研究简介:在全球变暖的背景下，污水处理厂（WWTPs）实现净零排放的理念在全球范围内引起了越来越多的关注。由于氧化亚氮（N2O）排放占污水处理厂总碳足迹的大部分（高达50%-83%），因此N2O的减排对于实现净零排放的目标至关重要。人们已经为污水处理中的N2O减排做出了大量努力，但大多数提出的策略都是针对悬浮污泥系统的，在溶解氧（DO）、亚硝酸盐、铵、pH、COD/N比等各种因素的影响基础上开发的。新型生物膜工艺（如整合固定膜活性污泥（IFAS）系统）中的N2O减排机会仍然被大部分忽视。IFAS系统，将悬浮絮凝体和附着生物膜结合起来，由于其具有污染物去除效率高、耐负荷性强、占地面积小和减少污泥产生等优势，越来越多地被认为是WWTPs运行升级的有希望的替代方案。


本文的目标是研究生物膜在一种硝化IFAS系统中如何减少N2O排放的潜在机制，该系统在进料中没有可生物降解的碳源，而且异养反硝化作用被预计将被主要抑制。首先，对混合系统、单独的污泥絮凝体和单独的生物膜进行了典型周期测试，比较了硝化性能和N2O排放量。在不同DO水平（0.25-3.0 mg O2/L）下进行了一系列特别设计的硝化批处理试验，以充分揭示生物膜在减少N2O排放中的作用。为了进一步揭示不同DO条件下N2O产生途径与生物膜的相关性，研究人员利用位点偏好（SP）的同位素技术来确定不同N2O产生途径的单独贡献。此外利用N2O微传感器评估了生物膜作为潜在N2O减排“汇”的可行性。本研究首次尝试揭示生物膜在一种硝化IFAS系统中减少N2O排放的作用。


Unisense微电极测定系统的应用


为了研究生物膜通过反硝化过程减少N 2 O排放（即将N2O还原为N2）的潜力，一系列反硝化过程设计了批量测试。采用unisense微剖面系统连接三种不同的探针分别在线检测DO、pH和液相N2O浓度。为了防止N2O从液相中逸出，间歇式反应器中不留任何顶部空间。


实验结果


揭示生物膜在硝化IFAS系统中减少N2O排放中的作用。通过实验调查了生物膜对BNR和N2O减排的潜在贡献和潜在机制。长期实验表明，氨氧化主要发生在絮体中（＞86%），生物膜可以减少44%的N2O排放。随着溶解氧浓度在0.5-3.0 mg O2/L范围内的降低，生物膜存在时，N2O排放因子降低了50%-83%。此外，现场偏好分析表明，在IFAS系统中NH2OH氧化途径的相对贡献（44%-80%）高于絮体中的贡献（25%-60%），伴随着AOB反硝化途径贡献的相应变化。生物膜可以作为一个有效的N2O汇，因为其独特的微生物组成和关键酶Nos的高丰度。在不添加外部碳源的情况下，生物膜能够在120分钟内将1.34 mg N2O-N/L减少为N2，而絮体只能减少0.42 mg N2O-N/L。生物膜的微生物丰富度和多样性远高于絮体。虽然大多数优势菌株存在于生物膜和絮体中，但由于播种现象，其系统中的植物分布在属和属水平上的差异显著，导致了其关键基因和酶的各自组成，这与实验结果一致。

图1、（A）铵、（B）亚硝酸盐、（C）硝酸盐、（D）气相N2O和（E）液相N2O在IFAS系统、独立絮体和独立生物膜中的浓度周期变化。未包括沉淀和倾倒周期。误差条代表三次重复测试的标准偏差。（F）IFAS系统和独立絮体在十个并行循环测试中的N2OEFs。

图2、（A）在硝化批测试中，IFAS系统和独立絮体在不同溶解氧水平下的氨氧化速率（AOR）和（B）N2O EF。误差条代表三次重复测试的标准偏差。图2A所示，IFAS（从0.89±0.06至3.52±0.07 mg N/min）和污泥絮体（从0.84±0.01至3.08±0.02 mg N/min）的氨氧化率(AOR)显着增加随着DO浓度的增加（从0.25到3 mg O2/L），前者的增加率几乎保持不变，而后者的增加率却下降。图2B中IFAS系统的N2O EF从DO浓度0.25 mg O2/L时的(0.73±0.02)%增加到(0.80±0.04)%当DO浓度为0.5 mg O2/L时，随着DO浓度的增加（0.5-3 mg O2/L）缓慢下降至（0.44±0.02）%。单独污泥絮体也呈现出类似的趋势，其最高N2O EF达到（1.60±0.05）%。

图3、在硝化批测试中，AOB反硝化和NH2OH氧化途径对N2O产生的相对贡献在不同溶解氧水平下的情况。误差条代表三次重复测试的标准偏差。

图4、反硝化批测试中的液相N2O曲线：（A）仅添加N2O，（B）N2O和亚硝酸盐共存。显示了添加或不添加亚硝酸盐时液相N2O的变化。4A所示，在存在生物膜和污泥絮凝物的情况下，N2O浓度在120分钟内分别降低了1.61和1.03 mg N/L。然而，添加亚硝酸盐后，生物膜的N2O浓度下降至1.34 mg N/L，而污泥絮体的N 2 O浓度仅下降0.42 mg N/L（图4B）。

图5.生物膜和絮体的微生物群落多样性和组成：（A）Venn图，（B）Alpha多样性比较，（C）以圆形图形式可视化的属和属水平的系统发育分类群的分布。（D）与N2O转化相关的氮代谢KEGG通路和（F）关键酶的预测相对丰度。


结论与展望


IFAS系统之类的生物膜工艺越来越被认为是污水处理厂运营升级的有前途的技术，因为它具有高稳定性、高效的污染物去除性能、占地面积小和减少污泥产生。IFAS系统产生的N2O比传统的悬浮污泥系统少，这在全球碳中和的背景下具有重要意义。然而IFAS系统中N2O转化的潜在机制尚不清楚，而生物膜在减少N2O排放方面的作用尚未得到充分探讨。所有这些对于IFAS系统的发展至关重要。本研究首次揭示了利用微传感器（unisense微剖面分析系统）、同位素技术和高通量测序手段研究不同溶解氧水平下硝化IFAS系统中N2O转化过程，全面了解了生物膜在减少N2O排放方面的作用。研究发现在典型运行周期中，氨氧化主要发生在污泥絮凝体中（>86%），生物膜能够在典型运行周期中减少43.77%的N2O排放。生物膜不仅减少了硝化过程中的亚硝酸盐积累，通过抑制硝化细菌反硝化途径减少了N2O的产生，而且还作为N2O的“汇”，促进了通过内源性反硝化还原N2O的过程。结果证明IFAS系统的N2O排放比单独的污泥絮凝体系统低50%-83%。此外随着溶解氧水平在0.5-3.0 mg O2/L范围内的降低，生物膜的存在进一步减少了N2O排放量。微生物群落和关键酶分析表明，生物膜具有相对较高的微生物多样性和独特的酶组成。本研究中获得的N2O贡献途径与溶解氧浓度之间的相关性为IFAS系统中的N2O转化提供了新的见解，可能修改目前的N2O模型，以更准确地预测基于生物膜的BNR工艺的N2O排放。本研究得到的结果将深入了解IFAS系统的N2O减排机制，并显著促进基于生物膜的污水处理技术的发展。