关于曝气频率对新型生物炭负载黄铁矿共热解复合材料（BPC）填充的序批式生物膜反应器（BPC-SBBR）处理水产养殖废水的影响机制的见解

《Journal of Water Process Engineering》：Insight into the influencing mechanism of aeration frequency on novel biochar-loaded pyrite co-pyrolysis composites (BPC)-filled sequencing batch biofilm reactors (BPC-SBBR) treating aquaculture wastewater

生物炭负载硫铁矿石共热解复合填料SBBR系统在不同曝气频率下对氮磷去除及微生物-电子传递机制的影响研究。氮磷去除效率随曝气频率先升后降（TNRE峰值90.91%，PRE稳定>90%），硫铁自养反硝化菌（Thiobacillus/Ferruginibacter）与硝化菌协同作用，硫酸盐还原（ASR）和SOX途径主导电子传递，AF适度提升促进生物膜稳定。

　　近年来，水产养殖业的迅速发展对生态环境造成了显著影响。水产养殖废水通常含有未消化的饲料、化学物质以及高浓度的营养元素，若未经适当处理直接排放，将对水体生态系统带来严重威胁。面对当前低碳发展的要求，自养型脱氮技术因其能够在去除污染物的同时减少碳源消耗而受到越来越多的关注。

自养型脱氮技术主要依赖于微生物在无机碳源的存在下将硝酸盐还原为氮气的过程。其中，硫化亚铁（FeS?）作为脱氮材料，能够通过氧化反应生成硫酸盐（SO?2?）和三价铁（Fe3?）。三价铁可以与磷酸盐（PO?3?）反应，形成铁磷沉淀，从而实现氮和磷的同时去除。然而，硫化亚铁的稳定晶体结构和低溶解性限制了其在常规条件下的氧化效率，导致反应动力学缓慢或脱氮性能不稳定。为了提高硫化亚铁的脱氮效果，研究者尝试了多种方法，如酸洗预处理和颗粒尺寸优化等。

此外，生物炭因其高吸附能力、稳定性和多孔结构，能够有效吸附氨氮，促进微生物的繁殖，并有助于形成厌氧环境，从而提升污染物的去除效率。已有研究比较了天然硫化亚铁和煅烧硫化亚铁作为生物滤池的填料，发现煅烧硫化亚铁填料系统的总氮去除效率更高。还有研究通过煅烧天然硫化亚铁制备了纳米结构的硫化亚铁，用于生物滤池的基质，实现了对真实二级废水的高效处理。同样，也有研究将硫化亚铁与生物炭直接混合作为人工湿地的基质，用于处理低碳氮比的废水。尽管这些研究在不同程度上提升了脱氮效率，但它们大多只单独探讨了硫化亚铁或生物炭作为填料的应用，而未将两者结合，进一步探讨其协同作用对污染物去除的影响。

因此，本研究提出了一种新型的生物炭负载硫化亚铁共热解复合材料（BPC），并将其作为填料应用于序批式生物膜反应器（SBBR）中，以探讨不同曝气频率（AF）对污染物去除性能的影响。实验结果表明，总氮去除效率（TNRE）在初始阶段随着曝气频率的增加而上升，随后出现下降趋势，而总磷去除效率（PRE）则始终保持在90%以上，几乎不受曝气频率变化的影响。当曝气频率为4次时，TNRE达到峰值90.91%±0.58%，同时硝酸盐积累量较低，仅为0.04%±0.03% mg/L。

进一步分析显示，在该条件下，高比例的蛋白质/多糖（PN/PS）和紧密结合的蛋白质（TB-PN）表明形成了较为紧密的生物膜结构。微生物群落分析揭示，硫基和铁基自养型脱氮菌（如Thiobacillus和Ferruginibacter）是主要的菌群，强调了它们在自养型脱氮过程中的关键作用。通过相关网络分析发现，Thiobacillus、Nitrospira和Nitrospirota之间存在显著的正相关关系，这表明硝化作用与硫自养型脱氮之间存在紧密的功能协作。

功能基因分析进一步表明，即使在高nrfAH表达的情况下，系统中也没有出现明显的氨积累现象。这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫化亚铁氧化产生的硫酸盐成为主要的还原底物。SOX途径被证实为脱氮过程中电子传递的主要通道，而适度增加曝气频率可以刺激电子传递，从而加快脱氮效率。

