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作者与发表信息
本研究的主要作者包括Yanying He、Yingrui Liu、Xuecheng Li、Tingting Zhu和Yiwen Liu,他们均来自天津大学环境科学与工程学院。该研究于2023年7月8日在线发表在《Water Research》期刊上,论文标题为“Unveiling the roles of biofilm in reducing N2O emission in a nitrifying integrated fixed-film activated sludge (IFAS) system”。
学术背景
本研究属于环境科学与工程领域,重点关注废水处理过程中的温室气体排放控制。随着全球气候变暖问题日益严峻,废水处理厂(WWTPs)的净零排放目标受到了广泛关注。其中,氧化亚氮(N2O)作为温室气体之一,贡献了废水处理厂总碳足迹的50%-83%。因此,减少N2O排放对于实现净零排放目标具有重要意义。
目前,大多数N2O减排策略主要针对悬浮污泥系统,而新型生物膜工艺如集成固定膜活性污泥(IFAS)系统中的N2O减排机制尚未被充分研究。IFAS系统结合了悬浮污泥和附着生物膜,具有污染物去除效率高、抗负荷能力强、占地面积小等优势。已有研究表明,IFAS系统的N2O排放低于传统悬浮污泥系统,但其减排机制尚不明确。因此,本研究旨在通过先进技术(如N2O微传感器和位点偏好分析)揭示生物膜在IFAS系统中减少N2O排放的作用。
研究流程
本研究包括以下主要步骤:
1. IFAS系统构建与运行
- 研究使用了一个工作体积为4升的圆柱形反应器,接种了硝化污泥和K3载体(填充率为30%),构建了硝化IFAS系统。
- 反应器在22±1°C下运行,每个循环周期为180分钟,包括15分钟进水、120分钟曝气、40分钟沉淀和5分钟排水。
- 进水为合成氨氮废水,未添加外部碳源,以模拟低碳源条件下的场景。
循环实验
硝化批次实验
反硝化批次实验
微生物群落与关键酶分析
主要结果
1. 循环实验结果
- 氨氧化主要发生在污泥絮体中(>86%),生物膜的存在使N2O排放减少了43.77%。
- IFAS系统的N2O排放因子(EF)为5.00±0.67%,而单独污泥絮体的EF为8.91±1.21%。
硝化批次实验结果
反硝化批次实验结果
微生物群落与关键酶分析结果
结论
本研究首次揭示了生物膜在硝化IFAS系统中减少N2O排放的多重机制:
1. 生物膜通过减少亚硝酸盐积累,抑制了N2O的生成。
2. 生物膜作为N2O汇,通过内源反硝化途径促进了N2O的还原。
3. 生物膜的高微生物多样性和独特的酶组成是其N2O减排能力的重要基础。
本研究的发现为IFAS系统的N2O减排机制提供了深刻见解,推动了基于生物膜的废水处理技术的发展。
研究亮点
1. 首次全面揭示了生物膜在IFAS系统中减少N2O排放的作用机制。
2. 结合了N2O微传感器、同位素技术和高通量测序等多种先进技术,提供了多角度的数据支持。
3. 研究发现生物膜在低DO条件下具有更强的N2O减排能力,为优化IFAS系统运行提供了重要参考。
其他价值
本研究不仅为IFAS系统的N2O减排机制提供了理论支持,还为废水处理厂的温室气体控制提供了新的技术思路。此外,研究结果对改进N2O排放模型、优化生物膜工艺具有重要的应用价值。
以上报告详细介绍了该研究的背景、流程、结果及其科学意义,为相关领域的研究者提供了全面的参考。