在低溶解氧条件下，采用好氧/厌氧工艺处理苯胺废水以及气态N2O排放特性的研究

《Journal of Environmental Management》：Performance of oxic/anoxic process for treating aniline wastewater and gaseous N 2O emission characteristics under low dissolved oxygen conditions

苯胺废水生物处理中溶解氧浓度调控影响污染物降解与N?O排放机制研究。通过构建三套A/O反应器（超低氧0.2-1.0 mg/L、低氧0.3-1.5 mg/L、低氧0.4-2.0 mg/L），发现DO升高促进COD和氨氮去除但抑制总氮去除，R2工况N?O排放量最低且宏基因组学显示其硝酸还原酶基因丰度最高。

　　

王瑞|刘在亮|张琴|连建军|孟海玲

安徽工业大学能源与环境学院，马鞍山，243002，中国

摘要

在苯胺废水的生物处理过程中，溶解氧（DO）浓度对污染物降解和N₂O排放的影响机制尚不清楚。本研究构建了三个A/O反应器来处理苯胺废水，其中好氧阶段在不同的低DO条件下运行：R1（0.2-1.0 mg/L，超低氧），R2（0.3-1.5 mg/L，较低氧），R3（0.4-2.0 mg/L，低氧）。结果表明，随着DO浓度的增加，苯胺、COD和NH₄⁺-N的去除率略有提高，而TN的去除率显著下降。在一个运行周期内，R2的气态N₂O排放量最低，R3的最高。因此，从污染物去除、N₂O排放和节能的角度考虑，推荐采用较低氧控制策略（0.3-1.5 mg/L）。宏基因组数据揭示了所有反应器中降解苯胺的细菌CAADHD01以及反硝化细菌JABWCM01、UBA12294和Thauera的富集。推断了苯胺和氮的代谢途径。苯胺的降解主要通过元裂解途径进行，氮的转化涉及同化、硝化和反硝化，而硝化过程受到苯胺的抑制。在较低氧水平（R2）下，hao（羟胺氧化还原酶基因）的丰度最低，nosZ（一氧化二氮还原酶基因）的丰度最高，从而导致N₂O排放量最低。本研究为苯胺废水生物处理过程中的N₂O减排提供了有价值的策略。

引言

在气候变化的压力下，减少废水处理过程中的温室气体（GHG）排放已成为当前的研究热点（Li等人，2022年）。直接排放主要与生物过程相关，而间接排放则由能源消耗产生，这是废水处理过程中温室气体排放的两个主要来源（Abulimiti等人，2022年）。尽管大多数关于苯胺废水处理的研究集中在技术优化和操作调节上（Kong等人，2024b；Liu等人，2025年），但在苯胺废水处理过程中的温室气体排放方面仍存在关键的研究空白。

苯胺是一种重要的胺类化合物，在纺织、制药、树脂和橡胶等多个行业中发挥着关键作用（Chandra和Kumar，2025年；Chaturvedi，2022年；Edebali等人，2024年；Gonzalez Tineo等人，2024年）。值得注意的是，苯胺被归类为致癌、致突变和致畸物质（CMT）。有效管理含有苯胺的废水对于保护生态环境和保障人类健康至关重要。目前，生物方法被广泛用于处理大规模工业废水中的苯胺。然而，好氧生物处理需要大量的电能进行曝气，约占废水处理过程总能消耗的60%到70%（Jamaludin等人，2024年；Tsalas等人，2024年）。因此，减少曝气的能耗将有效降低温室气体的间接排放。

