研究簡介:在全球變暖的背景下，污水處理廠（WWTPs）實現凈零排放的理念在全球范圍內引起了越來越多的關注。由于氧化亞氮（N2O）排放占污水處理廠總碳足跡的大部分（高達50%-83%），因此N2O的減排對于實現凈零排放的目標至關重要。人們已經為污水處理中的N2O減排做出了大量努力，但大多數提出的策略都是針對懸浮污泥系統的，在溶解氧（DO）、亞硝酸鹽、銨、pH、COD/N比等各種因素的影響基礎上開發的。新型生物膜工藝（如整合固定膜活性污泥（IFAS）系統）中的N2O減排機會仍然被大部分忽視。IFAS系統，將懸浮絮凝體和附著生物膜結合起來，由于其具有污染物去除效率高、耐負荷性強、占地面積小和減少污泥產生等優勢，越來越多地被認為是WWTPs運行升級的有希望的替代方案。

本文的目標是研究生物膜在一種硝化IFAS系統中如何減少N2O排放的潛在機制，該系統在進料中沒有可生物降解的碳源，而且異養反硝化作用被預計將被主要抑制。首先，對混合系統、單獨的污泥絮凝體和單獨的生物膜進行了典型周期測試，比較了硝化性能和N2O排放量。在不同DO水平（0.25-3.0 mg O2/L）下進行了一系列特別設計的硝化批處理試驗，以充分揭示生物膜在減少N2O排放中的作用。為了進一步揭示不同DO條件下N2O產生途徑與生物膜的相關性，研究人員利用位點偏好（SP）的同位素技術來確定不同N2O產生途徑的單獨貢獻。此外利用N2O微傳感器評估了生物膜作為潛在N2O減排“匯”的可行性。本研究首次嘗試揭示生物膜在一種硝化IFAS系統中減少N2O排放的作用。

Unisense微電極測定系統的應用

為了研究生物膜通過反硝化過程減少N 2 O排放（即將N2O還原為N2）的潛力，一系列反硝化過程設計了批量測試。采用unisense微剖面系統連接三種不同的探針分別在線檢測DO、pH和液相N2O濃度。為了防止N2O從液相中逸出，間歇式反應器中不留任何頂部空間。

實驗結果

揭示生物膜在硝化IFAS系統中減少N2O排放中的作用。通過實驗調查了生物膜對BNR和N2O減排的潛在貢獻和潛在機制。長期實驗表明，氨氧化主要發生在絮體中（＞86%），生物膜可以減少44%的N2O排放。隨著溶解氧濃度在0.5-3.0 mg O2/L范圍內的降低，生物膜存在時，N2O排放因子降低了50%-83%。此外，現場偏好分析表明，在IFAS系統中NH2OH氧化途徑的相對貢獻（44%-80%）高于絮體中的貢獻（25%-60%），伴隨著AOB反硝化途徑貢獻的相應變化。生物膜可以作為一個有效的N2O匯，因為其獨特的微生物組成和關鍵酶Nos的高豐度。在不添加外部碳源的情況下，生物膜能夠在120分鐘內將1.34 mg N2O-N/L減少為N2，而絮體只能減少0.42 mg N2O-N/L。生物膜的微生物豐富度和多樣性遠高于絮體。雖然大多數優勢菌株存在于生物膜和絮體中，但由于播種現象，其系統中的植物分布在屬和屬水平上的差異顯著，導致了其關鍵基因和酶的各自組成，這與實驗結果一致。

圖1、（A）銨、（B）亞硝酸鹽、（C）硝酸鹽、（D）氣相N2O和（E）液相N2O在IFAS系統、獨立絮體和獨立生物膜中的濃度周期變化。未包括沉淀和傾倒周期。誤差條代表三次重復測試的標準偏差。（F）IFAS系統和獨立絮體在十個并行循環測試中的N2OEFs。

