3.4. 污泥聚集體內部的氮轉化和 N2O 產生


微電極測量的濃度剖面如圖4(A-D)所示。污泥絮體內部微剖面的趨勢在不同 pH 值下相似。氧氣主要在外層被消耗，在 500 μm 深度處從約 30 μmol L-1 的濃度降至 10 μmol L-1 以下。因此，形成了與 SBR 曝氣期間類似的氧限制條件。隨著深度增加，NH4+ 濃度降低，NO2- 濃度增加，這主要在外層 (<1000μm) 觀察到。絮體內部的 pH 值降低。

圖4. (A–D) 污泥團聚體內部DO、pH、銨根+、二氧化氮?和一氧化二氮的穩態微剖面（A–D分別對應pH值為7.0、7.5、8.0和8.5的情況）。(E–H) 污泥團聚體內部銨根+、二氧化氮?和一氧化二氮的凈體積產生或消耗速率（E–H分別對應pH值為7.0、7.5、8.0和8.5的情況）。


在不同 pH 值下，N2O 的濃度隨著穿透深度的增加而增加，對于 pH 值 7.0、7.5、8.0 和 8.5，其增加值分別為 104.85、83.38、71.44 和 62.49 μmol L-1。因此，隨著 pH 升高，N2O 的產生量減少，這與反應器中觀察到的 N2O 排放一致。


計算了凈體積消耗或產生速率，結果如圖4(E-H)所示。在不同 pH 值下，NH4+ 的消耗與 NO2- 的產生一致，尤其是在外層 (<1000μm)，表明發生了亞硝化反應。在整個絮體內都觀察到了 N2O 的產生，但趨勢因 pH 值不同而異。在 pH 值 8.0 和 8.5 時，N2O 主要在外層 (<1000μm) 產生，那里主要發生 NH4+ 氧化，并且隨著深度增加，凈 N2O 產生速率降低。然而，在 pH 值 7.0 和 7.5 時，在外層，凈體積 N2O 產生速率隨深度增加而增加，并且在內層 (>1000μm) 觀察到了更高的 N2O 產生速率，那里 DO 幾乎耗盡。


表1 污泥聚集體內部 N2O 產生的量化。

pH 外層 (0-1000μm) 的 N2O 產生 內層 (1000-3000μm) 的 N2O 產生 總的 N2O 產生
濃度 (μmol L-1) 比例 (%) 濃度 (μmol L-1) 比例 (%) 濃度 (μmol L-1) 比例 (%)
8.5 37.7 ± 2.5 60.5 ± 3.7 24.6 ± 5.9 39.5 ± 12.2 62.3 ± 10.8 100
8.0 43.6 ± 16.2 61.3 ± 3.4 27.5 ± 7.6 38.7 ± 9.9 71.2 ± 12.7 100
7.5 26.4 ± 2.4 31.8 ± 7.5 56.6 ± 7.1 68.2 ± 19.5 82.9 ± 11.3 100
7.0 32.6 ± 6.2 31.2 ± 2.4 71.8 ± 16.2 68.8 ± 5.6 104.3 ± 21.3 100


4. 討論


凈體積速率顯示，N2O 在整個污泥聚集體中產生，但微生物反應在外層和內層是不同的。在外層，NH4+ 的消耗與 NO2- 的產生一致，表明是亞硝化反應的活躍區。然而，由于在氧限制條件下反硝化和硝化作用都可能發生，因此無法確定外層 N2O 產生的途徑。在內層，那里 DO 幾乎耗盡，在這種缺氧條件下，反硝化途徑是 N2O 產生的主要來源。Rathnayake 等人在分層顆粒內部也觀察到了亞硝化區外產生的 N2O，而少量 NO2 如何在這樣的缺氧區產生需要進一步研究。


確定微生物群落結構對于闡明污泥聚集體中生物反應的機制至關重要。在本研究中，檢測到了亞硝化單胞菌屬的 AOB，它們可以將 NO2- 還原為 N2O 或 N2，即硝化菌反硝化。也檢測到了 β-變形菌門和黃桿菌門的反硝化異養菌。Gabarro 等人證明大多數 β-變形菌門能夠將 N2O 反硝化為 N2，而包括黃桿菌門在內的大多數擬桿菌門由于缺乏 nosZ 基因而不能將 N2O 反硝化。因此，AOB（亞硝化單胞菌屬）和反硝化異養菌（黃桿菌屬）在缺氧條件下都可能增加 N2O 的產生，但難以確定本研究 N2O 產生的反硝化途徑由誰負責。


為了確定 N2O 產生如何受 pH 影響，量化了不同 pH 值下外層和內層的 N2O 產生，并總結在表 1 中。


在 pH 8.0 和 8.5 時，N2O 主要在外層產生，分別占總 N2O 產量的 61.3% 和 60.5%。相反，在 pH 值 7.0 和 7.5 時，外層產生的 N2O 僅分別占 31.2% 和 31.8%，表明反硝化是 N2O 產生的主要途徑。因此，可以得出結論，隨著 pH 降低，N2O 產生的反硝化途徑變得更加有利，這與 Wrage 等人的研究一致。這可能是 SBR 單個周期中 N2O 排放峰值隨初始 pH 值增加而降低的主要原因。


在曝氣階段的后期，不同 pH 值下 N2O 排放的趨勢發生了變化。在初始 pH 值 8.0 和 8.5 時，隨著反應的進行，N2O 排放增加。這可以通過反硝化途徑產生的 N2O 增加來解釋。隨著 NH4+ 氧化的進行，產生更多的 NO2-，同時 pH 降低，這兩者都會導致反硝化產生的 N2O 增加。然而，在初始 pH 7.5 時，沒有觀察到 N2O 排放有明顯增加，這可能是因為 pH 對 N2O 產生的兩種途徑影響不同。一方面，較低的 pH 促進反硝化，導致產生更多的 N2O；另一方面，當 pH 降至 7.23 以下時，AOB 活性降低，這可能會降低 N2O 的產生。


5. 結論


在氧限制條件下，初始 pH 對實驗室規模部分亞硝化 SBR 中 N2O 排放的影響表明，AOB 活性隨 pH 從 8.5 降低到 8.0 和 7.5 而增加，并導致更多的 N2O 排放。通過使用微電極，量化了微生物聚集體內部的 N2O 產生。結果表明，pH 從 8.5 降低到 7.0 導致來自反硝化途徑的 N2O 產生增加。