玉米芯和稻草秸秆强化潜流人工湿地对低C/N污水的处理效果

人工湿地在处理低C/N污水时存在碳源缺乏而严重限制反硝化进行的问题.为了补充反硝化需要的碳源,选择了玉米芯和稻草秸秆作为外加碳源引入湿地系统,对比两种碳源对湿地脱氮的强化效果.结果表明,通过11 d的纯水浸提释放实验发现,碳素累积释放量：稻草秸秆［（145.17±9.44） mg·g^-1］>玉米芯［（57.41±5.04） mg·g^-1］;氮素累积释放量：稻草秸秆［（2.31±0.09） mg·g^-1］>玉米芯［（0.66±0.08） mg·g^-1］.在观测的时间内,玉米芯和稻草秸秆累积释放碳氮比平均值分别为94.78和63.64.相比于稻草秸秆,玉米芯更适合作为外加碳源.在为期58 d的潜流人工湿地实验中,发现除了第8~12 d,添加玉米芯和稻草秸秆人工湿地出水中ρ（COD）超过50 mg·L^-1外,其它时间都低于50 mg·L^-1.在观测期间,添加玉米芯人工湿地的NO₃^--N去除率为93%~99%,具有良好的反硝化性能.而添加稻草秸秆人工湿地在运行后期NO₃^--N去除率最低只有76.8%,反硝化速率明显下降.对照组NO₃^--N去除率只有76.2%~77.7%,出现了明显碳源不足的现象.碳源不足还造成了NO₂^--N的蓄积.添加稻草秸秆和对照组人工湿地中NO₂^--N的出水质量浓度分别是玉米芯人工湿地的2.5~6倍和6~26倍.与添加稻草秸秆比,添加玉米芯可以使人工湿地中NO₂^--N出水质量浓度得到更显著地降低（P<0.05）.玉米芯、稻草秸秆和对照组人工湿地TN去除率分别为83.75%~93.49%、76.59%~78.85%和67.85%~72.56%,三者之间存在显著性差异（P<0.01）.最后,通过对玉米芯进行了稀碱加热预处理,使玉米芯的碳素累积释放量提高到（93.73±17.49） mg·g^-1,累积释放的碳氮比提高至175.8,进一步提高了玉米芯的释碳性能,表现为更合适的外加碳源.     

输水情景下白洋淀好氧反硝化菌群落对溶解性有机物的响应

溶解性有机物（DOM）是影响微生物群落演变的重要因素,而生态输水是白洋淀的一个重要特征,为了探究输水情境下DOM对好氧反硝化菌的影响,本文结合水体DOM的组分解析和好氧反硝化高通量测序技术,进行了水体好氧反硝化菌对DOM的响应研究.结果显示,白洋淀水体DOM的相对浓度存在显著差异,河口区要低于内部区;DOM呈现出较强自生源特征,河口区具有更高的分子量和更强的腐殖化;平行因子法解析出3种类蛋白组分和1种类腐殖质组分,类蛋白组分占比达到35.64%~96.38%,与荧光区域积分得到类蛋白占主体的结果相一致.与此同时,该时期水体好氧反硝化菌主要属于变形菌门（Protebacterice）,主要包括Cupriavidus、Aeromonas、Thauera、Shewanella和Pseudomonas,与随机森林筛选出的指示物种相一致;网络分析得到35个网络关键节点,主要隶属于Thauera、Cupriavidus以及Unclassified_bacteria;冗余分析（RDA）显示类腐殖质物质是影响水体整体好氧反硝化菌群落组成的因子,类蛋白物质是影响指示物种群落和关键节点群落结构分布的重要因素.综上可知,水体溶解性有机物中类蛋白组分可以作为筛选适于生态输水期水体特征的耐低温高效好氧反硝化菌的碳源选择.     

新型反硝化固体碳源释碳性能研究

碳源在生物硝酸盐去除过程中起着重要的提供电子供体的作用,因此是生物反硝化的核心物质之一.选出玉米芯、稻壳、稻草、木屑4种农业废弃物做为反硝化碳源和生物膜载体,研究了4种碳源物质的释碳规律及外界因子对其释碳能力的影响.结果表明,4种碳源材料的释碳过程均满足二级动力学方程;比较而言,稻草的有机物释放量最大,释放速率也最快,...     

