Micro-analysis of nitrous oxide accumulation in denitrification under acidic conditions: The role of pH and free nitrous acid

酸性條件下反硝化過(guò)程中一氧化二氮積累的微量分析：pH 和游離亞硝酸的作用

來(lái)源：Journal of Water Process Engineering 47 (2022) 102767

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文探究了酸性條件下（pH 4.5–6.5）反硝化過(guò)程中N?O積累的機(jī)制。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：

 

N?O富集效率：pH從6.5降至4.5時(shí)，N?O產(chǎn)率從1.0%升至65.0%，伴隨亞硝酸鹽積累。

抑制機(jī)制：微電極分析表明，H?（氫離子）是N?O還原酶（NOS）的真實(shí)抑制劑，而非游離亞硝酸（FNA）；同時(shí)低pH促進(jìn)NOR活性，增加N?O生成。

應(yīng)用意義：為酸性條件下回收N?O作為能源提供了理論依據(jù)。

 

2. 研究目的

 

澄清酸性pH下N?O積累的微生物機(jī)制，重點(diǎn)區(qū)分H?濃度與FNA濃度對(duì)NOS活性的抑制作用，為廢水處理中N?O能源回收提供技術(shù)支撐。

 

3. 研究思路

 

采用宏觀批量實(shí)驗(yàn)+微觀微電極技術(shù)的雙尺度驗(yàn)證：

 

批量實(shí)驗(yàn)：在pH 4.5–6.5下進(jìn)行硝酸鹽反硝化，監(jiān)測(cè)N?O產(chǎn)率與亞硝酸鹽積累（圖1）。

 

微電極原位測(cè)量：

測(cè)試1–2：以N?O為唯一氮源，量化無(wú)FNA（圖2）和有FNA（圖3）時(shí)pH對(duì)N?O消耗速率的影響。

 

 

 

測(cè)試3–4：以NO為氮源，量化無(wú)FNA（圖4）和有FNA（圖5）時(shí)pH對(duì)N?O生成速率的影響。

 

 

 

機(jī)制解析：通過(guò)凈體積速率計(jì)算（公式1–2）和擬合曲線（圖6）區(qū)分H?與FNA的作用，構(gòu)建機(jī)制模型（圖7）。

 

 

 

 

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)源與意義

測(cè)量指標(biāo) 數(shù)據(jù)來(lái)源 研究意義

N?O產(chǎn)率與亞硝酸鹽積累 圖1 pH↓導(dǎo)致亞硝酸鹽積累↑（FNA↑）和N?O產(chǎn)率↑（65%@pH4.5），揭示酸性條件富集潛力。

無(wú)FNA時(shí)N?O消耗速率 圖2f–j pH↓使N?O消耗速率↓（pH4.5比pH6.5降低57.5%），證明H?直接抑制NOS活性。

有FNA時(shí)N?O消耗速率 圖3f–j FNA存在進(jìn)一步抑制消耗速率（pH4.5時(shí)比無(wú)FNA低26.2%），但H?仍是主因。

無(wú)FNA時(shí)N?O生成速率（NO底物） 圖4f–j pH↓使N?O生成速率↑（pH4.5比pH6.5高63倍），表明低pH直接促進(jìn)NOR活性。

有FNA時(shí)N?O生成速率 圖5f–j FNA存在進(jìn)一步刺激生成速率（pH4.5時(shí)比無(wú)FNA高8.4%），增加底物效應(yīng)。

H?/FNA與速率擬合關(guān)系 圖6a–b 定量驗(yàn)證：N?O消耗速率與H?濃度負(fù)相關(guān)（R2=0.995），強(qiáng)于FNA（R2=0.997）。

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義

 

技術(shù)原理：

 

采用N?O微電極（Unisense, Denmark），空間分辨率100 μm，直接測(cè)定污泥絮體內(nèi)N?O濃度梯度剖面（圖2a–e, 3a–e等）。

通過(guò)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-反應(yīng)模型（公式1–2）計(jì)算凈體積反應(yīng)速率（R），區(qū)分生成/消耗區(qū)域。

 

研究發(fā)現(xiàn)與意義：

 

原位驗(yàn)證H?的抑制作用（圖2）：

無(wú)FNA時(shí)，pH 4.5下N?O消耗速率顯著降低（26.03 vs. 61.21 μmol·cm?3·h?1 @pH 6.5），首次證明H?是NOS的真實(shí)抑制劑，推翻“FNA是唯一抑制劑”的假說(shuō)。

 

揭示FNA的協(xié)同效應(yīng)（圖3,5）：

FNA存在時(shí)，N?O消耗速率進(jìn)一步降低（pH4.5: 34.82 vs. 22.45 μmol·cm?3·h?1），但通過(guò)圖6擬合曲線明確FNA僅協(xié)同放大H?的抑制效果。

NO底物實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)NA通過(guò)增加亞硝酸鹽底物進(jìn)一步刺激N?O生成（圖5j vs. 4j）。

 

量化低pH對(duì)NOR的激活作用（圖4）：

pH 4.5時(shí)N?O生成速率達(dá)17.08 μmol·cm?3·h?1（比pH6.5高40倍），明確低pH直接激活NOR，促進(jìn)NO→N?O轉(zhuǎn)化。

 

方法論貢獻(xiàn)：

 

突破傳統(tǒng)宏觀局限：直接測(cè)定絮體內(nèi)部反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，避免氣相損失干擾。

解析多反應(yīng)耦合機(jī)制：同步量化生成（NOR）與消耗（NOS）速率，揭示pH/FNA的差異化影響。

 

6. 結(jié)論

 

主導(dǎo)機(jī)制：

H?是NOS活性的真實(shí)抑制劑，F(xiàn)NA僅起協(xié)同作用。

低pH激活NOR，大幅提升NO→N?O轉(zhuǎn)化效率（pH4.5時(shí)速率比pH6.5高40倍）。

亞硝酸鹽積累（低pH抑制NIR活性）提供額外底物，進(jìn)一步促進(jìn)N?O生成。

 

應(yīng)用價(jià)值：

酸性條件（pH 4.5–5.0）可實(shí)現(xiàn)高效N?O回收（產(chǎn)率>50%），無(wú)需惰性氣體吹脫。

機(jī)制模型（圖7）為優(yōu)化廢水處理工藝提供理論支持。

 

7. 圖表索引

 

圖1：不同pH下氮/COD濃度變化 → N?O產(chǎn)率與亞硝酸鹽積累關(guān)系

圖2–3：無(wú)/有FNA時(shí)N?O濃度剖面與消耗速率 → H?與FNA的抑制效果

圖4–5：無(wú)/有FNA時(shí)N?O生成速率 → pH對(duì)NOR的激活作用

圖6：H?/FNA與消耗速率擬合曲線 → 定量驗(yàn)證抑制作用

圖7：N?O積累機(jī)制模型 → 多因素耦合效應(yīng)

 

本研究通過(guò)微電極原位分析，澄清了酸性反硝化中N?O富集的關(guān)鍵機(jī)制，為廢水能源回收提供了新視角。