Exposure of sulfur-driven autotrophic denitrification to hydroxylamine/hydrazine: Underlying mechanisms and implications for promoting partial denitrification and N2O recovery  

羥胺/肼對(duì)硫自養(yǎng)反硝化的影響：促進(jìn)部分反硝化及N2O回收的機(jī)制與意義  

來源：Chemical Engineering Journal, Volume 477, Article 146943

《化學(xué)工程雜志》第477卷，文章編號(hào)146943  

 

摘要核心內(nèi)容  

本研究探究羥胺（NH?OH）和肼（N?H?）對(duì)硫自養(yǎng)反硝化（SDAD）過程中氮代謝途徑的影響。結(jié)果表明：  

NH?OH（2.0 mg-N/L）顯著促進(jìn)亞硝酸鹽（NO??）積累（積累率86.2±2.6%），而N?H?對(duì)NO??積累影響微弱；  

 

NH?OH通過抑制下游反硝化酶（亞硝酸鹽還原酶NIR和N?O還原酶N?OR）導(dǎo)致N?O在亞硝酸鹽還原階段大量積累（峰值6.8 mg-N/L）；  

 

N?H?（2.0 mg-N/L）選擇性抑制N?OR活性，使N?O在硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原階段積累率分別提升至13.0±0.3%和27.5±1.5%；  

 

酶活性分析揭示NH?OH全面抑制反硝化酶活性，而N?H?主要靶向抑制N?OR。  

 

研究目的  

闡明NH?OH和N?H?對(duì)SDAD過程中NO??積累和N?O產(chǎn)生的調(diào)控機(jī)制；  

 

評(píng)估兩種添加劑對(duì)反硝化功能酶活性的差異性影響；  

 

探索通過添加劑調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效部分反硝化（PDN）和N?O回收的可行性。  

 

研究思路  

長(zhǎng)期培養(yǎng)硫氧化菌（SOB）：在序批式反應(yīng)器（SBR）中富集SOB（優(yōu)勢(shì)菌為Arenimonas、Thiobacillus等），穩(wěn)定運(yùn)行320天（圖1）；  

 

批次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

測(cè)試不同濃度NH?OH（0.5-2.0 mg-N/L）和N?H?（0.5-2.0 mg-N/L）對(duì)SDAD的影響；  

 

監(jiān)測(cè)氮硫轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)（NO??、NO??、N?O、S2?、S?等）；  

酶活性分析：測(cè)定關(guān)鍵反硝化酶（NAR、NIR、NOR、N?OR）活性變化（圖5）；  

 

數(shù)據(jù)建模與驗(yàn)證：結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型解析N?O積累機(jī)制。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

NO??積累規(guī)律（圖3, 圖4）  

 

 

數(shù)據(jù)：NH?OH（2.0 mg-N/L）使NO??積累率提升至89.2±2.6%，而N?H?僅提升7.1±0.5%。  

 

意義：證實(shí)NH?OH可作為PDN的有效促進(jìn)劑，為厭氧氨氧化（Anammox）耦合系統(tǒng)提供穩(wěn)定亞硝酸鹽來源。  

 

來源：圖3（氮轉(zhuǎn)化曲線）、圖4A（NO??積累率統(tǒng)計(jì)）。  

N?O產(chǎn)生特征（圖3, 圖4）  

 

數(shù)據(jù)：NH?OH引發(fā)N?O在亞硝酸鹽還原階段峰值達(dá)6.8 mg-N/L（RN?O(II)=32.9±1.3%）；N?H?則在兩階段均促進(jìn)N?O積累（RN?O(I)=13.0±0.3%, RN?O(II)=27.5±1.5%）。  

 

意義：揭示N?H?是更高效的N?O誘導(dǎo)劑，為溫室氣體資源化回收提供新策略。  

 

來源：圖3（N?O濃度時(shí)序）、圖4B（N?O積累率統(tǒng)計(jì)）。  

酶活性響應(yīng)（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：NH?OH（2.0 mg-N/L）使NIR和N?OR活性降低41.9±2.8%；N?H?（2.0 mg-N/L）特異性抑制N?OR活性（下降27.4±2.4%）。  

 

意義：從酶學(xué)層面解釋NH?OH/N?H?對(duì)反硝化途徑的差異性調(diào)控機(jī)制。  

 

來源：圖5（酶活性相對(duì)變化熱圖）。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

使用Unisense N?O微電極（型號(hào)N?O-500）實(shí)現(xiàn)：  

高時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)捕捉N?O生成動(dòng)力學(xué)（采樣間隔20秒），精準(zhǔn)定位N?O積累峰值（圖3中6.8 mg-N/L瞬時(shí)峰）；  

 

過程機(jī)制解析：通過N?O累積曲線識(shí)別兩個(gè)關(guān)鍵積累階段（NO??還原期N?O(I)和NO??還原期N?O(II)），揭示NH?OH主要促進(jìn)后期積累而N?H?同時(shí)增強(qiáng)兩階段積累；  

 

抑制效應(yīng)量化：結(jié)合游離亞硝酸（FNA）數(shù)據(jù)，證實(shí)高FNA（>0.8 μg-N/L）與N?OR抑制的因果關(guān)系（第4.1節(jié)）；  

 

技術(shù)應(yīng)用支撐：為優(yōu)化N?O回收工藝參數(shù)（如添加劑濃度、反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)）提供直接依據(jù)。  

 

結(jié)論  

NH?OH的核心作用：通過抑制NIR和N?OR活性，顯著提升NO??積累率（1.8倍）和N?O后期積累量（8.1倍），適用于強(qiáng)化PDN-Anammox耦合工藝；  

 

N?H?的獨(dú)特價(jià)值：選擇性抑制N?OR，實(shí)現(xiàn)N?O高效積累（RN?O(II)提升6.7倍），為N?O資源化回收提供新途徑；  

 

酶活性調(diào)控機(jī)制：NH?OH全面抑制反硝化酶鏈，N?H?特異性靶向N?OR，二者通過不同路徑阻斷電子傳遞；  

 

工程應(yīng)用啟示：NH?OH適用于需穩(wěn)定NO??供給的系統(tǒng)，N?H?可作為N?O回收工藝的誘導(dǎo)劑，但需評(píng)估經(jīng)濟(jì)可行性。