研究简介：氧化亚氮（N₂O）是一种强效温室气体，其增温潜势是二氧化碳的310倍。在污水生物处理过程中，即使是微量的N₂O排放，也会显著增加污水处理厂的碳足迹。需氧颗粒污泥（AGS）技术因其高效的脱氮性能和快速沉降特性而备受关注，但该系统在实际运行中往往伴随较高的N₂O排放。过去的研究常受异养反硝化菌的干扰，导致对氨氧化细菌（AOB）产N₂O的真实机制及其与颗粒尺寸关系的认知存在重大空白。本研究旨在通过高精度的生化与同位素手段，排除异养菌干扰，深入揭示不同工况下AOB产生N₂O的路径贡献，并探寻有效的减排策略。


研究团队设计了全面的批次实验，结合实时气体监测与N₂O位点偏好（SP）同位素分析技术，系统考察了不同颗粒尺寸（0.5、1.0、2.0 mm）、溶解氧（DO，0.5~3.0 mg-O₂/L）及亚硝态氮（NO₂⁻，0~50 mg-N/L）条件对AOB产N₂O途径（羟胺途径与AOB反硝化途径）的影响。研究结果表明N₂O的排放因子与颗粒尺寸、NO₂⁻浓度呈正相关，与DO浓度呈负相关。具体而言，较小颗粒（0.5 mm）、高DO（3.0 mg-O₂/L）和无NO₂⁻的环境能最大程度抑制N₂O的产生。机制解析发现，提高DO会与AOB反硝化途径竞争电子，从而削弱该路径的贡献；而在无NO₂⁻条件下，较小颗粒（0.5 mm）能显著增强羟胺（NH₂OH）途径的主导作用（贡献率达59.4%~100%）。相比之下，较大颗粒（2.0 mm）则极易诱导AOB反硝化途径（贡献率近100%），导致N₂O排放量急剧攀升。最终验证显示，在最优条件（颗粒尺寸统一为0.5 mm，DO为3.0 mg-O₂/L，NO₂⁻为0 mg-N/L）下，AGS系统的N₂O足迹相较于混合尺寸系统大幅降低了42%。本研究从机制和同位素层面证实了“减小颗粒尺寸”是抑制AOB反硝化、强化羟胺途径从而有效削减N₂O排放的关键策略。本研究成果为通过调控颗粒粒径分布来优化AGS系统运行、实现污水处理行业的低碳减排提供了坚实的理论依据与数据支撑。


Unisense氧化亚氮微电极的应用


选用了带有不锈钢保护套的 N₂O-R型微电极（Unisense A/S, Denmark），其测量范围为 0-53.3 mg N₂O-N/L，能够在复杂的活性污泥体系中保持稳定的理化抗性。在每次批次实验前，均使用新鲜制备的饱和N₂O溶液对该微电极进行五点校准，消除基线漂移误差。研究人员在探究不同颗粒尺寸、DO和NO₂⁻水平对氨氧化细菌（AOB）产N₂O影响的批次实验中，使用了N2O微电极对液相中的溶解态N₂O进行实时、在线的原位监测。在污水生物处理体系中，绝大部分N₂O会以气体形式逸出，残留在液相中的溶解态N₂O浓度往往极低（常低于常规传感器的检测限）。然而液相N₂O是连接微生物生化反应与气相释放的必经桥梁。Unisense N₂O微电极凭借其极高的灵敏度（检测下限可达nM级别），成功“捕捉”到了这些微量的液相N₂O信号，填补了气相监测之外的数据空白。  


实验结果


结果表明，N₂O的排放因子与颗粒尺寸、NO₂⁻浓度呈正相关，与DO浓度呈负相关。具体而言，较小颗粒（0.5 mm）、高DO（3.0 mg-O₂/L）和无NO₂⁻的环境能最大程度抑制N₂O的产生。机制解析发现，提高DO会与AOB反硝化途径竞争电子，从而削弱该路径的贡献；而在无NO₂⁻条件下，较小颗粒（0.5 mm）能显著增强羟胺（NH₂OH）途径的主导作用。相比之下，较大颗粒（2.0 mm）则极易诱导AOB反硝化途径（贡献率近100%），导致N₂O排放量急剧攀升。最终验证显示，在最优条件（颗粒尺寸统一为0.5 mm，DO为3.0 mg-O₂/L，NO₂⁻为0 mg-N/L）下，AGS系统的N₂O足迹相较于混合尺寸系统大幅降低了42%。

