The effect of dissolved oxygen on N2O production by ammonia-oxidizing bacteria in an enriched nitrifying sludge

溶解氧對富集硝化污泥中氨氧化細菌產生N2O的影響

來源：Water Research, Volume 66, 2014, Pages 12-21

《水研究》，第66卷，2014年，第12-21頁

 

摘要

這篇論文的摘要指出，溶解氧（DO）是影響氨氧化細菌（AOB）產生氧化亞氮（N2O）的重要因素，但以往研究難以分離DO和亞硝酸鹽的效應，因為DO變化常導致亞硝酸鹽積累。本研究通過添加富集亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）污泥來最小化亞硝酸鹽積累，研究了DO對富集硝化污泥（含AOB和NOB）產生N2O的影響。結果表明，特定N2O產生率隨DO濃度增加（0到3.0 mg O2/L）而增加，但N2O排放因子（N2O氮與銨氮轉化之比）隨DO增加而減少。位點偏好測量表明，AOB反硝化和羥胺氧化途徑都貢獻了N2O生產，DO影響了兩途徑的相對貢獻。N2O模型分析支持了這一發現。

 

研究目的

研究目的是澄清DO對AOB產生N2O的影響，分離DO和亞硝酸鹽的效應，并確定DO對N2O生產途徑（AOB反硝化和羥胺氧化）的相對貢獻，以解決以往研究中的不一致觀察。

 

研究思路

研究思路基于使用富集硝化培養物（含AOB和NOB），通過添加額外NOB污泥來最小化亞硝酸鹽積累。進行八組批次實驗，在不同DO水平（0到3.0 mg O2/L）下控制pH為7.5，測量N2O生產動態。使用在線N2O分析儀和Unisense微傳感器監測N2O濃度，同時測量銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度。通過同位素測量（位點偏好SP和δ15N）和N2O模型（包含AOB反硝化和羥胺氧化途徑）分析途徑貢獻，以隔離DO的純效應。

 

測量的數據及研究意義

1 數據來自圖1：測量了批次實驗中氣相和液相N2O、銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度隨時間變化，例如在DO=0.5 mg O2/L時，N2O濃度快速增加后穩定。研究意義是展示N2O生產動態和條件穩定性，驗證實驗設置的有效性，為后續分析提供基礎。

 

2 數據來自圖2：測量了氨氧化率（AOR）、N2O產生率（N2OR）和排放因子與DO的關系，顯示AOR隨DO增加而增加至74 mg N/hr/g VSS，N2OR在DO 0-1.0 mg/L增加后穩定在1.9 mg N/hr/g VSS，排放因子從10.6%減少到2.4%。研究意義是表明DO促進N2O生產但降低排放效率，揭示DO對AOB代謝的調控作用。

 

3 數據來自圖4：測量了N2O的δ15N和位點偏好（SP）值，顯示SP值隨DO增加從-0.5‰增加到6.4‰。研究意義是通過同位素特征識別N2O生產途徑，SP變化指示AOB反硝化和羥胺氧化途徑相對貢獻隨DO變化。

 

4 數據來自圖5：基于SP值估計途徑貢獻，顯示AOB反硝化貢獻從95%減少到73%，羥胺氧化從5%增加到27%隨DO增加。研究意義是量化DO對途徑的調節，證實AOB反硝化主導，但羥胺氧化隨DO增加而增強。

 

5 數據來自圖3和模型分析：模型預測N2OR與實驗數據吻合，顯示AOB反硝化貢獻隨DO增加而減少。研究意義是驗證模型可靠性，提供機理解釋，支持DO通過電子競爭影響途徑分配。

 

 

結論

1 N2O產生率隨DO濃度增加（0到3.0 mg O2/L）而增加，但排放因子隨DO增加而減少，表明高DO雖促進N2O生產但提高氮去除效率。

2 AOB反硝化和羥胺氧化途徑都貢獻N2O生產，AOB反硝化主導（66%-95%），但羥胺氧化貢獻隨DO增加而增加（5%-34%）。

3 DO是調節N2O生產途徑的關鍵因素，在低亞硝酸鹽條件下，其效應被成功隔離，解決了以往研究的不一致性。

4 同位素和模型分析一致表明，DO通過影響電子分配改變途徑相對貢獻，為廢水處理中N2O控制提供理論依據。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，使用丹麥Unisense的N2O微傳感器（N2O-100型）測量液相N2O濃度，具有高靈敏度（檢測限0.0028 mg N2O-N/L）和實時監測能力（數據記錄間隔10秒）。研究意義在于，該傳感器能精確捕捉N2O在批次實驗中的瞬時動態變化，如快速上升和穩態階段（圖1），與氣相測量互補，確保N2O濃度數據的準確性和可靠性。通過實時液相監測，避免了氣相測量的延遲和誤差，幫助量化N2O產生率，并驗證了模型預測。此外，傳感器的高分辨率數據支持了同位素分析，為識別N2O生產途徑提供了實驗基礎，增強了機理研究的可信度，對優化廢水處理過程減少N2O排放有重要應用價值。