌群多样性较低限制，异养反硝化也贡献了可观的N₂O产量。非生物路径中，亚硝酸（HNO₂）介导的羟胺氧化被识别为潜在的重要非生物N₂O来源。亚硝酸盐积累是所有关键产N₂O路径的共同核心驱动因子。


全尺寸系统中，NO₂⁻-N浓度超过25 mg/L的区位N₂O产排量显著高于下游低亚硝酸盐区域。本研究从过程层面阐明了全尺寸IFAS-CANON系统N₂O多路径产生的微观与宏观耦合机制，明确了减排靶向调控的关键位点，可为高氨氮废水处理系统的低碳运行与温室气体精细化管控提供科学支撑。本论文使用了Unisense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，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，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“亚硝酸盐积累驱动多路径N₂O产生、AOB富集的活性污泥絮体与生物膜外层为减排核心靶点”的核心结论提供了关键的微尺度实证支撑。