圖2、（A）在硝化批測試中，IFAS系統和獨立絮體在不同溶解氧水平下的氨氧化速率（AOR）和（B）N2O EF。誤差條代表三次重復測試的標準偏差。圖2A所示，IFAS（從0.89±0.06至3.52±0.07 mg N/min）和污泥絮體（從0.84±0.01至3.08±0.02 mg N/min）的氨氧化率(AOR)顯著增加隨著DO濃度的增加（從0.25到3 mg O2/L），前者的增加率幾乎保持不變，而后者的增加率卻下降。圖2B中IFAS系統的N2O EF從DO濃度0.25 mg O2/L時的(0.73±0.02)%增加到(0.80±0.04)%當DO濃度為0.5 mg O2/L時，隨著DO濃度的增加（0.5-3 mg O2/L）緩慢下降至（0.44±0.02）%。單獨污泥絮體也呈現出類似的趨勢，其最高N2O EF達到（1.60±0.05）%。

圖3、在硝化批測試中，AOB反硝化和NH2OH氧化途徑對N2O產生的相對貢獻在不同溶解氧水平下的情況。誤差條代表三次重復測試的標準偏差。

圖4、反硝化批測試中的液相N2O曲線：（A）僅添加N2O，（B）N2O和亞硝酸鹽共存。顯示了添加或不添加亞硝酸鹽時液相N2O的變化。4A所示，在存在生物膜和污泥絮凝物的情況下，N2O濃度在120分鐘內分別降低了1.61和1.03 mg N/L。然而，添加亞硝酸鹽后，生物膜的N2O濃度下降至1.34 mg N/L，而污泥絮體的N 2 O濃度僅下降0.42 mg N/L（圖4B）。

圖5.生物膜和絮體的微生物群落多樣性和組成：（A）Venn圖，（B）Alpha多樣性比較，（C）以圓形圖形式可視化的屬和屬水平的系統發育分類群的分布。（D）與N2O轉化相關的氮代謝KEGG通路和（F）關鍵酶的預測相對豐度。

結論與展望

IFAS系統之類的生物膜工藝越來越被認為是污水處理廠運營升級的有前途的技術，因為它具有高穩定性、高效的污染物去除性能、占地面積小和減少污泥產生。IFAS系統產生的N2O比傳統的懸浮污泥系統少，這在全球碳中和的背景下具有重要意義。然而IFAS系統中N2O轉化的潛在機制尚不清楚，而生物膜在減少N2O排放方面的作用尚未得到充分探討。所有這些對于IFAS系統的發展至關重要。本研究首次揭示了利用微傳感器（unisense微剖面分析系統）、同位素技術和高通量測序手段研究不同溶解氧水平下硝化IFAS系統中N2O轉化過程，全面了解了生物膜在減少N2O排放方面的作用。研究發現在典型運行周期中，氨氧化主要發生在污泥絮凝體中（>86%），生物膜能夠在典型運行周期中減少43.77%的N2O排放。生物膜不僅減少了硝化過程中的亞硝酸鹽積累，通過抑制硝化細菌反硝化途徑減少了N2O的產生，而且還作為N2O的“匯”，促進了通過內源性反硝化還原N2O的過程。結果證明IFAS系統的N2O排放比單獨的污泥絮凝體系統低50%-83%。此外隨著溶解氧水平在0.5-3.0 mg O2/L范圍內的降低，生物膜的存在進一步減少了N2O排放量。微生物群落和關鍵酶分析表明，生物膜具有相對較高的微生物多樣性和獨特的酶組成。本研究中獲得的N2O貢獻途徑與溶解氧濃度之間的相關性為IFAS系統中的N2O轉化提供了新的見解，可能修改目前的N2O模型，以更準確地預測基于生物膜的BNR工藝的N2O排放。本研究得到的結果將深入了解IFAS系統的N2O減排機制，并顯著促進基于生物膜的污水處理技術的發展。