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

納米氣泡曝氣與鐵基多碳源復(fù)合材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水高效脫氮

來(lái)源：Chemical Engineering Journal 491 (2024) 152093

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文提出了一種創(chuàng)新方法：結(jié)合納米氣泡曝氣（Nanobubble Aeration） 和鐵基多碳源復(fù)合材料（IMCSC），解決水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水脫氮的兩大瓶頸——沉積物缺氧和電子供體不足。通過提升沉積物溶解氧（DO）水平和補(bǔ)充電子供體，顯著富集土著好氧反硝化菌，實(shí)現(xiàn)高效脫氮。NIMCSC系統(tǒng)（納米氣泡+IMCSC）的總氮（TN）去除率達(dá)89.75%，較對(duì)照組提升7.46–14.07%。宏基因組分析揭示了微生物群落共生關(guān)系、電子傳遞增強(qiáng)及關(guān)鍵代謝途徑的協(xié)同作用。

2. 研究目的

 

核心問題：水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水碳氮比低（C/N ≤ 4）、沉積物缺氧，抑制土著好氧反硝化菌活性。

創(chuàng)新方案：

納米氣泡曝氣：解決沉積物缺氧問題（穿透水-沉積物界面，提升深層DO）；

IMCSC復(fù)合材料：提供緩釋碳源（PCL+玉米芯）和電子供體（零價(jià)鐵ZVI），補(bǔ)充電子供體短缺。

驗(yàn)證目標(biāo)：評(píng)估該組合技術(shù)對(duì)脫氮效率、微生物群落及代謝機(jī)制的影響。

 

3. 研究思路

 

系統(tǒng)構(gòu)建：

3組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（MCSC、IMCSC、NIMCSC），模擬養(yǎng)殖池塘（水+沉積物）。

添加復(fù)合載體（MCSC或IMCSC），對(duì)比不同曝氣方式（擴(kuò)散曝氣 vs 納米氣泡曝氣）。

每日添加氮磷碳源（KNO?、KH?PO?、CH?COONa），模擬實(shí)際養(yǎng)殖輸入（表1）。

性能監(jiān)測(cè)：

水質(zhì)參數(shù)（DO、TN、NO??-N、NH??-N、COD、pH）、沉積物TN、鐵釋放量。

微生物群落分析（16S rRNA測(cè)序）和宏基因組學(xué)（氮代謝、電子傳遞通路）。

機(jī)制解析：

通過共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、功能基因注釋、電子傳遞系統(tǒng)活性（ETSA）揭示脫氮機(jī)理。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

（1）溶解氧分布（丹麥Unisense微電極測(cè)量）

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2b

關(guān)鍵結(jié)果：

納米氣泡曝氣（NIMCSC）使沉積物氧滲透深度達(dá) 9.6 mm，顯著高于擴(kuò)散曝氣（MCSC/IMCSC：~5.2 mm）和原始沉積物（5.2 mm）。

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

研究意義：

直接證明納米氣泡穿透沉積物能力：納米氣泡（平均直徑184.12 nm）因高拉普拉斯壓力快速溶解釋氧，突破傳統(tǒng)曝氣無(wú)法氧化深層沉積物的限制。

為好氧反硝化創(chuàng)造微環(huán)境：沉積物深層DO提升，使好氧反硝化菌（如Pseudomonas、Thiobacillus）在沉積物中富集，推動(dòng)界面脫氮。

 

（2）水質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化

 

TN/NO??-N去除（圖4）：

NIMCSC系統(tǒng)TN去除率89.75%（出水TN=1.49 mg/L），較IMCSC（82.29%）和MCSC（75.68%）顯著提升。

NO??-N在NIMCSC中快速降解（第15天降至3.85 mg/L），無(wú)NH??積累。

 

 

COD與Fe釋放（圖3）：

IMCSC/NIMCSC的COD穩(wěn)定在17–19 mg/L（達(dá)標(biāo)排放），F(xiàn)e2?緩釋（0.126–0.137 mg/L）提供電子供體。

意義：證實(shí)IMCSC緩釋碳源避免二次污染，ZVI氧化產(chǎn)物（Fe2?/H?）補(bǔ)充電子供體。

 

 

（3）微生物群落與功能

 

群落結(jié)構(gòu)（圖5c、表2）：

 

 

NIMCSC富集混合營(yíng)養(yǎng)型好氧反硝化菌：

水體：Hydrogenophaga（相對(duì)豐度23.77%，自養(yǎng)）

沉積物：Pseudomonas（4.13%，異養(yǎng)）、Thiobacillus（鐵氧化菌）

共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖6）：

 

NIMCSC中微生物共生關(guān)系增強(qiáng)（正相關(guān)邊比例高），核心菌屬（Haliangium）主導(dǎo)脫氮。

宏基因組（圖7）：

 

NIMCSC中好氧反硝化基因（napAB、nirS、nosZ）表達(dá)上調(diào)，DNRA途徑（nirBD）受抑制。

電子傳遞鏈基因（ccoN、CYTB）和TCA循環(huán)酶基因（IDH1、mdh）豐度增加。

 

（4）電子傳遞系統(tǒng)活性（ETSA）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖S2

結(jié)果：NIMCSC沉積物ETSA較MCSC提升66.04%，表明電子傳遞效率增強(qiáng)。

意義：ZVI促進(jìn)細(xì)胞色素c合成，加速NADH→NO??的電子傳遞，解決低C/N比限制。

 

5. 結(jié)論

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

納米氣泡曝氣提升沉積物氧滲透深度（9.6 mm），IMCSC提供電子供體，協(xié)同促進(jìn)土著好氧反硝化菌富集。

NIMCSC系統(tǒng)TN去除率89.75%，達(dá)養(yǎng)殖廢水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SC/T 9101-2007）。

微生物機(jī)制：

富集混合營(yíng)養(yǎng)菌（Hydrogenophaga、Pseudomonas），形成共生網(wǎng)絡(luò)。

上調(diào)好氧反硝化基因（napAB、nosZ）和電子傳遞基因（ccoN、CYTB）。

代謝途徑：

ZVI氧化驅(qū)動(dòng)Fe2?/H?提供電子，TCA循環(huán)生成NADH/FADH?，電子傳遞鏈推動(dòng)高效脫氮。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義

 

解決沉積物缺氧瓶頸：傳統(tǒng)擴(kuò)散曝氣僅能氧化沉積物表層（≤5.4 mm），而Unisense微電極實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，納米氣泡使氧滲透深度達(dá)9.6 mm（圖2b），直接驗(yàn)證其穿透沉積物孔隙的能力。

支撐好氧反硝化的可行性：沉積物深層DO提升，為好氧反硝化菌（如沉積物中的Pseudomonas）提供了生存微環(huán)境，打破“沉積物缺氧抑制好氧過程”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)量化依據(jù)：該數(shù)據(jù)是NIMCSC系統(tǒng)高效脫氮的核心證據(jù)，闡明納米氣泡如何通過物理傳遞特性改變生化反應(yīng)空間，為技術(shù)推廣提供理論支撐。

 

總結(jié)：本研究通過納米氣泡曝氣與IMCSC的協(xié)同，解決了水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水脫氮的氧限制和電子供體短缺問題，Unisense電極數(shù)據(jù)為納米氣泡的沉積物氧化能力提供了關(guān)鍵實(shí)證，宏基因組學(xué)則揭示了微生物代謝的強(qiáng)化機(jī)制，為養(yǎng)殖廢水低碳處理提供了新思路。