在好氧生物降解过程中，苯胺最初被benA-xylX转化为邻苯二酚和NH₄⁺-N。邻苯二酚随后通过邻位代谢（由catA/B/C、pcaD/L/I/J/F和fadA）和元代谢（由dmpB、catE、dmpC/D/H, mhpD/E/F和bphH/I/J）进行降解，最终进入三羧酸循环（TCA）。苯胺的具体代谢途径及相关功能基因的丰度取决于反应系统和操作条件（Chen等人，2024年；Liu等人，2025年）。NH₄⁺-N进一步通过硝化（由pmoA/B/C-amoA/B/C、hao和nxrA/B）、反硝化（由narG/H、napA/B、nirK/S、norB/C和nosZ）以及铵的同化（由glnA、gltB/D、GLU、GLUD1-2和GDH2）等途径转化（Chen等人，2024年；Shi等人，2024年；Yin等人，2023年；Zhang等人，2021年）。一氧化二氮（N₂O）是一种强效温室气体，其全球变暖潜力约为二氧化碳（CO₂）的300倍（Jamaludin等人，2024年；Yang等人，2024年；Zhao等人，2024年），在氮去除过程中产生。研究表明，N₂O排放可占废水处理厂总碳足迹的83%（Duan等人，2020年）。因此，研究曝气的节能策略和苯胺废水生物处理过程中的N₂O减排措施至关重要。

研究表明，保持低DO浓度对于节能和减少N₂O排放至关重要（Brunton等人，2024年；Han等人，2024年；He等人，2023年；Huang等人，2024年；Xiong等人，2023年；Yan等人，2024年；Zhao等人，2023b）。Duan等人（2021年）通过实施曝气控制和进料管理策略，将N₂O排放量减少了35%至90%。

在平衡节能、减少N₂O排放和高效去除污染物的同时控制DO水平的策略仍不完善。此外，DO对苯胺废水处理过程中污染物降解和N₂O排放的影响机制仍不完全清楚。

本研究调查了在超低氧（0.2–1.0 mg/L）、较低氧（0.3–1.5 mg/L）和低氧（0.4–2.0 mg/L）条件下运行的三个好氧/厌氧（O/A）反应器的污染物去除效率和气态N₂O排放。通过分析宏基因组数据来表征微生物群落结构及其相关代谢功能。基于关键功能基因的丰度和使用KEGG数据库的注释分析，推断了参与苯胺降解、氮代谢和气态N₂O产生的代谢途径。本研究揭示了DO浓度如何影响O/A苯胺废水处理系统中的污染物去除和气态N₂O排放。

章节摘录

接种污泥和合成废水

接种污泥来自中国安徽省马鞍山市王家山污水处理厂的二次沉淀池。污泥静置1小时后，弃去上清液。随后，在密封容器中曝气24小时，然后接种到反应器中以启动培养和适应过程。合成废水的组成如下：苯胺浓度为100 mg/L（Pereira R.等人，2011年）

不同DO水平下反应器的污染物去除效率

三个在不同DO水平下运行的O/A反应器（图1）稳定运行了40天。图2展示了三种反应器在不同DO水平下的苯胺、COD和氮的去除效率。三种反应器中的苯胺去除效率保持稳定，没有显著差异（图2A）。平均苯胺去除率超过99.80%，平均出水苯胺浓度低于0.2 mg/L。R3的平均COD去除率（95.98 ± 0.7%）高于

结论

本研究表明，在好氧阶段将DO浓度控制在2 mg/L以下仍可实现满意的污染物去除效果。当DO浓度控制在较低氧水平（0.3-1.5 mg/L）时，可以同时实现节能和减少N₂O排放。与接种污泥相比，反应器进一步富集了包括CAADHD01（与有机降解相关）在内的功能基因

CRediT作者贡献声明

王瑞：撰写——初稿，研究，正式分析，数据管理。刘在亮：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源提供，正式分析，概念构思。张琴：撰写——审阅与编辑，正式分析。连建军：撰写——审阅与编辑，监督。孟海玲：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢匿名审稿人和编辑的评论和建议，这些评论和建议显著提高了手稿的质量。我们还要感谢国家自然科学基金（52370159）、教育部生物膜水处理与利用技术工程研究中心的开放项目（BWPU2022ZY01）以及安徽省自然科学基金对本研究的财政支持