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Effect of the dissolved oxygen concentration on the N2O emission from an autotrophic partial nitritation reactor treating high-ammonium wastewater
溶解氧濃度對處理高銨廢水的自養部分亞硝化反應器N2O排放的影響
來源：International Biodeterioration & Biodegradation, Volume 114, 2016, Pages 209-215
《國際生物劣化與生物降解》，第114卷，2016年，第209-215頁
摘要
摘要指出，本研究操作了一個實驗室規模的序批式反應器（SBR），處理合成高銨廢水進行部分亞硝化，調查了溶解氧（DO）濃度對N2O排放的影響。從宏觀角度看，隨著DO濃度從0.35增加到0.60和0.85 mg l?1，N2O排放因子（N2O氮排放量與進水總氮之比）分別從2.35%±0.32%下降到1.81%±0.16%和0.57%±0.08%。當用N2代替空氣吹掃時，也觀察到N2O排放，證明了反硝化途徑的N2O生產。較高的氨氧化率（AOR）導致較低的N2O排放率，而游離亞硝酸（FNA）濃度對N2O排放無明顯影響。從微觀角度看，使用微電極調查了不同DO濃度下污泥聚集體內部的氮轉化，表明N2O生產隨DO濃度降低而增加，在較低DO濃度（0.35和0.60 mg l?1）下，N2O生產從反硝化途徑增強。
研究目的
研究目的是調查在限氧條件下溶解氧（DO）濃度對自養部分亞硝化過程中N2O排放的影響，從宏觀和微觀角度理解N2O生產機制，并識別主要生產途徑。
研究思路
研究思路包括操作一個實驗室規模SBR，在不同DO濃度（0.35、0.60和0.85 mg l?1）下進行部分亞硝化，測量宏觀N2O排放因子和排放量。同時，使用微電極技術測量污泥聚集體內部的DO、pH、NH4?、NO2?和N2O的微剖面，計算凈體積消耗或生產速率，以揭示微觀氮轉化路徑。實驗還包括用N2代替空氣吹掃以驗證反硝化途徑。
測量的數據及研究意義
1 數據來自圖1和表2：測量了不同DO濃度下的N2O排放量和排放因子。研究意義是量化DO對N2O排放的負面影響，顯示增加DO可減少排放，為優化操作條件以減少溫室氣體提供依據。
2 數據來自圖2：測量了典型周期中不同DO濃度下的氮轉化（NH4?、NO2?、NO3?和N2O濃度變化）。研究意義是揭示部分亞硝化過程的穩定性，并顯示N2O排放的動態模式，如初始峰值 due to stripping of accumulated N2O。
3 數據來自圖3：測量了氨氧化率（AOR）、亞硝酸生產率（NPR）、N2O排放率和FNA濃度在周期內的變化。研究意義是表明AOR與N2O排放率負相關，而FNA無顯著影響，幫助理解N2O生產的主要驅動因素。
4 數據來自圖5：使用微電極測量了污泥聚集體內部的DO、pH、NH4?、NO2?和N2O的微剖面及凈體積速率。研究意義是直接可視化微觀環境，顯示外層（<1000μm）為高活性硝化區，內層（1000-2500μm）在低DO下形成缺氧區，增強反硝化途徑的N2O生產。
5 數據來自表3：量化了不同DO濃度下污泥聚集體外層和內層的N2O生產比例。研究意義是證實低DO時N2O生產從反硝化途徑增強，為控制N2O排放提供微觀證據。
結論
1 DO濃度對N2O排放有負面影響，增加DO從0.35到0.60和0.85 mg l?1，排放因子從2.35%降到1.81%和0.57%。
2 用N2吹掃也觀察到N2O排放，證明反硝化途徑的存在，但并非主導途徑。
3 從微觀角度看，低DO濃度下N2O生產從反硝化途徑增強，內層缺氧區貢獻增加。
4 AOR與N2O排放率負相關，而FNA濃度無顯著影響，表明N2O生產主要受DO和底物氧化速率調控。
5 多途徑共存（如羥胺氧化和反硝化），但DO是關鍵控制參數，優化DO可最小化N2O排放。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
使用丹麥Unisense微電極（包括N2O微電極）測量污泥聚集體內部的NH4?、NO2?、N2O、pH和DO的微剖面，提供了高空間分辨率的實時數據。研究意義在于，這些測量允許直接觀察微觀環境下的氮轉化動態，例如顯示DO梯度如何形成外層好氧區和內層缺氧區，從而揭示N2O生產路徑的空間分布。具體地，微電極數據幫助計算凈體積速率，證實低DO濃度下內層反硝化途徑的N2O生產增強（如圖5和表3所示），這從微觀角度補充了宏觀排放數據，增強了對DO影響機制的理解。這種高精度測量支持了多途徑共存的結論，為優化反應器操作以減少N2O排放提供了深入見解，突出了微電極技術在環境微生物研究中的價值。