综上所述，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，探讨了曝气频率对污染物去除性能、微生物群落和代谢途径的影响。研究结果不仅揭示了曝气频率在不同处理阶段对氮和磷去除效率的动态变化，还阐明了其对生物膜结构稳定性、微生物群落协作以及电子传递过程的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了理论依据和技术支持，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。

在实验过程中，研究者采用了一系列先进的设备和技术手段，以确保数据的准确性和实验的可重复性。BPC作为填料，其粒径为1–3 mm，经过精心配制和处理，以提高其在反应器中的适用性。硫化亚铁和生物炭按照7:1的质量比混合后，在氮气气氛下进行600°C煅烧处理，以形成稳定的复合材料。实验系统包括五个不同的BPC-SBBR装置，分别在不同的曝气频率下运行，以评估其对污染物去除性能的影响。

在运行初期，反应器出水中的氨氮（NH??-N）、硝酸盐（NO??-N）、总溶解氮（TIN）和总氮（TN）浓度相对较高，但随着时间推移逐渐下降。这可能是由于微生物在反应器中逐渐适应并形成有效的代谢网络所致。最终，各系统的总氮去除效率分别为88.44%±2.23%、90.91%±0.58%、81.98%±1.55%、79.94%±1.31%和78.66%±0.92%。这一结果表明，曝气频率对总氮去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，即4次。

同时，研究还发现，在不同曝气频率下，硝酸盐去除效率（NRE）、氨氮去除效率（ANRE）以及硝酸盐积累量（ΔNO??-N）呈现出不同的变化趋势。这些变化可能与微生物群落的组成、代谢途径的活性以及反应器内的氧化还原条件密切相关。此外，总磷去除效率（PRE）始终保持在较高水平，表明在BPC-SBBR系统中，磷的去除过程相对稳定，不受曝气频率变化的显著影响。

通过进一步分析生物膜结构的变化，研究发现随着曝气频率的增加，TB-PN和PN/PS的比例发生了变化，显示出生物膜结构在不同曝气频率下的适应性。这一变化趋势表明，适度提高曝气频率有助于增强生物膜的稳定性，从而提升污染物的去除效率。然而，过高的曝气频率可能导致生物膜结构的破坏，进而影响微生物的活性和污染物的去除能力。

微生物群落分析还揭示了Thiobacillus、Nitrospira和Nitrospirota之间的显著正相关关系，这表明这些微生物在硝化和脱氮过程中存在紧密的功能协作。这种协作关系可能有助于形成高效的代谢网络，从而提升污染物的去除效率。此外，功能基因分析显示，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径，如硫酸盐还原和电子传递。

研究还发现，SOX途径是脱氮过程中电子传递的主要通道，而适度提高曝气频率可以刺激电子传递，从而加快脱氮效率。这一发现为优化曝气策略提供了新的思路，即在保持微生物活性的同时，通过调整曝气频率来增强电子传递效率，从而提升脱氮性能。

此外，本研究还探讨了BPC作为填料在SBBR系统中的应用潜力。与传统的填料相比，BPC具有更高的比表面积和更丰富的孔隙结构，这可能有助于提高微生物的附着能力和代谢效率。同时，BPC的复合特性可能促进了多种代谢途径的协同作用，从而提升污染物的去除能力。

本研究的成果不仅为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了理论依据，还为未来污水处理技术的发展提供了新的方向。通过深入探讨曝气频率对污染物去除性能、微生物群落和代谢途径的影响，研究者能够更好地理解不同操作条件对反应器性能的调控作用，从而为实际应用提供科学指导。

在实际应用中，优化曝气策略对于提高SBBR的处理效率至关重要。不同的曝气频率会影响反应器中的溶解氧（DO）水平，从而改变微生物的代谢活动和污染物的去除能力。例如，研究发现，在曝气频率较低的情况下，硝化作用可能受到抑制，而脱氮效率则相对较高。然而，随着曝气频率的增加，硝化作用可能增强，但脱氮效率却出现下降，这可能导致总氮去除效率的降低。

因此，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，不仅评估了其对污染物去除性能的影响，还揭示了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现表明，曝气频率在不同处理阶段对氮和磷的去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，以实现最高的污染物去除效率。

此外，研究还发现，在BPC-SBBR系统中，微生物群落的组成和活性受到曝气频率的显著影响。在曝气频率较低的情况下，微生物群落可能主要由硝化菌组成，而在曝气频率较高的情况下，脱氮菌和硫酸盐还原菌可能占据主导地位。这种微生物群落的变化可能与反应器内的氧化还原条件密切相关，从而影响污染物的去除效率。

