减少一氧化二氮（N2O）的产生的方法已成为当下的研究重点，由于N2O对全球变暖的影响比二氧化碳（CO2）强300倍以上，并且对臭氧层的破坏有贡献。研究人员发现废水处理厂（WWTP）是N2O排放的重要来源，尤其是那些采用涉及硝化和反硝化的生物脱氮工艺的工厂。一个阶段的完全自养性氮去除过程在一个反应器中结合了部分硝化（PN）和厌氧铵氧化（anammox）。它具有处理高强度铵和低C/N比的废水的巨大潜力。由于该过程需要较少的曝气且无需添加外部有机碳，因此越来越多地用于污水处理厂。本论文研究人员研究通过微电极测量研究了生物膜在一级完全自养脱氮过程中产生的一氧化二氮。在低氧条件下进行了多批实验，所测生物膜从测序间歇生物膜反应器(SBBR)取样。含氮化合物的转化途径分析了生物膜根据微剖面浓度,NH4+,NO2-和NO3-。微电极技术提供了高空间和时间分辨率，可以选择性地测量基质内的浓度，也可以用于非破坏性地确定生物膜的微剖面，这有利于分析氮化合物转化和生物膜生成一氧化二氮（N2O）。


Unisense微电极系统的应用


使用克拉克型氧气和氧化亚氮微电极（Unisense），尖端直径分别为10μm和25μm，响应时间约为10s-30s，测量了生物膜中DO和N 2 O的微剖面浓度。使用氧气和氧化亚氮微电极测试生物膜内的-200μm至750μm的范围内（生物膜表面深度为0μm）获取4 h后（添加底物后）的测试DO，N2O的微剖面浓度。


实验结果：应用微电极系统（unisense）测量研究了生物膜在一级完全自养脱氮过程中产生的一氧化二氮。在低氧条件下进行了多批实验，所测生物膜从测序间歇生物膜反应器(SBBR)取样。研究了生物膜在一级完全自养脱氮过程中产生的一氧化二氮。研究人员通过生物膜中溶解氧、氮化合物和一氧化二氮的浓度微谱表征了氮转化和一氧化二氮产生的途径。研究发现NH2OH氧化、AOB反硝化和HD是生物膜产生N2O的途径。而NO2-在生物膜生成一氧化二氮中起关键作用。

图1、应用unisense微电极系统用于测量生物膜中底物生物膜浓度的分批测试系统的示意图。

图2、在SBBR的典型循环过程中，NH4+-N，NO2--N，NO3-N和TN的变化.

图3、在SBBR的典型循环系统中，平均N 2O排放速率（mg/h），总N 2O排放（mg）和溶解N 2O（mg）。

图4、测试生物膜内的O2，NH4+，NO2-和NO3-。其中试验A，B和C在所述生物膜内的O2，NH4+，NO2-和NO3–是4小时后测试的。

图5、使用unisense氧化亚氮微电极分别在4h时后测试批处理的生物膜中的测试浓度微剖面图。其中A,B,C对应的是不同批次的实验。


结论与展望：研究人员依据三个主要途径研究了生物脱氮过程中的N2O产生：羟胺（NH 2OH）氧化，氨氧化细菌（AOB）脱氮和异养反硝化（HD）。研究人员通过微电极剖面系统（unisense）测量研究了生物膜在一级完全自养脱氮过程中产生的一氧化二氮。在低氧条件下进行了多批实验，所测生物膜是从测序间歇生物膜反应器(SBBR)取样。由于unisense微电极技术提供了高空间和时间分辨率，可以选择性地原位测量基质生物膜内的氧化亚氮的浓度，也可以用于非破坏性地确定生物膜的微剖面测试，这有利于分析氮化合物转化和生物膜生成一氧化二氮。从而了解了含氮化合物的转化途径并分析了生物膜根据微剖面浓度,NH4+,NO2-和NO3-。从N2O浓度微谱和氮化合物转化途径等方面推导出生物膜产生一氧化二氮的潜在途径和影响因素。