图1、N2O 排放系数与（A）颗粒大小、（B）NO2− 浓度、（C）溶解氧浓度之间的关系，分别对应着上述三个因素。（D）不同粒径、溶解氧浓度和二氧化氮浓度下的 N2O 排放系数。

图2、特定的 N2O 生成速率与（A）颗粒大小、（B）NO2− 浓度、（C）DO 浓度之间存在关系。分别对应于（D）不同颗粒大小、DO 和 NO2− 浓度下的 N2O 生成速率

图3、特定的 AOR 与（A）颗粒大小、（B）二氧化氮浓度、（C）溶解氧浓度之间的关系，分别对应着上述三种情况。（D）不同粒径、溶解氧和亚硝酸盐浓度条件下特定的 N2O 生成速率与 AOR 之间的相关性（表 S6）。I、II、III 和 IV 分别代表亚硝酸盐浓度为 0、10、30 和 50 毫克氮/升。星号（*）表示与对照组相比存在显著差异。

图4、在不同溶解氧（DO）和二氧化氮（NO2−）浓度条件下，由粒径分别为（A）0.5 毫米、（B）1.0 毫米和（C）2.0 毫米的颗粒进行的批量测试过程中产生的 N2O 的生成速率（SP）级别

图5、研究对在不同颗粒大小、溶解氧浓度和亚硝酸盐浓度条件下，N2O 生成的两种途径的相对贡献进行了估算：分别是来自颗粒尺寸为（A）0.5 毫米、（B）1.0 毫米和（C）2.0 毫米的颗粒的氨氧化细菌反硝化途径，以及来自颗粒尺寸为（D）0.5 毫米、（E）1.0 毫米和（F）2.0 毫米的氨水途径。


结论与展望


减缓氧化亚氮（N₂O）排放对于抵消好氧颗粒污泥（AGS）系统中的碳足迹具有重要意义。然而关于N₂O的产生机制及其途径贡献，目前仍存在显著的知识空白。为解决这一问题，本研究全面探讨了不同颗粒尺寸、溶解氧（DO）和亚硝酸盐（NO₂⁻）水平对AGS系统硝化过程中氨氧化细菌（AOB）产生N₂O的影响。本研究证实了在好氧颗粒污泥（AGS）系统中，通过调控颗粒尺寸、溶解氧（DO）和亚硝态氮（NO₂⁻）水平可显著抑制氨氧化细菌（AOB）的N₂O产生，其中减小颗粒尺寸至0.5 mm并结合高DO（3.0 mg-O₂/L）与无NO₂⁻积累是实现N₂O深度减排的最优策略。


机制研究表明，较高DO会与AOB反硝化途径竞争电子从而削弱其贡献，而较小颗粒因具有更大的好氧区体积，能有效促进羟胺（NH₂OH）途径的主导地位（贡献率达59.4%~100%），避免了NO₂⁻向内扩散诱发的AOB反硝化途径（该途径在大颗粒中贡献率近100%）。最终在统一粒径为0.5 mm的AGS系统中，相较于混合粒径系统，N₂O足迹成功降低了42%，这为污水处理厂通过物理筛分筛选小粒径颗粒以达成碳中和目标提供了坚实的理论依据与工程实践指导。


在污水生物处理体系中，绝大部分N₂O会以气体形式逸出，残留在液相中的溶解态N₂O浓度往往极低（常低于常规传感器的检测限）。然而液相N₂O是连接微生物生化反应与气相释放的必经桥梁。Unisense N₂O微电极凭借其极高的灵敏度（检测下限可达nM级别），成功“捕捉”到了这些微量的液相N₂O信号，填补了气相监测之外的数据空白。利用Unisense微电极极高的液相检测灵敏度，结合气相在线监测和最终的同位素位点偏好（SP）分析，构建了一个严密的三位一体监测网络。微电极提供的液相高保真数据与气相数据交叉验证，形成了完美的物料平衡闭环。丹麦unisense公司作为全球唯一实现近零漂移与超高稳定性的制造商，unisense微电极彻底解决了长期监测中的基线漂移难题。同时作为全球唯一能精准捕捉水中极低浓度溶解气体（包括微量氧、H₂S、H₂、NO及N₂O），兼具全球最快的响应时间（毫秒级），可完美同步动态代谢过程与高速剖面扫描。并能深入微界面进行原位剖析。