在功能基因层面，研究发现，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫酸盐成为主要的还原底物。这种代谢途径的协同作用可能有助于提高污染物的去除效率，从而实现更高效的污水处理。

本研究的成果不仅揭示了曝气频率对污染物去除性能的动态变化，还阐明了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了科学依据，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。通过深入探讨不同曝气频率下的污染物去除机制，研究者能够更好地理解SBBR系统的运行规律，从而为实际应用提供理论支持和技术指导。

在实际应用中，优化曝气策略对于提高SBBR的处理效率至关重要。不同的曝气频率会影响反应器中的溶解氧（DO）水平，从而改变微生物的代谢活动和污染物的去除能力。例如，研究发现，在曝气频率较低的情况下，硝化作用可能受到抑制，而脱氮效率则相对较高。然而，随着曝气频率的增加，硝化作用可能增强，但脱氮效率却出现下降，这可能导致总氮去除效率的降低。

因此，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，不仅评估了其对污染物去除性能的影响，还揭示了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现表明，曝气频率在不同处理阶段对氮和磷的去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，以实现最高的污染物去除效率。

此外，研究还发现，在BPC-SBBR系统中，微生物群落的组成和活性受到曝气频率的显著影响。在曝气频率较低的情况下，微生物群落可能主要由硝化菌组成，而在曝气频率较高的情况下，脱氮菌和硫酸盐还原菌可能占据主导地位。这种微生物群落的变化可能与反应器内的氧化还原条件密切相关，从而影响污染物的去除效率。

在功能基因层面，研究发现，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫酸盐成为主要的还原底物。这种代谢途径的协同作用可能有助于提高污染物的去除效率，从而实现更高效的污水处理。

本研究的成果不仅揭示了曝气频率对污染物去除性能的动态变化，还阐明了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了科学依据，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。通过深入探讨不同曝气频率下的污染物去除机制，研究者能够更好地理解SBBR系统的运行规律，从而为实际应用提供理论支持和技术指导。

在实际应用中，优化曝气策略对于提高SBBR的处理效率至关重要。不同的曝气频率会影响反应器中的溶解氧（DO）水平，从而改变微生物的代谢活动和污染物的去除能力。例如，研究发现，在曝气频率较低的情况下，硝化作用可能受到抑制，而脱氮效率则相对较高。然而，随着曝气频率的增加，硝化作用可能增强，但脱氮效率却出现下降，这可能导致总氮去除效率的降低。

因此，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，不仅评估了其对污染物去除性能的影响，还揭示了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现表明，曝气频率在不同处理阶段对氮和磷的去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，以实现最高的污染物去除效率。

此外，研究还发现，在BPC-SBBR系统中，微生物群落的组成和活性受到曝气频率的显著影响。在曝气频率较低的情况下，微生物群落可能主要由硝化菌组成，而在曝气频率较高的情况下，脱氮菌和硫酸盐还原菌可能占据主导地位。这种微生物群落的变化可能与反应器内的氧化还原条件密切相关，从而影响污染物的去除效率。

在功能基因层面，研究发现，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫酸盐成为主要的还原底物。这种代谢途径的协同作用可能有助于提高污染物的去除效率，从而实现更高效的污水处理。

本研究的成果不仅揭示了曝气频率对污染物去除性能的动态变化，还阐明了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了科学依据，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。通过深入探讨不同曝气频率下的污染物去除机制，研究者能够更好地理解SBBR系统的运行规律，从而为实际应用提供理论支持和技术指导。

在实际应用中，优化曝气策略对于提高SBBR的处理效率至关重要。不同的曝气频率会影响反应器中的溶解氧（DO）水平，从而改变微生物的代谢活动和污染物的去除能力。例如，研究发现，在曝气频率较低的情况下，硝化作用可能受到抑制，而脱氮效率则相对较高。然而，随着曝气频率的增加，硝化作用可能增强，但脱氮效率却出现下降，这可能导致总氮去除效率的降低。

因此，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，不仅评估了其对污染物去除性能的影响，还揭示了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现表明，曝气频率在不同处理阶段对氮和磷的去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，以实现最高的污染物去除效率。

