以丝瓜络为碳源的固相反硝化系统性能研究

【目的】构建以丝瓜络为碳源的固相反硝化系统，并探究在不同水力停留时间（hydraulic retention time, HRT）和进水硝酸盐浓度（Influent nitrate concentration, INC）下该系统的反硝化性能，为丝瓜络作为反硝化碳源在水产养殖尾水处理工艺的进一步优化提供理论依据。【方法】以丝瓜络（loofah sponge, LS）为一维反硝化反应器（denitrification reactor, DR）外加碳源，在流场环境下，测定不同HRT（16、20、24和28 h）和INC（50、75、100和125 mg/L）下反硝化系统对硝酸盐氮（NO3?-N）、亚硝酸盐氮（NO2?-N）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和COD的去除效果。并采用基于Illumina Miseq测序平台的高通量测序技术，对丝瓜络反硝化反应器（LS-DR）在运行初期和末期时的细菌群落结构进行分析。【结果】当INC为50 mg/L，HRT为24 h时，LS-DR的NO3?-N去除率和TN去除率均达到最大，分别为98.97±0.52%和97.84±0.94%，同时出水NO2?-N浓度也达到较低水平（小于0.5 mg/L）；在HRT为24 h的基础上，当INC延长至75、100和125 mg/L时，其NO3?-N去除率和NO3?-N去除速率（nitrate removal rate, NRR）均随INC的增加而显著增加（P < 0.05），出水COD则随INC的增加而降低，但均未实现完全反硝化，然而，LS-DR在整个实验期间均能完全去除NH4+-N；扫描电镜结果显示丝瓜络表面结构有利于微生物附着生长；高通量测序结果显示LS-DR的优势菌门包括变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、弯曲杆菌门（Campilobacterota）、厚壁菌门（Firmicutes）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）；被鉴定的优势菌属中热单胞菌属 (Thermomonas, 1.46%)、陶厄氏菌属 (Thauera, 0.55%)、固氮螺菌属 (Azospira, 3.32%)、Simplicispira（1.01%）、假黄色单胞菌属 (Pseudoxanthomonas, 0.39%)、草螺菌属 (Herbaspirillum, 3.02%)和Uliginosibacterium（0.9%）能够促进反硝化的进行，Cytophaga xylanolytica（1.61%）和Cloacibacterium（2.69%）主要参与了丝瓜络的降解，黄杆菌属 (Flavobacterium, 1.17%)和Diaphorobacter（0.64%）既能进行反硝化，也能降解丝瓜络。【结论】LS-DR的最佳HRT为24 h，最适宜的INC为50 mg/L。【意义】本研究为丝瓜络固相反硝化工艺的优化提供了理论基础，为开发应用新型缓释碳源提供参考。     

