巴西研究团队揭示曝气与进水策略对好氧颗粒污泥系统N2O排放的影响机制

作者及发表信息
本研究由巴西联邦大学团队（Federal University of Pernambuco和Federal University of Santa Catarina）主导，Bruna S. Magnus为第一作者，Rejane H. R. da Costa为通讯作者，成果发表于2025年的《Chemosphere》期刊（Volume 370, 143899）。

学术背景
研究领域：环境工程与微生物生态学交叉领域，聚焦污水处理过程中的温室气体减排。
研究动机：污水处理厂是N2O（一氧化二氮）的重要人为排放源，而好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术虽能高效脱氮除磷，但其N2O排放机制尚不明确。研究团队针对实际生活污水（municipal wastewater）处理中不同操作策略对N2O生成与排放的影响展开系统探究。
科学问题：间歇曝气（intermittent aeration）与分步进水（step-feeding）策略如何通过微生物代谢途径调控N2O排放？
研究目标：比较连续曝气（ANDC）与间歇曝气（ANDI）策略的脱氮效能与N2O排放差异，解析微生物群落与关键环境因子的关联。

研究方法与流程
1. 实验装置与运行
- 反应器设计：采用110升序批式反应器（SBR），高径比9:1，以模拟实际污水处理条件。
- 操作策略：
- ANDC策略：单次进水（60分钟）→ 闲置（30分钟）→ 连续曝气（234分钟）→ 沉淀（30分钟）。
- ANDI策略：分三步进水（每步20分钟进水+10分钟闲置+20分钟曝气），总运行时长达556天。
- 监测指标：实时在线监测溶解态与气态N2O浓度（Unisense微传感器）、氮磷去除效率、污泥特性（SVI30、粒径分布）及微生物群落（16S rRNA高通量测序）。

1. 数据分析方法

   • N2O排放量化：通过浓度-时间曲线积分计算单周期排放量，结合IPCC标准计算人均年排放因子（EF）。
     
   • 主成分分析（PCA）：关联N2O排放与NO2−-N、NO3−-N、PO43−-P等变量，解析主导因素。
     
   • 微生物群落分析：基于MiSeq Illumina平台测序，使用Silva数据库进行物种注释，重点关注反硝化菌（如Thauera）和聚磷菌（PAOs）。
     

2. 创新方法

   • 动态监测技术：首次在AGS系统中整合在线N2O微传感器与气相分析仪（Guardian SP），实现分钟级分辨率监测。
     
   • 操作策略优化：提出“分步进水+间歇曝气”组合策略，通过时间尺度分离硝化与反硝化过程。
     

主要研究结果
1. 脱氮效能与N2O排放差异
- ANDI策略的TN去除率较ANDC提高20%（55% vs. 31%），但N2O排放量显著更高（9.2% vs. 4.6%的进水TN转化为N2O）。
- 关键机制：间歇曝气导致NO2−-N积累（12±8 mg/L）和溶解氧（DO）波动，抑制N2O还原酶（nosZ）活性，使反硝化停滞于N2O阶段。

1. 微生物群落动态

   • 反硝化菌主导：Thauera（ANDI中相对丰度3.8%）与N2O排放呈正相关，其活性受NO2−-N浓度驱动。
     
   • 竞争关系：ANDC中Defluvicoccus（GAOs）与Tetrasphaera（PAOs）共存，而ANDI中快速生长的Thauera取代了部分PAOs，导致碳源竞争加剧。
     

2. PCA揭示的关键因子

   • ANDC策略：N2O排放与低C/N比（碳氮比）和高PO43−-P浓度相关，反映PAOs与反硝化菌的底物竞争。
     
   • ANDI策略：NO2−-N积累与PHB（聚羟基丁酸酯）消耗不足是主要驱动因素，表明不完全反硝化与存储底物代谢失衡。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次阐明实际污水AGS系统中操作策略通过调控微生物群落与代谢途径影响N2O排放的机制，为污水处理厂温室气体减排提供理论依据。
2. 应用价值：提出“单次进水+间歇曝气”优化策略，可在提升脱氮效率的同时降低N2O排放，适用于低碳氮比污水场景。
3. 行业影响：挑战了传统间歇曝气必然减少N2O的认知，强调DO控制与碳源分配的关键作用。

研究亮点
1. 创新发现：揭示Thauera在低C/N比条件下通过不完全反硝化推高N2O排放的生态位。
2. 技术整合：结合在线监测与微生物组学，建立“操作-环境-微生物”多维分析框架