背景介紹:減少一氧化二氮(N2O)的產(chǎn)生的方法已成為當下的研究重點,由于N2O對全球變暖的影響比二氧化碳(CO2)強300倍以上,并且對臭氧層的破壞有貢獻。研究人員發(fā)現(xiàn)廢水處理廠(WWTP)是N2O排放的重要來源,尤其是那些采用涉及硝化和反硝化的生物脫氮工藝的工廠。一個階段的完全自養(yǎng)性氮去除過程在一個反應器中結合了部分硝化(PN)和厭氧銨氧化(anammox)。它具有處理高強度銨和低C/N比的廢水的巨大潛力。由于該過程需要較少的曝氣且無需添加外部有機碳,因此越來越多地用于污水處理廠。本論文研究人員研究通過微電極測量研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。在低氧條件下進行了多批實驗,所測生物膜從測序間歇生物膜反應器(SBBR)取樣。含氮化合物的轉化途徑分析了生物膜根據(jù)微剖面濃度,NH4+,NO2-和NO3-。微電極技術提供了高空間和時間分辨率,可以選擇性地測量基質內(nèi)的濃度,也可以用于非破壞性地確定生物膜的微剖面,這有利于分析氮化合物轉化和生物膜生成一氧化二氮(N2O)。


Unisense微電極系統(tǒng)的應用


使用克拉克型氧氣和氧化亞氮微電極(Unisense),尖端直徑分別為10μm和25μm,響應時間約為10s-30s,測量了生物膜中DO和N 2 O的微剖面濃度。使用氧氣和氧化亞氮微電極測試生物膜內(nèi)的-200μm至750μm的范圍內(nèi)(生物膜表面深度為0μm)獲取4 h后(添加底物后)的測試DO,N2O的微剖面濃度。


實驗結果:應用微電極系統(tǒng)(unisense)測量研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。在低氧條件下進行了多批實驗,所測生物膜從測序間歇生物膜反應器(SBBR)取樣。研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。研究人員通過生物膜中溶解氧、氮化合物和一氧化二氮的濃度微譜表征了氮轉化和一氧化二氮產(chǎn)生的途徑。研究發(fā)現(xiàn)NH2OH氧化、AOB反硝化和HD是生物膜產(chǎn)生N2O的途徑。而NO2-在生物膜生成一氧化二氮中起關鍵作用。

圖、應用unisense微電極系統(tǒng)用于測量生物膜中底物生物膜濃度的分批測試系統(tǒng)的示意圖。


使用unisense氧化亞氮微電極分別在4h時后測試批處理的生物膜中的測試濃度微剖面圖。其中A,B,C對應的是不同批次的實驗。


結論與展望:研究人員依據(jù)三個主要途徑研究了生物脫氮過程中的N2O產(chǎn)生:羥胺(NH 2OH)氧化,氨氧化細菌(AOB)脫氮和異養(yǎng)反硝化(HD)。研究人員通過微電極剖面系統(tǒng)(unisense)測量研究了生物膜在一級完全自養(yǎng)脫氮過程中產(chǎn)生的一氧化二氮。在低氧條件下進行了多批實驗,所測生物膜是從測序間歇生物膜反應器(SBBR)取樣。由于unisense微電極技術提供了高空間和時間分辨率,可以選擇性地原位測量基質生物膜內(nèi)的氧化亞氮的濃度,也可以用于非破壞性地確定生物膜的微剖面測試,這有利于分析氮化合物轉化和生物膜生成一氧化二氮。從而了解了含氮化合物的轉化途徑并分析了生物膜根據(jù)微剖面濃度,NH4+,NO2-和NO3-。從N2O濃度微譜和氮化合物轉化途徑等方面推導出生物膜產(chǎn)生一氧化二氮的潛在途徑和影響因素。