土壤含水量对硝化和反硝化过程N_2O排放及同位素特征值的影响

【目的】通过室内培养试验,研究不同含水量对北京顺义潮褐土N_2O排放及同位素特征值(δ15Nbulk,δ18O和nitrogen isotopomer site preference of N_2O,简称SP)的影响,以期获得不同水分条件下土壤N_2O产生途径及变化规律,为农田土壤N_2O减排提供理论依据。【方法】结合稳定同位素技术与乙炔抑制法,以北京顺义潮褐土为试材,设置3个含水量梯度:67%、80%和95%WFPS(土壤体积含水量与总孔隙度的百分比或实际重量含水量与饱和含水量的百分比,简称WFPS),在此基础上设置无C2H2,0.1%(V/V)C2H2和10%(V/V)C2H2处理。将土壤装入培养瓶中培养2 h,之后收集培养瓶中的气体测定N_2O浓度及同位素特征值,并采集土样测定其NH+4-N和NO-3-N的含量。利用同位素二源混合模型计算硝化和反硝化作用对土壤N_2O排放的贡献率,对N_2O产生途径进行量化分析。【结果】根据室内土壤培养测定结果,高(95%WFPS)、中(80%WFPS)和低(67%WFPS)含水量土壤N_2O加权平均排放通量分别为1.17、0.27和0.08 mg N·kg-1·d-1,高含水量土壤N_2O排放量均显著高于中、低含水量处理,中含水量处理显著高于低含水量;整个培养周期,高、中和低含水量土壤N_2O+N_2累积排放量分别为培养初期总的无机氮含量的18.05%、5.27%和1.24%(N_2O+N_2累积排放量分别为19.61、5.72和1.35 mg N·kg-1;各处理NH+4-N+NO-3-N初始含量均为108.62 mg N·kg-1);与低含水量处理相比,高、中含水量土壤的N_2O+N_2累积排放量分别增加了13.53倍和3.24倍,高含水量土壤N_2O+N_2累积排放量比中含水量高2.43倍,表现为随着含水量的增加,土壤无机氮(NH+4-N+NO-3-N)以气态氮(N_2O+N_2)形式的损失量逐渐增加。3个含水量处理N_2O的δ15Nbulk加权平均值变化范围为-42.93‰—-4.07‰,且较高含水量处理显著低于较低含水量处理;10%(V/V)C2H2抑制土壤中N_2O还原成N_2的过程,各含水量土壤中,10%(V/V)C2H2处理组其N_2O的δ18O值显著低于0.1%(V/V)C2H2处理组,且N_2O/(N_2O+N_2)比率随土壤含水量增加而降低;各处理土壤中同时存在多个N_2O产生过程,对于培养第一周,土壤产生的N_2O的SP值于培养前4 d呈逐渐增加的趋势,之后又逐渐降低,低含水量土壤在第1—2天产生的N_2O的SP值为6.74‰—12.04‰,反硝化作用对土壤N_2O排放的贡献率为56.36%—66.15%,此培养阶段表现为土壤主要通过反硝化作用产生N_2O,之后,硝化作用贡献率(55.78%—100%)增强;中含水量土壤N_2O的SP加权平均值为10.26‰,该土壤中反硝化作用(40.90%—74.04%)占据主导地位;加10%(V/V)C2H2的高含水量处理,在整个培养第一周均具有较高的SP值,变化范围为7.61‰—21.11‰;与0.1%(V/V)C2H2处理组相比,10%(V/V)C2H2处理的高、中和低含水量土壤排放N_2O的SP加权平均值分别降低了0.10倍、0.33倍和0.06倍。【结论】土壤含水量增加促进N_2O排放,高含水量处理中N_2O排放量最高。67%WFPS处理中,N_2O排放前期以反硝化作用为主,后期以硝化作用为主;80%WFPS处理中,N_2O主要由反硝化过程产生;95%WFPS处理中,N_2O排放以硝化作用为主。     

SBBR反应器SND脱氮的影响因素分析及响应曲面优化

采用活性炭涂层改性悬浮填料,在连续曝气的条件下,考察了SBBR反应器脱氮性能。结果表明,SBBR反应器表现出良好的同步硝化反硝化(SND)脱氮性能,对NH₃-N和TN的去除率分别为80.7%和63.1%。典型周期内反应器同步硝化反硝化率可达82.7%。单因素试验发现,脱氮率随着曝气时间t的增加而增加,随着溶解氧质量浓度ρ_DO和填料投加量δ增大而先增大后减小。同时,以溶解氧质量浓度、填料投加量和曝气时间为考察因素,脱氮率为评价指标,采用响应曲面法建立了二次多元回归模型。通过模型求解得出最佳工况:溶解氧浓度为2.37 mg/L,填料投加量为40.10%,曝气时间为5.17 h,此时,脱氮率得到最大值为69.28%。验证试验表明,回归模型的预测值与实测值偏差率为1.57%。     

固定水力负荷下人工湿地各单元净化污水效果研究

以东莞生态产业园内的人工湿地污水处理系统为研究对象,对比分析了系统内反硝化池、垂直流人工湿地、表面流人工湿地单元在高温期和低温期的污水净化能力,探讨了系统建成运行3年后,2013—2015年在固定水力负荷下的污水处理效果。结果表明,该人工湿地污水处理系统运行3年,净化能力保持稳定;相对于低温期,系统在高温期的污水处理效果不明显;反硝化池、垂直流人工湿地、表面流人工湿地各单元的污水处理能力不同,垂直流人工湿地对总磷、总氮的去除效果明显,反硝化池对氨氮的去除效果明显;表面流人工湿地相对于垂直流人工湿地,对各项水质指标值的去除效果不明显。作为人工湿地污水处理系统,应当重视表面流人工湿地对污水净化效果的影响。     

