Pretreated Corn Husk Hydrolysate as the Carbon Source for Aerobic Denitrification with Low Levels of N2O Emission by Thermophilic Chelatococcus daeguensis TAD1

預(yù)處理玉米芯水解液為碳源，嗜熱大螯球菌 TAD1 實現(xiàn)低氧化亞氮排放的好氧反硝化

來源：Water Air Soil Pollut, Volume 227, 2016, Article ID 314

《水空氣土壤污染》，第227卷，2016年，文章編號314

 

摘要：

摘要部分闡述了生物反硝化的主要障礙是碳源成本高，因此需要尋找經(jīng)濟替代品。本研究探討了使用預(yù)處理的玉米殼水解物作為碳源，促進嗜熱Chelatococcus daeguensis TAD1進行好氧反硝化的可能性。結(jié)果顯示，預(yù)處理條件如顆粒大小10-40目、NaOH劑量0.01 mol L?1、負(fù)載劑量60 g L?1、溫度40°C和時間24小時，能有效釋放碳源。在初始pH 8.5時，反硝化效率最高，N2O排放最低，僅占反硝化NO3-N的0.053%。使用玉米殼水解物作為唯一碳源，反硝化速率達24.55 mg L?1 h?1，去除效率96.91%，無亞硝酸鹽和N2O積累。總之，玉米殼水解物是經(jīng)濟高效的碳源，能實現(xiàn)低N2O排放的好氧反硝化。

 

研究目的：

研究目的是開發(fā)一種經(jīng)濟碳源替代傳統(tǒng)碳源（如甲醇、乙醇），以降低生物反硝化成本，并減少溫室氣體N2O的排放。具體目標(biāo)是利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米殼，通過預(yù)處理提高其作為碳源的可用性，并評估嗜熱菌TAD1在好氧條件下的反硝化性能和N2O排放控制。

 

研究思路：

研究思路包括首先優(yōu)化玉米殼的預(yù)處理條件（顆粒大小、NaOH劑量、負(fù)載劑量、溫度和時間），以釋放可用碳源；然后使用預(yù)處理后的玉米殼水解物作為唯一碳源，在好氧條件下培養(yǎng)TAD1菌株，測量反硝化速率、N2O排放等指標(biāo)；最后評估不同初始pH和硝酸鹽濃度對反硝化和N2O排放的影響，以確定最佳操作條件。實驗采用實驗室規(guī)模的反應(yīng)器，結(jié)合化學(xué)分析和傳感器測量。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 化學(xué)需氧量（COD）數(shù)據(jù)：來自Fig.2、Fig.3、Fig.4、Fig.5和Fig.6，顯示預(yù)處理后玉米殼水解物的碳源可用性。研究意義是評估預(yù)處理效果，確定最優(yōu)條件以最大化碳源釋放，為經(jīng)濟反硝化提供基礎(chǔ)。

 

 

 

 

 

2. 硝酸鹽氮（NO3-N）和亞硝酸鹽氮（NO2-N）濃度數(shù)據(jù)：來自Fig.2、Fig.3、Fig.4、Fig.5、Fig.6、Fig.7、Fig.8和Fig.10，反映反硝化效率和中間產(chǎn)物積累。研究意義是驗證TAD1菌株的反硝化能力，顯示玉米殼水解物能促進高效硝酸鹽去除，減少有害中間產(chǎn)物。

 

 

 

3. 生物量（OD600）和pH數(shù)據(jù)：來自Fig.7和Fig.8，顯示菌株生長和環(huán)境變化。研究意義是了解反硝化過程中的微生物活性和pH影響，優(yōu)化條件以維持穩(wěn)定反硝化。

4. 氧化亞氮（N2O）濃度數(shù)據(jù)：來自Fig.9和Fig.11，使用丹麥Unisense電極測量，顯示N2O排放量。研究意義是評估反硝化過程的環(huán)保性，證明玉米殼水解物能最小化溫室氣體排放，支持可持續(xù)廢水處理。

 

 

 

結(jié)論：

1. 玉米殼水解物經(jīng)過適當(dāng)預(yù)處理后，可作為經(jīng)濟碳源，使TAD1菌株實現(xiàn)高效反硝化，速率達24.55 mg L?1 h?1，去除效率96.91%。

2. 在初始pH 8.5和高硝酸鹽負(fù)荷下，N2O排放極低，最高僅占反硝化NO3-N的0.265%，且最終被耗盡。

3. 玉米殼水解物能耐受pH波動和高硝酸鹽負(fù)荷，是一種理想碳源，適用于好氧反硝化系統(tǒng)，具有低N2O排放優(yōu)勢。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量N2O數(shù)據(jù)的研究意義在于精確量化反硝化過程中的溫室氣體排放，從而評估環(huán)境 impact。在本文中，N2O測量結(jié)果顯示，使用玉米殼水解物作為碳源時，N2O排放量極低（如Fig.9中，初始pH 8.5時最大N2O僅為0.053% of denitrified NO3-N），這證實了TAD1菌株在好氧條件下能有效還原N2O，避免積累。相比其他研究（如使用鈉琥珀酸鹽的Pseudomonas stutzeri），本方法顯著降低了N2O排放，突出了玉米殼水解物在減少碳足跡方面的優(yōu)勢。此外，測量數(shù)據(jù)還揭示了pH和硝酸鹽濃度對N2O排放的影響（如Fig.11顯示高硝酸鹽負(fù)荷下N2O增加但最終耗盡），為優(yōu)化反硝化工藝提供了關(guān)鍵參數(shù)，支持了廢水處理的可持續(xù)性和氣候友好性。