The effect of magnetite on the start-up and N2O emission reduction of the anammox process

磁鐵礦對厭氧氨氧化過程啟動和N2O排放減少的影響

來源：RSC Advances, Volume 6, 2016, Pages 99989-99996

《RSC 進展》，第6卷，2016年，第99989-99996頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究通過設計一種以磁鐵礦作為功能性生物載體的新型上流式厭氧污泥床反應器，觀察磁鐵礦在厭氧氨氧化啟動和穩定階段的影響。連續實驗表明，磁鐵礦能縮短內源反硝化階段并提高氮去除率。在150天時，R1（添加磁鐵礦）的氮去除率從-0.06提高到1.17 kg N/m3/d，R0（對照組）從-0.08提高到1.18 kg N/m3/d。方差分析顯示R1與R0在氮去除率上有顯著差異。qPCR、FISH和Illumina MiSeq測序結果證實磁鐵礦促進了厭氧氨氧化細菌的增殖。降低的N2O排放（25.06±15.27 μmol/L）和nosZ基因拷貝數減少表明該磁鐵礦-厭氧氨氧化反應器能減少富氨廢水處理中的N2O排放。

 

研究目的

研究目的是驗證磁鐵礦對厭氧氨氧化過程啟動的影響，闡明磁鐵礦對厭氧氨氧化細菌增殖和微生物群落分布的作用，并調查磁鐵礦對N2O排放減少的貢獻。具體目標包括評估磁鐵礦作為生物刺激劑在厭氧氨氧化反應器中的潛力，并探討其機制。

 

研究思路

研究思路包括設計兩個上流式厭氧污泥床反應器（R1添加磁鐵礦，R0為對照組），使用混合污泥（厭氧顆粒污泥和厭氧氨氧化污泥）作為接種物，在31°C下運行。合成廢水含有銨和亞硝酸鹽作為氮源。通過監測氮濃度、N2O排放、微生物群落變化（使用qPCR、FISH和Illumina MiSeq）以及酶活性，評估磁鐵礦的影響。實驗從2015年9月4日運行至2016年1月1日，逐步提高氮負荷率以測試穩定性。

 

測量的數據及研究意義

1 氨氮和亞硝酸鹽濃度變化數據：來自Fig. 2A和B，顯示R1在啟動階段（第5天）氨氮和亞硝酸鹽濃度更快降低，而R0直到第14天才結束內源反硝化階段。研究意義是證明磁鐵礦能縮短啟動時間，加速厭氧氨氧化活性恢復，通過降低溶解氧和提供鐵離子改善環境條件。

 

2 硝酸鹽濃度和氮去除率數據：來自Fig. 2C和Fig. 3，顯示R1在高速運行階段（第120-147天）的硝酸鹽濃度較低，氮去除率略高（1.17 vs. 1.18 kg N/m3/d），但總氮去除率在啟動階段更高（65.8% vs. 59.3%）。研究意義是表明磁鐵礦能提高系統穩定性，減少硝酸鹽積累，可能通過促進反硝化或厭氧氨氧化路徑。

 

3 N2O排放數據：顯示R1的N2O濃度較低（25.06±15.27 μmol/L vs. R0的32.79±22.44 μmol/L），減少率23.6%。研究意義是直接量化溫室氣體排放，證明磁鐵礦能降低N2O產生，通過抑制nosZ基因表達或改變微生物代謝。

4 qPCR數據：來自Fig. 4，顯示R1的厭氧氨氧化細菌16S rRNA基因拷貝數較高（2.59±0.009×10^8 copies/ng vs. R0的2.44±0.004×10^8 copies/ng），denitrifier基因（nirK、nirS）拷貝數也更高，但nosZ基因拷貝數較低（2.26±0.029×10^6 copies/ng vs. R0的2.47±0.137×10^6 copies/ng）。研究意義是揭示磁鐵礦促進厭氧氨氧化細菌增殖，同時影響反硝化細菌群落，可能通過鐵離子增強酶活性。

 

 

5 FISH和Illumina MiSeq數據：來自Fig. 5，顯示R1的厭氧氨氧化細菌比例略高（58.88% vs. R0的57.35%），Planctomycetes序列更多（35.64% vs. 33.41%）。研究意義是可視化微生物群落變化，證實磁鐵礦富集了厭氧氨氧化細菌，并降低微生物多樣性（Shannon指數從6.95降至6.24），表明系統更專一。

 

 

6 鐵離子濃度和ORP數據：顯示R1的鐵離子濃度較高（第14天35.29 mg/L，第15-50天141.15 mg/L），ORP更適宜（105.9 mV vs. R0的120.6 mV）。研究意義是提供環境參數，解釋磁鐵礦通過釋放鐵離子和降低氧化還原電位，優化厭氧氨氧化條件。

 

結論

1 磁鐵礦能顯著縮短厭氧氨氧化啟動時間，加速活性恢復，內源反硝化階段從14天縮短至4天。

2 磁鐵礦促進厭氧氨氧化細菌增殖，提高氮去除率，并在高負荷下維持系統穩定性，減少生物質洗出。

3 磁鐵礦降低N2O排放，通過抑制nosZ基因表達，減少溫室氣體產生，使反應器更環保。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量的N2O排放數據的研究意義在于提供高精度、實時的溶解N2O濃度監測，從而準確評估厭氧氨氧化過程中的溫室氣體排放動態。在本文中，電極數據（第120-150天測量）顯示R1的N2O濃度顯著低于R0，減少率達23.6%，這直接證實了磁鐵礦能有效抑制N2O產生。結合qPCR中nosZ基因拷貝數降低，表明磁鐵礦可能通過影響反硝化細菌的氮氧化物還原酶活性，減少N2O積累。這種測量方法避免了傳統氣相色譜的延遲，提供了連續數據，幫助理解磁鐵礦在微生物代謝中的調節作用，對于優化廢水處理工藝以減少碳足跡具有重要應用價值。