此外，研究还发现，在BPC-SBBR系统中，微生物群落的组成和活性受到曝气频率的显著影响。在曝气频率较低的情况下，微生物群落可能主要由硝化菌组成，而在曝气频率较高的情况下，脱氮菌和硫酸盐还原菌可能占据主导地位。这种微生物群落的变化可能与反应器内的氧化还原条件密切相关，从而影响污染物的去除效率。

在功能基因层面，研究发现，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫酸盐成为主要的还原底物。这种代谢途径的协同作用可能有助于提高污染物的去除效率，从而实现更高效的污水处理。

本研究的成果不仅揭示了曝气频率对污染物去除性能的动态变化，还阐明了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了科学依据，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。通过深入探讨不同曝气频率下的污染物去除机制，研究者能够更好地理解SBBR系统的运行规律，从而为实际应用提供理论支持和技术指导。

在实际应用中，优化曝气策略对于提高SBBR的处理效率至关重要。不同的曝气频率会影响反应器中的溶解氧（DO）水平，从而改变微生物的代谢活动和污染物的去除能力。例如，研究发现，在曝气频率较低的情况下，硝化作用可能受到抑制，而脱氮效率则相对较高。然而，随着曝气频率的增加，硝化作用可能增强，但脱氮效率却出现下降，这可能导致总氮去除效率的降低。

因此，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，不仅评估了其对污染物去除性能的影响，还揭示了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现表明，曝气频率在不同处理阶段对氮和磷的去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，以实现最高的污染物去除效率。

此外，研究还发现，在BPC-SBBR系统中，微生物群落的组成和活性受到曝气频率的显著影响。在曝气频率较低的情况下，微生物群落可能主要由硝化菌组成，而在曝气频率较高的情况下，脱氮菌和硫酸盐还原菌可能占据主导地位。这种微生物群落的变化可能与反应器内的氧化还原条件密切相关，从而影响污染物的去除效率。

在功能基因层面，研究发现，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫酸盐成为主要的还原底物。这种代谢途径的协同作用可能有助于提高污染物的去除效率，从而实现更高效的污水处理。

本研究的成果不仅揭示了曝气频率对污染物去除性能的动态变化，还阐明了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了科学依据，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。通过深入探讨不同曝气频率下的污染物去除机制，研究者能够更好地理解SBBR系统的运行规律，从而为实际应用提供理论支持和技术指导。

在实际应用中，优化曝气策略对于提高SBBR的处理效率至关重要。不同的曝气频率会影响反应器中的溶解氧（DO）水平，从而改变微生物的代谢活动和污染物的去除能力。例如，研究发现，在曝气频率较低的情况下，硝化作用可能受到抑制，而脱氮效率则相对较高。然而，随着曝气频率的增加，硝化作用可能增强，但脱氮效率却出现下降，这可能导致总氮去除效率的降低。

因此，本研究通过构建不同曝气频率下的BPC-SBBR系统，不仅评估了其对污染物去除性能的影响，还揭示了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现表明，曝气频率在不同处理阶段对氮和磷的去除效率具有显著影响，且存在一个最佳的曝气频率值，以实现最高的污染物去除效率。

此外，研究还发现，在BPC-SBBR系统中，微生物群落的组成和活性受到曝气频率的显著影响。在曝气频率较低的情况下，微生物群落可能主要由硝化菌组成，而在曝气频率较高的情况下，脱氮菌和硫酸盐还原菌可能占据主导地位。这种微生物群落的变化可能与反应器内的氧化还原条件密切相关，从而影响污染物的去除效率。

在功能基因层面，研究发现，nrfAH基因的高表达并未导致氨的积累，这说明脱氮过程不仅依赖于硫化亚铁的氧化，还涉及其他复杂的代谢途径。同时，硫酸盐还原（ASR）在系统中起到了重要的作用，尤其是在硝酸盐去除过程中，硫酸盐成为主要的还原底物。这种代谢途径的协同作用可能有助于提高污染物的去除效率，从而实现更高效的污水处理。

本研究的成果不仅揭示了曝气频率对污染物去除性能的动态变化，还阐明了其对微生物群落和代谢途径的调控作用。这些发现为优化SBBR在处理水产养殖废水中的曝气策略提供了科学依据，有助于推动更高效、更环保的污水处理技术的发展。通过深入探讨不同曝气频率下的污染物去除机制，研究者能够更好地理解SBBR系统的运行规律，从而为实际应用提供理论支持和技术指导。