以10种农业废弃物为基料的地下水反硝化碳源属性的实验研究

为了选择理想的农业废弃物作为优质碳源,同时作为生物膜载体应用于可渗透反应墙(PRB),通过反硝化作用去除地下水中的硝酸盐.选择小麦秸秆、玉米秸秆、稻秆、大豆秸秆、玉米棒、稻壳、甘蔗渣、杨树枝、木屑、芦苇共10种农业废弃物进行元素分析实验、浸溶实验和长效浸出实验研究.元素分析实验结果显示,10种农业废弃物的C、N、H元素含量分别为38%~48%、5%~7%、0.5%~2.5%.短效浸出实验表明,甘蔗浸出液的总有机碳(TOC)浓度最高,均值可达38.66 mg·g~(-1),大豆秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、稻壳、杨树枝和小麦秸秆为8.04~15.30 mg·g~(-1),其他均值约为2.36~6.33 mg·g~(-1).但是,大部分农业废弃物均释放一定量的含氮物质.其中,硝酸盐及亚硝酸盐释放量均低于0.05 mg·g~(-1),氨氮释放量低于0.30 mg·g~(-1),凯氏氮除木屑、玉米棒、杨树枝释放量较低,其余均高于0.80 mg·g~(-1),最高可达1.65 mg·g~(-1).同时,秸秆类材料浸出液具有一定的色度,其中稻杆的色度最高,其值为1025.选择浸出液TOC浓度较高的甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、小麦秸秆及凯氏氮浓度较低的玉米棒和木屑作为理想碳源材料,进行长效浸出实验.结果表明,6种材料的TOC能迅速达到高位平衡状态,且溶出速率稳定,浸出液的高效液相色谱(HPLC)和气-质谱联用仪(GC/MS)分析表明,其主要成分为有机酸、糖类、含氮有机物和酯类等物质.其中,有机酸主要为甲酸、乙酸、草酸、富马酸等小分子有机酸、糖类主要为纤维二糖、葡萄糖、果糖和木糖.脱氮效能实验表明,6种农业废弃物硝酸盐去除率均达到80%以上,脱氮速率均达到1.00~2.00 mg·cm~(-3)·d~(-1)(以N计).综上,这6种材料均可作为地下水硝酸盐污染原位修复的理想碳源填充材料.     

活性污泥快速吸附污水碳源的动力学研究

为了解不同活性污泥对污水中碳源的吸附机制,探讨利用活性污泥吸附、 回收污水碳源的可行性,研究了3种活性污泥（富碳、 硝化和反硝化污泥）对城市污水中有机物吸附特征,并采用以Richie速率方程为基础的3种吸附动力学方程对此吸附过程进行了动力学数据分析.在吸附过程的前30 min左右,活性污泥以物理吸附为主,可用Lagergren单层吸附模型表述.富碳污泥的吸附量（COD/SS）最大,约60 mg/g,但吸附速率要较反硝化污泥慢;硝化污泥的吸附速率最小,但吸附容量较反硝化污泥大,约35 mg/g.富碳、 硝化和反硝化污泥的拟合参数θ₀值分别为0.284、 0.777和0.923,说明富碳污泥表面吸附的有机物通过预处理,清洗得最彻底,即富碳污泥对有机物的结合力度最小,有利于被吸附碳源的释放.采用Langmuir模型拟合可知,在此吸附试验条件,有机物浓度是影响污泥吸附量的关键参数,温度影响非常小.本研究分析了不同种类活性污泥对污水碳源的吸附动力学规律,为动力学分析活性污泥的除污机制提供了方法,为利用活性污泥的吸附作用回收污水碳源提供了理论基础.     

农业废物反硝化固体碳源的优选

以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生壳、木屑6种农业废物作为反硝化碳源和生物膜载体的备选材料,通过各物质浸出物质元素分析、含碳量以及脱氮效果、生物附着性能等方面的比较,意在优选出适于推广的反硝化固体碳源.结果表明,6种农业废物的浸出液中均未检测出铜、铅、铬及镉,安全性较好.甘蔗渣浸出液的有机碳含量和释放速率明显高于其他材料,木屑浸出液的有机碳含量则相对最低.其中,玉米芯、稻草及稻壳表现出较强的持续供碳能力.以稻草、稻壳和玉米芯为碳源和载体的实验组硝酸盐去除率均达80%以上,而木屑实验组由于碳释放量不足、生物附着性能较差等原因导致脱氮性能较差.试验初步优选出了玉米芯、稻草、稻壳可用做替代传统液体碳源的固体碳源.     

