背景介紹:減少一氧化二氮（N2O）的產(chǎn)生的方法已成為當(dāng)下的研究重點，由于N2O對全球變暖的影響比二氧化碳（CO2）強300倍以上，并且對臭氧層的破壞有貢獻。研究人員發(fā)現(xiàn)廢水處理廠（WWTP）是N2O排放的重要來源，尤其是那些采用涉及硝化和反硝化的生物脫氮工藝的工廠。一個階段的完全自養(yǎng)性氮去除過程在一個反應(yīng)器中結(jié)合了部分硝化（PN）和厭氧銨氧化（anammox）。它具有處理高強度銨和低C/N比的廢水的巨大潛力。由于該過程需要較少的曝氣且無需添加外部有機碳，因此越來越多地用于污水處理廠。本論文研究人員研究通過微電極測量研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。在低氧條件下進行了多批實驗，所測生物膜從測序間歇生物膜反應(yīng)器(SBBR)取樣。含氮化合物的轉(zhuǎn)化途徑分析了生物膜根據(jù)微剖面濃度,NH4+,NO2-和NO3-。微電極技術(shù)提供了高空間和時間分辨率，可以選擇性地測量基質(zhì)內(nèi)的濃度，也可以用于非破壞性地確定生物膜的微剖面，這有利于分析氮化合物轉(zhuǎn)化和生物膜生成一氧化二氮（N2O）。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用克拉克型氧氣和氧化亞氮微電極（Unisense），尖端直徑分別為10μm和25μm，響應(yīng)時間約為10s-30s，測量了生物膜中DO和N 2 O的微剖面濃度。使用氧氣和氧化亞氮微電極測試生物膜內(nèi)的-200μm至750μm的范圍內(nèi)（生物膜表面深度為0μm）獲取4 h后（添加底物后）的測試DO，N2O的微剖面濃度。

實驗結(jié)果：應(yīng)用微電極系統(tǒng)（unisense）測量研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。在低氧條件下進行了多批實驗，所測生物膜從測序間歇生物膜反應(yīng)器(SBBR)取樣。研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。研究人員通過生物膜中溶解氧、氮化合物和一氧化二氮的濃度微譜表征了氮轉(zhuǎn)化和一氧化二氮產(chǎn)生的途徑。研究發(fā)現(xiàn)NH2OH氧化、AOB反硝化和HD是生物膜產(chǎn)生N2O的途徑。而NO2-在生物膜生成一氧化二氮中起關(guān)鍵作用。

圖、應(yīng)用unisense微電極系統(tǒng)用于測量生物膜中底物生物膜濃度的分批測試系統(tǒng)的示意圖。

使用unisense氧化亞氮微電極分別在4h時后測試批處理的生物膜中的測試濃度微剖面圖。其中A,B,C對應(yīng)的是不同批次的實驗。

結(jié)論與展望：研究人員依據(jù)三個主要途徑研究了生物脫氮過程中的N2O產(chǎn)生：羥胺（NH 2OH）氧化，氨氧化細菌（AOB）脫氮和異養(yǎng)反硝化（HD）。研究人員通過微電極剖面系統(tǒng)（unisense）測量研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。在低氧條件下進行了多批實驗，所測生物膜是從測序間歇生物膜反應(yīng)器(SBBR)取樣。由于unisense微電極技術(shù)提供了高空間和時間分辨率，可以選擇性地原位測量基質(zhì)生物膜內(nèi)的氧化亞氮的濃度，也可以用于非破壞性地確定生物膜的微剖面測試，這有利于分析氮化合物轉(zhuǎn)化和生物膜生成一氧化二氮。從而了解了含氮化合物的轉(zhuǎn)化途徑并分析了生物膜根據(jù)微剖面濃度,NH4+,NO2-和NO3-。從N2O濃度微譜和氮化合物轉(zhuǎn)化途徑等方面推導(dǎo)出生物膜產(chǎn)生一氧化二氮的潛在途徑和影響因素。