固定反硝化菌强化人工湿地处理低污染水研究

将固定反硝化菌Pseudomonas stutzeri(以聚乙烯醇、海藻酸钠为材料包埋固定)投加至人工湿地不同位置,进行低污染水模拟脱氮实验,以探究固定反硝化菌的最佳投加位置;采用高通量测序技术分析各系统微生物组成,并考察最优系统在低温下的脱氮效果。结果表明,上层投加固定反硝化菌对湿地脱氮的强化效果最佳,TN与NO_3~--N去除率分别为60.31%与64.98%;微生物多样性指数显示,投加固定反硝化菌虽降低了系统微生物丰富度,但各处理系统内主要微生物物种差异不大,Proteobacteria(变形菌门)丰度最高,投加固定反硝化菌系统中Nitrospira(硝化螺旋菌门)比例增大,有利于脱氮效果的提高。在15℃条件下,上层投加固定反硝化菌系统的TN与NO_3~--N去除率分别为50.86%与55.06%,高于空白湿地系统(TN与NO_3~--N去除率为24.81%与27.53%)。     

顺义潮白河再生水受水区反硝化作用初探

以顺义潮白河段再生水受水区为研究对象,沿受水区再生水补给路径布设监测点,利用N_2∶Ar法和膜进样质谱仪(MIMS)直接测定反硝化产物溶解性N_2浓度,计算水-气界面N_2通量,探究N_2通量变化特征和硝酸盐氮沿流向变化的受控因素,概算硝氮转化过程中主要作用的贡献。结果显示:减河段N_2通量为8.92~15.20 mmol N2·m~(-2)·d~(-1),潮白河段N_2通量为17.07~33.01 mmol N_2·m~(-2)·d~(-1)。NO_3~--N含量在不同河段的变化主要受控于反硝化作用和浮游植物的同化吸收,其中减河段反硝化作用除氮量和浮游植物同化吸收固氮量分别为0.041 mmol·L~(-1)和0.017 mmol·L~(-1),分别占NO_3~--N变化量的68.33%和28.33%;潮白河段为0.254 mmol·L~(-1)和0.125 mmol·L~(-1),分别占NO_3~--N变化量的63.50%和31.25%。     

Integrated Nitrogen Fertilization for Intensive and Sustainable Agriculture

Summary

Increased efficiency of land use and resource-use are critical for agriculture to feed the ever increasing population and yet remain sustainable for the future generations. Mineral fertilizers, particularly, nitrogen (N) fertilizer has played a very important role in meeting the increased food demand and in saving millions of hectares of marginal and wildlife reserves from coming under cultivation. Apart from higher yields per unit land, N application also results in higher protein content. Improper use of N fertilizers due to high application rates, incorrect source and method of application, and poor timing of application have led to air and water pollution and economic losses. Integrated and balanced N fertilization results in a win-win situation with intensive and sustainable agriculture that feed the world without harming the environment. Since multitude of management, soil, crop, and weather-related factors control soil and plant N dynamics, N management recommendations based on field trials alone are too costly and time-consuming. Dynamic N management recommendations that are both site— and season-specific combine field trials with decision support systems (DSS) that simulate crop growth and N transformations as a function of above-mentioned factors. Innovative N fertilizer products and N efficient plant types will further improve N use efficiency.     

