研究簡介：一氧化二氮（N2O）是一種強效溫室氣體，其全球變暖潛能約為二氧化碳的273倍，且對臭氧層具有破壞作用。近年來，隨著廢水處理過程的普及，N2O排放問題日益突出，尤其在部分硝化-厭氧氨氧化（PN/A）等工藝中，厭氧池的尾氣N2O濃度可高達數千ppm，亟需開發高效去除技術。本研究針對這一挑戰，創新性地利用下流式懸掛海綿（DHS）生物反應器，實現了對低濃度至高濃度N2O的快速、高效去除，并深入探討了其動力學機制和微生物群落特性。廢水處理過程中，N2O主要通過硝化和反硝化等生物途徑產生，而傳統控制方法（如溶解氧調控）受限於特定條件。

盡管生物過濾器等技術已用于N2O去除，但處理濃度低、氣體停留時間（GRT）長，難以應對高濃度排放。DHS技術因其高生物量保留、優異的氣液傳質效率以及可創建多梯度微環境等優勢，被選為本研究的核心平臺。實驗采用封閉式DHS反應器，填充聚氨酯海綿載體，以厭氧污泥消化液上清液為碳源，處理氮氣中不同濃度的N2O（5、40、300和2000 ppm）。反應器在25°C厭氧條件下運行，通過調整氣體流速控制GRT（最短至3分鐘），并定期監測尾氣N2O濃度（使用電子捕獲檢測-氣相色譜法）。結果顯示，DHS反應器表現出卓越的去除性能：對于5 ppm和40 ppm N2O，在GRT為3–4分鐘時，去除效率超過94%；對于300 ppm N2O，GRT為3分鐘時去除率達94±1.5%；對于2000 ppm高濃度N2O，GRT為18分鐘時去除效率可達99±0.6%。

最大去除速率達到166±24 mg-N/L-reactor/day，較既往研究提升逾10倍，凸顯了DHS過程的高效性。動力學分析通過微電極實驗揭示，微生物的N2O理論最大消耗速率高達1019±129 mg-N/g-VSS/day，但實際反應器速率僅為其10%，表明N2O從氣相到液相的溶解速率是限速步驟，而非微生物活性不足。這強調了優化載體表面積或表面微生物分布以提升傳質效率的重要性。本研究首次將DHS生物過程應用于高濃度N2O氣體去除，實現了短時高效性能，并從動力學和微生物角度闡明了機制。

Unisense微電極測定系統的應用

使用Unisense微呼吸系統搭配安培法微傳感器，對從DHS反應器不同高度（第4、8、12號海綿）采集的污泥樣品進行N?O消耗速率測量。首先將污泥樣品用過濾除菌的消化液上清液稀釋，以提供電子供體并調整至合適濃度。在雙端口測量室中攪拌樣品至溶解氧完全消耗，確保厭氧條件。使用unisense提供的N?O校準套件建立濃度-信號標準曲線。用微量注射器注入定量的N?O飽和水（30-40μL），持續記錄N?O濃度變化（軟件SensorTrace Suite ver. 2.8.0）。每次N?O消耗完畢后重復注入，獲取多組數據。  

實驗結果

開發了一種使用 DHS 反應器的新型氣體 N2O 去除工藝，以快速去除 N2 中的低濃度和高濃度 N2O，從而減少 N2O 的排放。對于高達 300 ppm 和 2000 ppm 的 N2O 氣體，分別在 3 分鐘和 18 分鐘的總反應時間下，去除率超過 94%。N2O 的溶解速率是決定反應器中 N2O 去除率的關鍵因素。擴增子和宏基因組分析表明，Azonexus 被認為在 N2O 去除過程中起著關鍵作用。在 DHS 反應器中，II 類 nosZ 的優勢和多樣性比 I 類 nosZ 更為顯著和豐富。II 類 N2O 去除菌群的占主導地位可能是由于 N2O 在該過程中作為主要的電子受體，以及來自底物的碳源供應有限所致。在海綿載體中可能會出現溶解 N2O 濃度的梯度，從而導致各種微生物參與 N2O 的還原過程。

圖1、實驗的示意圖。從頂部的第 4、第 8 和第 12 個海綿采集的污泥樣本被用于微電極實驗。第 4 和第 12 個海綿則用于 16S rRNA 擴增子和宏基因組分析。

圖2、一氧化二氮（N2O）去除效果。在氮氣中分別以不同濃度的 N2O 進行處理，并在不同的氣體保留時間和有機負荷條件下進行。a：5ppm 的 N2O，b：40ppm 的 N2O，c：300ppm 的 N2O，d：2000ppm 的 N2O。

圖3、平均相對豐度排名前 30 的 OTU（操作分類單元）。圓圈的大小表示每個樣本中 OTU 的相對豐度。第 4 個和第 12 個：第 4 個和第 12 個海綿。種子污泥：來自中溫厭氧污水污泥消化器的污泥。

圖4、諾斯Z 蛋白的系統發育樹。圓圈的大小表示含有諾斯Z 基因的重疊片段的讀取計數的相對豐度。顏色代表輸入到反應器中的氨氧化物濃度。

結論與展望

一氧化二氮（N2O）既是一種溫室氣體，也是一種會破壞臭氧層的物質。廢水處理該過程是 N2O 排放的來源之一，而從缺氧罐（例如兩段部分硝化 - 厭氧氨氧化工藝）中排出的氣體中就含有 N2O。為了減輕此類溫室氣體排放所帶來的環境影響，迫切需要開發一種去除 N2O 的工藝。在本研究中開發了一種使用下流懸掛海綿（DHS）反應器的新型 N2O 去除工藝，用于處理低濃度和高濃度的 N2O（5、40、300 和 2000 ppm）。將不同濃度的 N2O（氮氣中的 5、40、300 和 2000 ppm）施加到配備了厭氧污泥消化液上清液的 DHS 反應器中。對于高達 300 ppm 和 2000 ppm 的 N2O，分別在 3 和 18 分鐘的氣體停留時間內實現了超過 94%和 99%的去除效率。最大去除率為 166 ± 24 毫克氮/升反應器/天，這比之前的研究結果要快得多。

動力學分析表明，N2O 的溶解速率是決定反應器中 N2O 去除率的關鍵因素。反應器中檢測到了各種 N2O 去除劑，其中 II 類 nosZ 更為主導且多樣化，而 I 類 nosZ 則不然。從研究中檢索到的最豐富的 nosZ 基因是所有這些反應器與阿佐內克斯中的反應器類似，都攜帶著Ⅱ型 nosZ 基因。因此阿佐內克斯被認為在此發揮了關鍵作用。Unisense微電極系統用于精確測定污泥微生物群落的N2O代謝活性，通過微電極技術將宏觀反應器性能與微觀微生物活性有效關聯，為揭示反應器性能的動力學機制提供了直接實驗證據。