研究背景

生物脱氮工艺作为一种经济高效的城市污水处理工艺被广泛应用。然而，这种工艺会导致一氧化二氮(N₂O)这种高温室效应潜力气体的大量排放。活性污泥是生物脱氮工艺主要的N₂O排放源，其中的细菌群落，特别是氨氧化细菌是产生N₂O的主要微生物类群。溶解氧(DO)是影响活性污泥中微生物群落组成和N₂O排放的关键参数，生物脱氮过程中DO水平的管理和调整对于减少N₂O、去除有机物和节约污水处理成本至关重要。在活性污泥系统中，许多微生物处于非活性状态。然而，只有代谢活跃的微生物群体在参与有机物去除过程并产生N₂O。因此，有必要研究DO对活性污泥系统中N₂O排放及代谢活性微生物群落的影响。实验室博士生闫婉丽基于该研究背景，建立了四个实验室规模的SBR反应器来研究DO浓度对代谢活性微生物群落及其N₂O排放的影响机制，为选择合适的DO设定点以减少N₂O排放提供了科学依据。这一工作已发表在Biochemical Engineering Journal（2024, 206, 109295）。

第一作者：闫婉丽

通讯作者：于鑫 教授

通讯单位：厦门大学环境与生态学院

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.bej.2024.109295

成果介绍

本研究从实际运行的污水处理厂硝化池获得活性污泥并接种于实验室规模的SBR反应器中，在四个不同的DO浓度条件下运行反应器，探究DO对活性污泥的影响。结果表明增加的DO水平能够促进COD和NH₄⁺的降解，减少溶解态N₂O的累积（图1和图2）。碳源耗尽之后氨氧化速率明显提升，且溶解态N₂O开始累积，说明碳源耗尽之后硝化作用加强，加剧了N₂O的累积（图2）。较高的DO水平和充足的碳源可以有效地减少N₂O的积累并保证良好的出水水质。

图1 在DO分别为0.59 mg L^-1 (a)、1.04 mg L^-1 (b)、2.34 mg L^-1 (c)和3.66 mg L^-1 (d)的反应器中营养物质的去除。COD/COD₀表示初始COD的变化。红色箭头表示NH₄⁺氧化速率变快的拐点

图2 在DO分别为0.59 mg L^-1、1.04 mg L^-1、2.34 mg L^-1和3.66 mg L^-1时，气态N₂O排放量(a - d)和溶解态N₂O浓度(e - h)的变化

采用16S rRNA基因(cDNA)高通量测序技术对总代谢活性细菌群落进行分析。结果表明：DO对代谢活性细菌多样性和氨氧化细菌相对丰度有积极影响，然而，过度曝气降低了Zoogloea的丰度，导致污泥沉降受损（图3）。

图3 DO分别为0.59 mg L^-1 (R1)、1.04 mg L^-1 (R2)、2.34 mg L^-1 (R3)和3.66 mg L^-1 (R4)的反应器中，与氮转化相关的丰度最高的14个优势功能属