研究簡介:傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在曝氣能耗高、碳源需求大等問題。短程硝化反硝化通過將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，可節(jié)省25%的曝氣量和40%的碳源消耗，尤其適用于高氨氮廢水處理。NO作為氮循環(huán)中的關鍵中間體，既有毒性作用，又可能通過選擇性抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）促進PND的穩(wěn)定運行。然而其在高氨氮廢水處理中的具體角色尚不明確。本研究聚焦于高氨氮廢水的生物處理，重點探討了在序批式生物膜反應器（SBBR）中實現(xiàn)短程硝化反硝化（PND）的可行性，并深入分析了一氧化氮（NO）在該過程中的產(chǎn)生機制及其功能作用。研究旨在為高氨氮廢水的高效低碳處理提供理論依據(jù)和技術支持。研究采用SBBR處理氨氮濃度為1000 mg-N/L的合成廢水，碳氮比（C/N）為5。反應器運行142天，每個運行周期包括缺氧、好氧曝氣、沉淀等階段，通過在線監(jiān)測氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、溶解氧、NO和N?O濃度，分析污染物轉化規(guī)律。同時，通過16S rRNA高通量測序技術解析微生物群落結構演變。本研究首次系統(tǒng)揭示了NO在高氨氮廢水短程脫氮中的“雙刃劍”作用：適量NO可促進PND穩(wěn)定，而過量則導致脫氮效率下降。生物膜結構形成的氧梯度為同步硝化反硝化提供了理想微環(huán)境，顯著提升了脫氮效率。研究成果為高氨氮廢水處理的低碳化優(yōu)化提供了新思路，對實際工程中工藝調控與溫室氣體減排具有重要指導意義。

Unisense一氧化氮電極的應用

使用了Unisense NO/N?O-500型微電極，專門用于實時監(jiān)測水體中溶解性一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的濃度變化。將Unisense微電極直接放置于生物膜反應器內部進行原位測量，避免了傳統(tǒng)采樣方式可能造成的氣體損失或濃度變化。測量過程中采用10秒間隔的連續(xù)讀數(shù)模式，實現(xiàn)了對NO和N?O濃度的高頻捕捉。在缺氧階段初期，NO濃度變化與亞硝酸鹽濃度減少高度同步，證實了異養(yǎng)反硝化對NO產(chǎn)生的貢獻。而在好氧階段，NO的積累模式則主要反映了AOB反硝化途徑的活性。同步監(jiān)測N?O濃度（最高0.11 mg-N/L），評估了PND工藝的溫室氣體排放潛能。測試數(shù)據(jù)顯示在好氧高DO條件下N?O積累有限，表明SPND過程有助于減少溫室氣體排放。

實驗結果

SBBR在C/N=5條件下，平均總無機氮（TIN）去除率達83.37±6.93%，同步短程硝化反硝化（SPND）效率達66.42%。系統(tǒng)對水質波動和氨氮負荷沖擊表現(xiàn)出強耐受性，能快速恢復穩(wěn)定運行。NO主要產(chǎn)生于好氧階段，最高濃度為0.19 mg-N/L。其積累途徑包括羥胺（NH?OH）不完全氧化、硝化菌反硝化和異養(yǎng)反硝化。好氧階段的NO積累與高氨氮負荷下的NH?OH氧化密切相關。接種污泥中微生物多樣性較高，穩(wěn)定運行后SBBR生物膜中群落結構顯著簡化，優(yōu)勢菌群更為集中。Thauera、Stappia和Nitrosomonas等具有脫氮功能的菌屬顯著富集，成為PND過程的核心功能菌。高濃度游離氨（FA，最高93.09 mg/L）和NO（0.19 mg-N/L）對NOB（如Nitrospira）產(chǎn)生協(xié)同抑制，促使PND快速建立并長期穩(wěn)定。NO通過毒性作用選擇性抑制NOB活性，而FA和游離亞硝酸（FNA）進一步強化該效應。

圖1、序批式生物膜反應器SBBR運行測試的示意圖。

圖2、實驗期間氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度和TINRE的變化曲線，圖中線條標示了SBBR的不同階段。

圖3、在典型循環(huán)（第一階段穩(wěn)定運行期間）放電率為20%時，氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、TIN、DO、NO和N 2 O水平以及pH值的變化。

圖4、不同初始N2O濃度下活性污泥混合物中N2O的總容積傳質系數(shù)。從圖中可以獲得六個燒杯（1#至6#）在不同初始N2O濃度下，活性污泥混合物中N2O的總容積傳質系數(shù)（KLa）。隨著初始N2O濃度的增加，KLa從0.008/min增加到0.014/min。

圖5、SBBR重啟后（第三階段初始階段）氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、TIN、DO和NO濃度以及pH值的變化。

結論與展望

一氧化氮（NO）是生物脫氮過程中的關鍵中間產(chǎn)物。然而，其作用和產(chǎn)生機制尚未完全闡明。本研究采用序批式生物膜反應器（SBBR）研究了高濃度氨氮廢水的快速脫氮及其NO的產(chǎn)生機制。SBBR中氨氮濃度為1000 mg-N/L，碳氮比為5，同步部分硝化反硝化效率達到66.42%，平均總無機氮去除率為83.37±6.93%。微生物群落分析表明，功能菌如陶厄氏菌屬（Thauera）、斯塔皮氏菌屬（Stappia）和亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）在快速脫氮過程中發(fā)揮著重要作用。NO的積累主要發(fā)生在好氧條件下，最高濃度為0.19 mg-N/L。NO的積累主要歸因于羥胺的不完全氧化、硝化反硝化作用和異養(yǎng)反硝化作用。NO與游離氨和游離亞硝酸對亞硝酸鹽氧化細菌的協(xié)同抑制作用，促進了部分硝化作用的快速建立和該過程的長期穩(wěn)定性。本研究為亞硝酸鹽氧化細菌抑制的潛在機制提供了新的見解。Unisense微電極是一種高精度的化學傳感器系統(tǒng)，Unisense微電極直接放置于生物膜反應器內部進行原位測量，避免了傳統(tǒng)采樣方式可能造成的氣體損失或濃度變化。測量過程中采用10秒間隔的連續(xù)讀數(shù)模式，實現(xiàn)了對NO和N?O濃度的高頻捕捉。高質量的數(shù)據(jù)為闡明短程脫氮過程中NO的產(chǎn)生機制和功能作用提供了不可替代的實驗證據(jù)，顯著提升了研究的科學價值和可靠性。本研究通過多角度解析SBBR中污染物轉化規(guī)律與微生物響應機制，深化了對短程脫氮過程中NO行為認知，為高效低碳廢水處理工藝的開發(fā)奠定了理論基礎。