The combination of nanobubble aeration and iron-based multi-carbon source composites achieves efficient aquaculture wastewater nitrogen removal

纳米气泡曝气与铁基多碳源复合材料相结合，实现水产养殖废水高效脱氮

来源：Chemical Engineering Journal 491 (2024) 152093

 

1. 摘要核心内容

 

论文提出了一种创新方法：结合纳米气泡曝气（Nanobubble Aeration） 和铁基多碳源复合材料（IMCSC），解决水产养殖废水脱氮的两大瓶颈——沉积物缺氧和电子供体不足。通过提升沉积物溶解氧（DO）水平和补充电子供体，显著富集土著好氧反硝化菌，实现高效脱氮。NIMCSC系统（纳米气泡+IMCSC）的总氮（TN）去除率达89.75%，较对照组提升7.46–14.07%。宏基因组分析揭示了微生物群落共生关系、电子传递增强及关键代谢途径的协同作用。

2. 研究目的

 

核心问题：水产养殖废水碳氮比低（C/N ≤ 4）、沉积物缺氧，抑制土著好氧反硝化菌活性。

创新方案：

纳米气泡曝气：解决沉积物缺氧问题（穿透水-沉积物界面，提升深层DO）；

IMCSC复合材料：提供缓释碳源（PCL+玉米芯）和电子供体（零价铁ZVI），补充电子供体短缺。

验证目标：评估该组合技术对脱氮效率、微生物群落及代谢机制的影响。

 

3. 研究思路

 

系统构建：

3组实验系统（MCSC、IMCSC、NIMCSC），模拟养殖池塘（水+沉积物）。

添加复合载体（MCSC或IMCSC），对比不同曝气方式（扩散曝气 vs 纳米气泡曝气）。

每日添加氮磷碳源（KNO₃、KH₂PO₄、CH₃COONa），模拟实际养殖输入（表1）。

性能监测：

水质参数（DO、TN、NO₃⁻-N、NH₄⁺-N、COD、pH）、沉积物TN、铁释放量。

微生物群落分析（16S rRNA测序）和宏基因组学（氮代谢、电子传递通路）。

机制解析：

通过共现网络、功能基因注释、电子传递系统活性（ETSA）揭示脱氮机理。

 

4. 测量数据及其研究意义

（1）溶解氧分布（丹麦Unisense微电极测量）

 

 

数据来源：图2b

关键结果：

纳米气泡曝气（NIMCSC）使沉积物氧渗透深度达 9.6 mm，显著高于扩散曝气（MCSC/IMCSC：~5.2 mm）和原始沉积物（5.2 mm）。

上覆水DO浓度：NIMCSC（7.52 mg/L）> IMCSC（6.57 mg/L）> MCSC（6.49 mg/L）。

研究意义：

直接证明纳米气泡穿透沉积物能力：纳米气泡（平均直径184.12 nm）因高拉普拉斯压力快速溶解释氧，突破传统曝气无法氧化深层沉积物的限制。

为好氧反硝化创造微环境：沉积物深层DO提升，使好氧反硝化菌（如Pseudomonas、Thiobacillus）在沉积物中富集，推动界面脱氮。

 

（2）水质参数动态变化

 

TN/NO₃⁻-N去除（图4）：

NIMCSC系统TN去除率89.75%（出水TN=1.49 mg/L），较IMCSC（82.29%）和MCSC（75.68%）显著提升。

NO₃⁻-N在NIMCSC中快速降解（第15天降至3.85 mg/L），无NH₄⁺积累。

 

 

COD与Fe释放（图3）：

IMCSC/NIMCSC的COD稳定在17–19 mg/L（达标排放），Fe²⁺缓释（0.126–0.137 mg/L）提供电子供体。

意义：证实IMCSC缓释碳源避免二次污染，ZVI氧化产物（Fe²⁺/H₂）补充电子供体。

 

 

（3）微生物群落与功能

 

群落结构（图5c、表2）：

 

 

NIMCSC富集混合营养型好氧反硝化菌：

水体：Hydrogenophaga（相对丰度23.77%，自养）

沉积物：Pseudomonas（4.13%，异养）、Thiobacillus（铁氧化菌）

共现网络（图6）：

 

NIMCSC中微生物共生关系增强（正相关边比例高），核心菌属（Haliangium）主导脱氮。

宏基因组（图7）：

 

NIMCSC中好氧反硝化基因（napAB、nirS、nosZ）表达上调，DNRA途径（nirBD）受抑制。

电子传递链基因（ccoN、CYTB）和TCA循环酶基因（IDH1、mdh）丰度增加。

 

（4）电子传递系统活性（ETSA）

 

数据来源：图S2

结果：NIMCSC沉积物ETSA较MCSC提升66.04%，表明电子传递效率增强。

意义：ZVI促进细胞色素c合成，加速NADH→NO₃⁻的电子传递，解决低C/N比限制。

 

5. 结论

 

技术优势：

纳米气泡曝气提升沉积物氧渗透深度（9.6 mm），IMCSC提供电子供体，协同促进土著好氧反硝化菌富集。

NIMCSC系统TN去除率89.75%，达养殖废水排放一级标准（SC/T 9101-2007）。

微生物机制：

富集混合营养菌（Hydrogenophaga、Pseudomonas），形成共生网络。

上调好氧反硝化基因（napAB、nosZ）和电子传递基因（ccoN、CYTB）。

代谢途径：

ZVI氧化驱动Fe²⁺/H₂提供电子，TCA循环生成NADH/FADH₂，电子传递链推动高效脱氮。

 

丹麦Unisense电极数据的核心研究意义

 

解决沉积物缺氧瓶颈：传统扩散曝气仅能氧化沉积物表层（≤5.4 mm），而Unisense微电极实测数据显示，纳米气泡使氧渗透深度达9.6 mm（图2b），直接验证其穿透沉积物孔隙的能力。

支撑好氧反硝化的可行性：沉积物深层DO提升，为好氧反硝化菌（如沉积物中的Pseudomonas）提供了生存微环境，打破“沉积物缺氧抑制好氧过程”的传统认知。

技术优势量化依据：该数据是NIMCSC系统高效脱氮的核心证据，阐明纳米气泡如何通过物理传递特性改变生化反应空间，为技术推广提供理论支撑。

 

总结：本研究通过纳米气泡曝气与IMCSC的协同，解决了水产养殖废水脱氮的氧限制和电子供体短缺问题，Unisense电极数据为纳米气泡的沉积物氧化能力提供了关键实证，宏基因组学则揭示了微生物代谢的强化机制，为养殖废水低碳处理提供了新思路。