典型河口主要氮转化过程对盐度响应机制的室内外实验研究

受全球盐水入侵加剧影响,河口区域水环境安全面临巨大的威胁.通过室内水槽控制实验和室外原位微生物培育实验,分别研究盐度作用的不同时间尺度下,不同形态氮（NO₃^-、NH₄⁺和溶解性N₂O）转化及转化过程硝化、反硝化和硝酸异化还原氨（DNRA）功能基因的响应机制.结果表明：①室内实验的NH₄⁺和溶解性N₂O浓度与盐度呈正相关,NO₃^-浓度随盐度上升而降低;室外原位实验的涨潮期,去菌处理组的NH₄⁺和NO₃^-浓度随盐度上升反而下降,溶解性N₂O浓度则随盐度上升呈上升趋势;未去菌处理组和原位对照组的NH₄⁺、NO₃^-和溶解性N₂O浓度均与 盐度呈负相关.②室内外实验表明,盐度在21.6以下时,硝化反应、反硝化反应和DNRA反应均得到增强,高盐度条件下（盐度为34.0）硝化反应抑制作用明显.盐度长期作用下主导功能基因为nxrA、nirK、nirS和nrfA,而短期的主导功能基因为amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nirS和nrfA.本研究通过对水体不同组分氮浓度-功能基因对盐度不同作用时间尺度的响应研究,为河口区域盐水入侵和氮源汇转化机制研究提供技术支撑.     

固体纤维素类废物作为反硝化碳源滤料的比选

以棉花、稻草、稻壳、玉米芯这4种农业废弃物作为反硝化碳源和微生物载体,通过对静态释碳数量和质量、长期脱氮效果以及生物附着性能等方面的比较,旨在优选出适于再生水反硝化深度脱氮生物滤池的固体纤维素碳源滤料.结果表明,玉米芯初期可溶性有机物较多,易于微生物的附着和繁殖生长;且比其它3种碳源表现出更好的长期反硝化效果,2.5 g玉米芯在46 d累计去除了284.544 g的硝氮;棉花、稻草前期处理效果较好,但长期反硝化能力不如玉米芯;稻壳的处理效果最差,几乎不能被微生物有效利用.因此,玉米芯更适用于再生水反硝化深度脱氮滤池的碳源滤料.     

赤铁矿对园林落叶植物生物质水解液中溶解性芳香物质的调控效果

植物生物质作为污水反硝化脱氮碳源,存在出水色度和COD升高的问题,木质素水解产生的多酚类物质等芳香化合物是导致该问题的根本原因.由于赤铁矿对木质素酚具有吸附潜力,本研究尝试采用赤铁矿调控植物生物质厌氧水解产生的溶解性芳香物质,避免其进入水解液后形成不易被反硝化利用的COD和色度.研究利用预处理园林树木黄葛榕落叶和赤铁矿形成共厌氧水解系统,以未加入赤铁矿的系统为对照,考察了赤铁矿共厌氧对水解液的UV₂₅₄、SCOD、挥发性有机酸、亚铁等影响;在此基础上进一步分析了赤铁矿对预处理黄葛榕落叶厌氧水解液中多酚类物质的吸附去除特性.结果表明,与无赤铁矿的厌氧水解系统相比,赤铁矿的共厌氧能有效地降低水解液的UV₂₅₄,并提升SCOD和乙酸产生速度和浓度,但后期会发生活跃的铁还原过程;赤铁矿能够有效地吸附去除黄葛榕木质纤维素厌氧水解液中的多酚类物质,吸附过程与准一级动力学方程拟合效果相对优于准二级.根据Langmuir方程对其吸附等温线拟合结果,赤铁矿对多酚的饱和吸附量为1.399 mg·g^-1;黄葛榕落叶厌氧水解液经赤铁矿的吸附处理后,以其配制的纤维素酶液的滤纸酶活提升了11.68%.因此,共厌氧系统中赤铁矿对多酚类物质的吸附去除,不但降低了水解液中溶解性芳香有机化合物的含量,而且也可以缓解多酚类物质对纤维素酶等水解酶活性的抑制,提升反硝化碳源乙酸生产性能.赤铁矿与落叶植物生物质共厌氧水解在调控水解液溶解性芳香类物质、提升水解液反硝化性能方面具有应用潜力.     