空间位置对聚丁二酸丁二醇酯固相反硝化脱氮性能的影响

采用室内装置以可生物降解聚合物(BDPs)聚丁二酸丁二醇酯[Poly (butylene succinate),PBS]为碳源和载体构建固相反硝化系统,研究反应器内上、中、下3层PBS颗粒表面所附着的生物量、质量损耗以及反硝化脱氮速率.结果表明,在进水硝酸盐浓度为50 mg/L、水力停留时间(HRT)为4h的条件下,反应器具有良好的脱氮能力,第20d时出水硝酸盐浓度降到0.2476 mg/L,去除率为99.50％.在生物量和质量损耗的试验中发现,PBS的空间物理结构对表面附着的生物量和PBS质量损耗有着显著的影响,随高度的增加呈递减趋势;上、中、下3层PBS表面所附着生物量分别为7.65×108、1.48×109、3.64×109 CFU/cm3,质量损耗量分别为0.3517、0.6749、3.9336 g.反硝化脱氮速率测试结果表明,上、中、下3层PBS颗粒的硝酸盐去除能力存在极显著差异,去除率分别为38.479％、72.128％和99.233％;在前9h内亚硝酸盐的含量都呈升高趋势,浓度分别为9.7075、7.2982、10.0527 mg/L,随后的14h内开始下降,终浓度分别为6.9351、5.3473、0.2119 mg/L;总氮的去除率分别为58.3449％、70.0623％和99.1570％.     

一株异养硝化细菌的分离鉴定和脱氮特性研究

筛选对高浓度NH3-N养殖废水具有高效硝化能力的菌株,研究其硝化性能。通过比较几种已报道的筛选方法和不同生境中异养硝化细菌筛选效果,确定了以乙酰胺为唯一碳源和氮源,从高氨氮生境中可以筛选到高效的异养硝化细菌;进一步通过富集培养分离,从沼气池出水口水中分离到一株异养硝化细菌,并根据部分长度的16S rDNA序列进行了系统发育分析。该菌株具有高效异养硝化功能,在初始氨氮浓度为104 mg·L-1的异养氨化培养基中培养12 h后,氨氮和总氮去除率分别达81.7%和53.7%,最终氨氮和总氮去除率可达90.1%和61.3%,且培养液中无明显的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮累积。16S rDNA的序列分析鉴定,该菌株与Paracoccus denitrificans具有99%相似性,结合生理生化分析认定该菌株是一株脱氮副球菌,命名为Paracoccus denitrificans FJAT-14899。筛选出的菌株Paracoccus denitrificans FJAT-14899对氨氮具有高效的去除率,显示了良好的应用前景。     

凤眼莲及底泥对富营养化水体反硝化脱氮特征的影响研究

利用改进的漂浮箱法,通过直接测定水体释放的N2O、N2,在模拟实验中研究种养及未种养漂浮植物凤眼莲条件下富营养化水体硝化、反硝化脱氮释放N2、N2O特征及其对消减水体氮的贡献。结果表明,种养或未种养凤眼莲的富营养化水体硝化、反硝化脱氮的产物以N2为主,硝化、反硝化脱氮释放N2O而脱除的氮仅占水体TN损失量的0.01%±0.003%。在实验设定的水体富营养化条件下（NH+4-N浓度6.0~7.2 mg·L-1、NO-3-N浓度0.81~5.14 mg·L-1 、TN浓度为8.9~12.07 mg·L-1）,种养凤眼莲的富营养化水体（无底泥）以向大气界面累积释放N2形式损失的氮量（N2-N量,以N计）为（1 609.1±303.4）~（2 265.2±262.6）mg,占水体氮损失量的63.2%±17.0%,凤眼莲吸收的N仅占水体TN损失量的（23.7±3.1）%~（28.7±4.8）%,并不是净化水体氮的唯一途径。未种养凤眼莲的富营养化水体（无底泥）向大气界面累积释放N2形式损失的氮占整个水体N损失量的（40.7±8.6）%~（43.6±0.8）%,是富营养化水体自净脱氮的主要途径。施加底泥进一步促进了水体通过反硝化脱氮释放N2而损失的氮量。凤眼莲与底泥对促进反硝化脱氮过程具有良好的交互作用（P<0.01）。种养凤眼莲的富营养化水体向大气界面释放N2的浓度显著（P<0.05）高于相应处理下未种养凤眼莲的对照水体,说明凤眼莲可能对水体反硝化脱氮过程有促进作用。