城市下水道系统中硫化物和甲烷控制的氮化合物应用：关键综述

作者及发表信息
本文由Yan Chen、Jiangping Wu、Jiawei Zhao、Huizi Yang、Hamed Attaran Dovom、Muttucumaru Sivakumar和Guangming Jiang*（通讯作者）合作完成，作者团队来自澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）的土木、采矿、环境与建筑工程学院。论文于2025年2月17日在线发表于《Water Research》期刊第277卷，文章编号123314，遵循CC BY 4.0开放获取许可。

研究背景与主题
本文是一篇系统性综述，聚焦于氮化合物在城市下水道系统中控制硫化氢（H₂S）和甲烷（CH₄）排放的策略、机制及有效性。硫化氢和甲烷是下水道系统中的主要有害气体，前者导致管道腐蚀和恶臭问题，后者作为强效温室气体加剧气候变化。传统化学药剂（如铁盐、镁盐）虽有效但存在成本高或环境风险，而氮化合物（硝酸盐、亚硝酸盐、游离亚硝酸（FNA）、游离氨（FA）及有机硅季铵盐（QSA））因其高效、安全和经济性成为新兴解决方案。本文旨在填补该领域综述空白，整合近年分子微生物学进展，为优化实践提供科学依据。

主要观点与论据

1. 氮化合物的类型与作用机制

   • 硝酸盐（NO₃⁻）和亚硝酸盐（NO₂⁻）：通过提高氧化还原电位，抑制硫酸盐还原菌（SRB）和产甲烷菌（MA）的代谢活性。同时，它们促进硝酸盐/亚硝酸盐还原硫氧化菌（NRSOB）和甲烷氧化菌（MOB）的生长，将H₂S氧化为硫酸盐（SO₄²⁻），CH₄氧化为CO₂。例如，30 mg N/L硝酸盐可使H₂S去除率达66–100%，CH₄抑制率高达100%（Jiang et al., 2013b）。
     
   • 游离亚硝酸（FNA）和游离氨（FA）：具有强效杀菌和抑制特性。FNA通过破坏细胞膜、降低细胞内pH、阻断ATP合成等途径抑制SRB和MA（Gao et al., 2019）。0.26 mg N/L FNA间歇投加可减少80%以上H₂S（Jiang et al., 2011a）。FA则通过渗透细胞、干扰离子平衡和酶活性实现抑制，154 mg N/L FA冲击投加可使CH₄排放降低100%（Zuo et al., 2020）。
     
   • 有机硅季铵盐（QSA）：通过电荷中和破坏微生物细胞膜，75 mg N/L间歇投加对甲烷生成的抑制率达44–85%（Dai et al., 2024）。
     

2. 投加策略的分类与效果

   • 连续投加：包括恒定浓度（CCD）、昼夜变化（DPD）和动态响应（DRD）模式。例如，动态响应策略结合实时监测，可优化化学药剂用量，降低30%成本（Despot et al., 2021）。
     
   • 间歇投加（IMD）与冲击投加（SKD）：适用于FNA和FA，通过短时高浓度暴露实现长效抑制。例如，0.26 mg N/L FNA每12小时投加一次，H₂S控制效率>80%，且药剂用量减少50%（Jiang et al., 2011a）。
     

3. 微生物群落响应
   氮化合物显著改变下水道生物膜微生物组成。硝酸盐投加使SRB和MA丰度分别降低8.8%和30%，而NRSOB和MOB增加2.2%和0.8%（Chen et al., 2024）。FNA冲击投加（0.81 mg N/L）可使SRB减少31.5%，但对MA影响较小（Guo et al., 2023）。

4. 附加效益与潜在风险

   • 混凝土腐蚀控制：亚硝酸盐喷雾可减少腐蚀损失40–90%，延长管道寿命1.6–10倍（Li et al., 2022）。
     
   • N₂O排放：硝酸盐连续投加可能导致N₂O（温室气体）累积，浓度达5.21 mg N/L（Guo et al., 2023），需权衡环境风险。
     
   • 下游污水处理厂影响：间歇投加策略可避免氮负荷过度增加，FA投加后NH₄⁺浓度经稀释接近基线水平（Liu et al., 2019）。
     

创新与可持续性
- 尿液资源化：利用尿液生成FNA和FA，实现“闭环控制”，成本仅为合成化学药剂的1/10（Zheng et al., 2017）。
- 组合策略：FNA与H₂O₂或Fe³⁺联用可提升效率并减少26%药剂用量（Guo et al., 2023）。

论文价值与意义
本文首次系统整合氮化合物在下水道控制中的多维度研究，提出基于微生物机制的精准投加框架，为城市污水管理提供可持续解决方案。其科学价值在于揭示氮化合物与微生物群落的互作机制，应用价值则体现在优化工程实践、降低碳排放及推动资源循环（如尿液利用）。未来研究方向包括智能投加系统开发、D-氨基酸（D-AAs）等新型抑制剂的探索，以及多组学技术深化机制解析。

亮点总结
1. 全面比较五种氮化合物的控制效率及微生物响应，填补领域空白。
2. 提出“间歇-冲击”投加策略，兼顾效果与经济性。
3. 创新性引入尿液资源化和组合化学药剂应用，推动绿色技术发展。
4. 明确N₂O排放等潜在风险，为政策制定提供科学依据。