稻田土壤氧化亚氮产生潜势、反硝化功能基因丰度和群落结构的垂向分布

土壤中氧化亚氮（N₂O）的释放量占全球N₂O释放总量的60%.其中，稻田土壤是N₂O最主要的释放源.反硝化过程是稻田土壤N₂O生成的主要微生物过程之一.本研究选取广东韶关稻田垂向土壤（0~100 cm）为研究对象，通过乙炔抑制剂法测定了N₂O产生潜势和反硝化潜势，并利用针对特异性功能基因的实时荧光定量和高通量测序技术分别分析反硝化功能基因丰度和反硝化微生物群落结构.结果显示：0~10 cm深度的土壤样品N₂O产生潜势最高，可达（0.020±0.0035）μg·g^-1·h^-1.反硝化功能基因中，nirK基因的丰度峰值（（1.51±0.0015）×10⁸ copies·g^-1）出现在0~10 cm深度，而nosZ和nirS基因的丰度峰值（（4.29±0.0015）×10⁷ copies·g^-1和（8.86±0.0010）×10⁷ copies·g^-1）均出现在10~20 cm深度.稻田垂向土壤中N₂O产生潜势和相关的反硝化功能基因（nosZ、nirK和nirS）丰度均随土壤深度的增加而逐渐降低.其中在所有深度的土壤样品中nirK基因的丰度均高于nirS.基于nirK基因的高通量测序结果发现慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）的相对丰度最高（44.06%±6.14%，n=6）.相关性分析表明，稻田土壤中N₂O产生潜势与环境因子（TN、TC和含水率）、反硝化功能基因丰度以及慢生根瘤菌（Bradyrhizobium），罗河杆菌属（Rhodanobacter）和亚硝化螺菌属（Nitrosospira）的相对丰度呈正相关.上述结果表明稻田土壤中环境因子和反硝化功能基因丰度影响了N₂O产生潜势的垂向分布.     

预处理方法对玉米芯作为反硝化固体碳源的影响

分别用1.5%NaOH、1%H2SO4、1.5%H2O2和碱性双氧水(含有1.5%H2O2的NaOH溶液)并联合紫外照射对玉米芯进行预处理,将预处理后玉米芯作为反硝化固体碳源和微生物载体进行静态释碳和静态反硝化实验,考察预处理后玉米芯释碳、反硝化性能及微生物附着情况.结果表明,经过碱和碱性双氧水预处理后的玉米芯碳源可利用性和反硝化效率均有显著的改善,尤其是碱预处理方法,静态反硝化反应至41 d时,仍能保持90%以上的硝酸盐去除率.因此,碱预处理方法可以改善玉米芯释碳性能,有利于微生物的附着和碳源的利用.     

生物反硝化去除地下水中硝酸盐的混合碳源研究

选取麦秸、锯末、乙醇为碳源,比较了这3种物质单独或两两组合作为碳源的情况下,生物反硝化去除模拟地下水中硝酸盐的效果.结果表明,以麦秸为碳源的反应体系具有较好的反硝化效果,但反应器出水具有颜色和异味;锯末+乙醇作为混合碳源的反应体系比单独添加锯末或乙醇反应体系的脱氮效果好;碳氮比(C/N)为40的混合碳源用量有利于硝酸盐...     

三峡库区城镇化背景下河流DOM的吸收及荧光光谱特征

研究城镇化对河流溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)组分和化学结构、来源与迁移规律的影响,对水生态系统保护及生物地球化学循环研究具有重要意义.运用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术,研究三峡库区不同城镇化程度的典型河流(桃花溪、南河和普里河)的DOM光谱学特征.结果表明,河流城镇化程度越高,DOM和有色溶解性有机质(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)浓度越大,河流DOM的腐殖化程度和芳构化程度越小,疏水性组分越少,DOM中类蛋白物质相对浓度越高,DOM的新近自生源特性越强.河流DOM均以富里酸类为主(E3/E4均值 3. 5),CDOM浓度与DOM浓度显著正相关(P 0. 01),各河流DOM腐殖化程度(SUVA254)、芳构化程度(SUVA280)和疏水组分(SUVA260)极显著正相关(P 0. 01).桃花溪、南河、普里河的荧光指数均值为1. 715 7～1. 757 1,DOM的腐殖质来源均为外源输入和微生物、藻类生产两种方式混合,且以内源产生为主.     

Humic fractions of organic wastes

The distribution and composition of humic and fulvic acids have been investigated in the following organic wastes: straw, farmyard manure, sewage sludge, poultry manure, municipal refuse compost and pig slurry. Of the total organic carbon, the proportion present as humic carbon varied from about 13% in the compost to 50% in the pig slurry; the humic compounds extracted are characterized by a variable chemical composition. As compared to the natural humic substances from soil organic matter, these compounds show a lower content of acidic functional groups, lower E₄/E₆ and C/H ratios and can be classified as young forms of humic substances.