摘要

從宏觀和微觀角度研究了氧限制條件下，pH 對實驗室規(guī)模部分亞硝化序批式反應(yīng)器一氧化二氮排放的影響。在單個周期的曝氣階段，當(dāng)初始 pH 從 7.5 增加到 8.5 時，N2O 排放量減少。通過應(yīng)用微電極，在整個污泥聚集體內(nèi)部觀察到了 N2O 的產(chǎn)生，并且其產(chǎn)量隨 pH 從 8.5 降低到 7.0 而增加。在 pH 8.0 和 8.5 時，N2O 主要在污泥聚集體的外層 (<1000μm) 產(chǎn)生，那里主要發(fā)生亞硝化反應(yīng)。在 pH 7.0 和 7.5 時，N2O 的產(chǎn)生主要在內(nèi)層 (>1000μm) 觀察到，那里溶解氧幾乎耗盡，表明此處的主要途徑是反硝化作用。在氧限制條件下，pH 降低導(dǎo)致來自反硝化途徑的 N2O 排放增加。

1. 引言

一氧化二氮 通常從生物脫氮過程中排放，這是一個問題，因為 N2O 是一種強大的溫室氣體，其溫室效應(yīng)比二氧化碳強得多（約300倍）。人們普遍認(rèn)為，氨氧化細(xì)菌是 BNR 過程中 N2O 排放的主要貢獻(xiàn)者；因此，部分亞硝化反應(yīng)器中的 N2O 排放越來越受到關(guān)注。

N2O 排放受 BNR 系統(tǒng)中工藝參數(shù)（例如，溶解氧濃度、pH 和底物濃度）的影響。低 DO 濃度、高 NO2- 濃度和進(jìn)水 NH4+ 濃度的變化已被確定為促進(jìn) N2O 形成的因素。pH 與 BNR 過程中 N2O 排放的關(guān)系也有報道。Pan 等人發(fā)現(xiàn)，在利用甲醇的反硝化菌進(jìn)行反硝化過程中，低 pH 值時 N2O 會積累。Law 等人在一個 PN 系統(tǒng)中，在 pH 8.0 時獲得了最大的 N2O 排放速率，并發(fā)現(xiàn) N2O 排放與氨氧化速率相關(guān)。在以往的研究中，N2O 排放速率和動態(tài)特性得到了很好的研究，而微觀尺度的 N2O 產(chǎn)生則很少被表征。

理論上，N2O 首先在微生物聚集體內(nèi)部產(chǎn)生，然后排放到大氣中。因此，測量污泥聚集體內(nèi)部的 N2O 產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化可能揭示 N2O 產(chǎn)生最可能的途徑。微電極是用于微環(huán)境測量的最合適工具之一。Satoh 等人研究了不同操作條件下生物膜內(nèi)硝化活性的變化。Rathnayake 等人觀察到 N2O 主要在顆粒的外層產(chǎn)生，那里 AOB 表現(xiàn)出高活性，并反映出 AOB 可能對 N2O 的產(chǎn)生負(fù)責(zé)。然而，N2O 產(chǎn)生途徑隨操作條件的變化以前尚未有報道。

在本研究中，一個實驗室規(guī)模的 SBR 以合成無機廢水為進(jìn)水，在氧限制條件下運行以實現(xiàn)部分亞硝化。首先從宏觀角度研究了 N2O 排放。然后，從微觀角度，利用微電極量化微生物聚集體內(nèi)部的微環(huán)境和氮轉(zhuǎn)化。對獲得的微生物活性進(jìn)行了與 N2O 產(chǎn)生的相關(guān)性分析，旨在探索 pH 如何影響 N2O 的產(chǎn)生和排放。

2. 材料與方法

2.1. 實驗裝置

一個工作體積為 4 L 的實驗室規(guī)模 SBR 用于部分亞硝化。一個周期包括 5 分鐘進(jìn)水期、320 分鐘曝氣期、30 分鐘沉降期和 5 分鐘排水期。排水體積為 2.0 L，交換體積為 50%。每天排出 200 mL 混合液，使污泥停留時間為 20 天。本研究期間，混合液懸浮固體濃度約為 3000 mg L-1。

在曝氣期間，使用質(zhì)量流量控制器保持恒定的空氣流量 (0.32 L min-1)，曝氣 5 分鐘后，主體液體中的平均 DO 濃度為 0.33 ± 0.06 mg L-1。通過水套將反應(yīng)器溫度維持在 27 ± 1 °C。

2.2. 生物質(zhì)與合成廢水

在之前的研究中，通過接種常規(guī)污泥成功啟動并穩(wěn)定運行了部分亞硝化，并研究了 N2O 排放的特征。如下所述，使用相同的生物質(zhì)進(jìn)一步探索 pH 對 N2O 排放的影響。

合成廢水含有 NH4Cl（氮源）、NaHCO3（碳源和緩沖劑）和微量元素。NH4+ 和 NaHCO3 的濃度分別為 600 mg N L-1 和 5400 mg L-1。如 Ju 等人所述添加微量元素溶液。使用 HCl (0.5 mol L-1) 和 NaOH (0.5 mol L-1) 將初始 pH 值調(diào)節(jié)至 7.5、8.0 和 8.5 等不同值。

2.3. 化學(xué)分析

根據(jù) APHA 的標(biāo)準(zhǔn)方法測定 NH4+-N、揮發(fā)性懸浮固體和總懸浮固體。使用離子色譜儀測定硝酸鹽氮和 NO2--N。分別使用 pH 計和 DO 儀直接監(jiān)測 pH 和 DO 濃度。

2.4. DNA 提取、PCR-DGGE、克隆與測序

從 SBR 中收集混合液，并使用細(xì)菌基因組小量提取試劑盒提取總 DNA。使用通用引物 F357（帶 GC 夾）和 R518 進(jìn)行 PCR 擴增。根據(jù) Lv 等人的方法進(jìn)行 DGGE 分析、克隆和測序。