Inhibition effect of magnetic field on nitrous oxide emission from sequencing batch reactor treating domestic wastewater at low temperature  

磁場對低溫下處理生活污水的序批式反應(yīng)器中氧化亞氮排放的抑制效應(yīng)  

來源： Journal of Environmental Sciences, Volume 87, 2020, Pages 205-212

《環(huán)境科學(xué)學(xué)報》第87卷，2020年，205-212頁

 

摘要內(nèi)容

本研究探討了磁場（30 mT）對低溫（10°C）下處理低濃度生活污水的序批式反應(yīng)器（SBR）中氧化亞氮（N?O）排放的影響。經(jīng)過124天的平行運行，結(jié)果表明：施加磁場的反應(yīng)器（MF-SBR）的N?O轉(zhuǎn)化率比常規(guī)SBR（C-SBR）降低了34.3%；同時，MF-SBR的總氮（TN）和氨氮（NH?-N）去除率分別比C-SBR提高了22.4%和39.5%。高通量測序顯示，MF-SBR中可減少N?O排放的氨氧化菌（AOB，如Nitrosomonas）、亞硝酸鹽氧化菌（NOB，如Nitrospira）和反硝化菌（如Zoogloea）的豐度顯著提升。MF-SBR的反硝化酶活性（Nir）和基因豐度（nosZ、nirS、nirK）也明顯高于C-SBR。研究表明，磁場通過影響污泥的微生物特性，是低溫下抑制N?O生成并提升脫氮效率的有效方法。  

 

研究目的

探究磁場對低溫（10°C）條件下SBR處理生活污水時N?O排放的抑制效果及脫氮性能的增強(qiáng)機(jī)制，并從微生物學(xué)角度（菌群結(jié)構(gòu)、酶活性和基因豐度）解析其作用原理。  

 

研究思路：  

1 設(shè)置平行反應(yīng)器：MF-SBR（施加30 mT靜態(tài)磁場）和C-SBR（無磁場對照），在10°C下同步運行124天，處理合成生活污水。  

2 監(jiān)測運行性能：定期檢測NH?-N、TN、COD去除率及N?O排放量，對比兩系統(tǒng)的脫氮效率和N?O轉(zhuǎn)化率。  

3 分析動態(tài)過程：通過典型周期內(nèi)N?O排放速率和溶解濃度監(jiān)測，識別N?O產(chǎn)生階段（硝化/反硝化）。  

4 解析微生物機(jī)制：測定反硝化酶（NIR、NOS）活性、功能基因（nosZ、nirS、nirK）豐度，并通過16S rRNA高通量測序分析菌群結(jié)構(gòu)變化。  

5 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)：將性能提升與微生物特性變化關(guān)聯(lián)，驗證磁場對低溫微生物活性的促進(jìn)作用。  

 

測量的數(shù)據(jù)：  

1 水質(zhì)指標(biāo)：NH?-N、TN、COD去除率（表1）；典型周期內(nèi)氮化合物（NH??、NO??、NO??）和COD濃度變化（圖2）。  

 

 

2 N?O排放數(shù)據(jù)：N?O轉(zhuǎn)化率（排放N?O量/去除氮量）、周期內(nèi)N?O排放速率和溶解濃度（圖3）。  

 

3 酶活性：亞硝酸還原酶（NIR）和N?O還原酶（NOS）活性（圖4）。  

 

4 基因豐度：反硝化功能基因nosZ、nirS、nirK的豐度（圖4）。  

5 微生物群落：門、綱水平菌群結(jié)構(gòu)（圖5）及屬水平反硝化菌豐度（如Zoogloea、Dechloromonas等）（圖6）。  

 

 

數(shù)據(jù)的研究意義：  

1 表1數(shù)據(jù)證明磁場提升脫氮效率（TN↑22.4%）并降低N?O轉(zhuǎn)化率（↓34.3%），直接驗證磁場的環(huán)境效益。  

2 圖2-3顯示N?O主要在好氧階段產(chǎn)生（與NO??積累相關(guān)），且MF-SBR周期內(nèi)N?O排放量更低，表明磁場抑制了硝化過程N(yùn)?O生成并促進(jìn)反硝化還原。  

3 圖4中MF-SBR的NIR/NOS酶活性和nosZ基因豐度更高，說明磁場增強(qiáng)了N?O還原能力，從酶和基因?qū)用娼忉屃薔?O減排機(jī)制。  

4 圖5-6顯示MF-SBR中β-變形菌綱（含Nitrosomonas、Nitrospira）和反硝化菌（如Zoogloea）豐度顯著增加，證實磁場優(yōu)化了菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)脫氮并減少N?O積累。  

 

使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense微傳感器測量的N?O氣體和溶解相濃度數(shù)據(jù)（圖3）提供了高精度、實時的N?O動態(tài)信息，其研究意義包括：  

1 精準(zhǔn)識別N?O產(chǎn)生階段：數(shù)據(jù)顯示好氧階段N?O排放速率與NO??濃度正相關(guān)（圖3a），證實AOB硝化是N?O主要來源；而缺氧階段溶解N?O積累（圖3b）表明反硝化不完全是潛在排放源。  

2 量化磁場抑制效應(yīng)：MF-SBR的N?O排放速率峰值低于C-SBR（圖3a），且溶解N?O積累量減少（圖3b），直接證明磁場有效抑制了N?O生成和積累。  

3 支持機(jī)制推斷：結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)（圖2），Unisense數(shù)據(jù)表明磁場通過促進(jìn)NOB（降低NO??積累）和反硝化菌（增強(qiáng)N?O還原）減少了N?O產(chǎn)生，并加速其還原為N?。  

4 提供計算基礎(chǔ)：實時濃度數(shù)據(jù)用于計算N?O轉(zhuǎn)化率（表1），為評估磁場減排效果提供關(guān)鍵量化指標(biāo)。  

總之，Unisense數(shù)據(jù)實現(xiàn)了N?O行為的原位監(jiān)測，為揭示磁場對N?O代謝路徑的調(diào)控提供了直接證據(jù)。  

 

結(jié)論：  

1 磁場（30 mT）顯著提升低溫SBR的脫氮效率（TN↑22.4%，NH?-N↑39.5%）并降低N?O轉(zhuǎn)化率（↓34.3%）。  

2 磁場增強(qiáng)反硝化酶活性（NIR↑40.5%，NOS↑37.9%）和功能基因豐度（nosZ、nirS、nirK），促進(jìn)N?O還原為N?。  

3 菌群分析顯示磁場富集了AOB（Nitrosomonas）、NOB（Nitrospira）和反硝化菌（Zoogloea等），優(yōu)化了微生物群落結(jié)構(gòu)。  

4 磁場通過緩解低溫對微生物的抑制，提升菌群活性和功能，是實現(xiàn)低溫污水高效脫氮和N?O減排的有效策略。