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揭示生物膜在减少硝化集成固定膜活性污泥系统中N2O排放中的作用

期刊:Water ResearchDOI:10.1016/j.watres.2023.120326

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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。

  1. 循环实验

    • 为研究污泥絮体和生物膜在硝化过程中的作用,研究设计了三种循环实验:IFAS系统、单独污泥絮体和单独生物膜。
    • 通过在线监测氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐和N2O的浓度变化,评估了不同系统的硝化性能和N2O排放行为。
  2. 硝化批次实验

    • 为揭示生物膜在减少N2O排放中的作用,研究在不同溶解氧(DO)水平(0.25-3.0 mg O2/L)下进行了硝化批次实验。
    • 通过同位素技术(位点偏好分析)量化了不同N2O生成途径的贡献。
  3. 反硝化批次实验

    • 为评估生物膜作为N2O汇的潜力,研究设计了一系列反硝化批次实验,测试了生物膜和污泥絮体在不同条件下对N2O的还原能力。
  4. 微生物群落与关键酶分析

    • 通过高通量测序技术分析了生物膜和污泥絮体中的微生物群落多样性及组成。
    • 利用PICRUSt2和KEGG数据库预测了关键酶和基因的相对丰度,以解释N2O减排的分子机制。

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%。

  1. 硝化批次实验结果

    • 在DO浓度为0.5-3.0 mg O2/L的范围内,生物膜的存在使N2O排放因子减少了50%-83%。
    • 位点偏好分析表明,IFAS系统中NH2OH氧化途径的贡献(44%-80%)高于污泥絮体(25%-60%)。
  2. 反硝化批次实验结果

    • 生物膜在120分钟内将1.34 mg N2O-N/L还原为N2,而污泥絮体仅还原了0.42 mg N2O-N/L,表明生物膜具有更强的N2O还原能力。
  3. 微生物群落与关键酶分析结果

    • 生物膜的微生物多样性和丰富度显著高于污泥絮体。
    • 生物膜中N2O还原酶(NOS)的相对丰度是污泥絮体的三倍以上,这解释了生物膜作为N2O汇的能力。

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。

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