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.     

地下水氮污染原位修复缓释碳源材料的研发与物化-生境协同特性

地下水流速及物质间反应均处于缓慢状态,因此向地下水环境中投加的修复材料应具有缓释性.本研究针对浅层地下水特性及氮赋存特征,以农业废弃物和零价铁(Fe0)为基料,耦合生物、化学反应,开展具有物化-生境协同作用的缓释碳源材料的研发和性能研究.所研发材料具有内核和外壳双层结构.内核为修复基质层,由农业废弃物与Fe0等原料组成.其中,农业废弃物提供微生物所需碳源,Fe0还原水体中硝酸盐氮及DO,快速脱氮并促进厌氧环境形成.外壳为溶质运移渗透层,由原生矿物等组成,可包覆内核材料,减缓内核碳源释放、吸附二次污染物.材料物理测试显示,其内核均匀交联,外壳呈明显均匀孔隙结构(SEM),颗粒强度高达每颗80~105 N,具有良好的机械抗压性;材料密度最低可达1.1 g·cm~(-3),无水中漂浮现象;缓释实验表明,该材料具有良好的碳源缓释性,其总有机碳(TOC)释放量[Max:21~25 mg·(g·L)~(-1)]和速率[Max:0.185 mg·(g·L·d)~(-1)]始终呈现平稳状态,而农业废弃物释碳量[Max:53~75 mg·(g·L)~(-1)]及速率[Max:0.455mg·(g·L·d)~(-1)]波动较大.进一步功能基因丰度分析,材料浸出液有利于反硝化细菌代谢活动.脱氮和捕氧实验初期,该材料体系以Fe0化学脱氮为主,并降低水体DO,有利于反硝化进行;随后,生物反硝化占主导地位,材料脱氮率与其Fe0含量相关性变小,体系形成物化-生境协同脱氮途径.     

梧桐树叶作为反硝化碳源的研究

以梧桐树叶浸出液作为碳源进行反硝化实验.首先探讨了树叶中有机酸在浸渍过程中的释放规律及其影响因素.经过分析,树叶中释放的有机酸成分主要是延胡索酸,其它还有柠檬酸、草酸和苹果酸等.采用梧桐树叶浸出液作为反硝化碳源时,平均硝酸盐去除速率为2.19 mg·h-1,而以甲醇、乙酸和葡萄糖为碳源时,它们的硝酸盐去除速率分别为2.29、2.26和1.87 mg·h-1.其速率略低于甲醇和乙酸,而远高于葡萄糖.实验结果表明在反硝化过程中,去除1mg硝酸盐需要7.5mg当量梧桐树叶浸出液的COD,并且没有亚硝酸盐的积累.     

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,...     

人工湿地反硝化外加固体碳源选择研究

为了筛选合适的固体碳源,以玉米秸秆、污泥作为研究对象进行碳源释放规律及预处理实验研究,并从碳源释放量,释放速率、释放C/N比等方面探讨其做为碳源的可行性。结果表明,碱加热预处理后的玉米秸秆碳元素平均释放量为10.31 mg/(g·d),较酸加碱加热预处理方式高0.91 mg/(g·d),但二者氮元素平均释放量相同,均为0.20 mg/(g·d)。污泥经预处理后,碳、氮元素平均释放量分别为8.98 mg/(g·d)、0.21 mg/(g·d)。考虑到污泥作为反硝化碳源可以实现污泥的资源化、减量化和无害化。所以污泥和碱加热处理的玉米秸秆均可作为人工湿地外加碳源。     

以PHAs为固体碳源的城镇二级出水深度脱氮研究

利用从连续运行的缓释碳源滤料滤池中取出的聚羟基脂肪酸酯(PHAs)颗粒,研究了微生物和硝酸盐对其的总有机碳(TOC)释放速率的影响,并研究了温度、pH值、硝态氮浓度对其反硝化速率的影响.结果表明:原有的和附着有微生物的PHAs颗粒在去离子水中TOC释放速率分别为0.030,0.053mg/(g·d),远低于水中有硝酸盐时的TOC释放速率[进水NO3--N为30mg/L时,TOC释放速率为0.533mg/(g·d)].温度和pH值对反硝化速率影响较大, pH值为7.5时,在15~35℃范围内, 30℃下的反硝化速率最大,为0.067mg/(g·h);温度为30℃时,pH值在6.0~9.0范围内,pH值为7.8时的反硝化速率最大,达到0.061mg/(g·h).反硝化速率与NO3--N浓度之间的关系符合Monod方程,最大反应速率和半饱和常数分别为4.74mgNO3--N/(gSS·h)和56.6mg/L.     

以PHAs为固体碳源的城镇二级出水深度脱氮研究

利用从连续运行的缓释碳源滤料滤池中取出的聚羟基脂肪酸酯(PHAs)颗粒,研究了微生物和硝酸盐对其的总有机碳(TOC)释放速率的影响,并研究了温度、pH值、硝态氮浓度对其反硝化速率的影响.结果表明:原有的和附着有微生物的PHAs颗粒在去离子水中TOC释放速率分别为0.030,0.053mg/(g·d),远低于水中有硝酸盐时的TOC释放速率[进水NO3--N为30mg/L时,TOC释放速率为0.533mg/(g·d)].温度和pH值对反硝化速率影响较大,pH值为7.5时,在15~35℃范围内,30℃下的反硝化速率最大,为0.067mg/(g·h);温度为30℃时,pH值在6.0~9.0范围内,pH值为7.8时的反硝化速率最大,达到0.061mg/(g·h).反硝化速率与NO3--N浓度之间的关系符合Monod方程,最大反应速率和半饱和常数分别为4.74mgNO3--N/(gSS·h)和56.6mg/L.     

农业固废碳源对三峡库区消落带土壤脱氮性能的强化作用

三峡库区消落带土壤的脱氮能力与库区水体质量有密切关系,对其加以强化有助于提高消落带的径流氮素截留量,而适宜的碳源可促进生物脱氮。以花生壳、刨花、稻草秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆5种农业固废作为反硝化碳源,研究了添加碳源后消落带土壤的脱氮效果及释碳情况。结果表明:m(固废碳源)∶m(土壤)为1∶4和1∶10下,5种碳源均强化了土壤的脱氮效果。m(固废碳源)∶m(土壤)为1∶10去除效果更好,添加5种碳源后25 d时土壤对NO3--N去除率均达到85%以上。2组碳源比例下所释放的总有机碳(TOC)浓度在10 d时均达到较高水平,1∶10碳源比例的TOC含量在实验后期出现了下降,添加秸秆类碳源材料的TOC含量较高,花生壳和刨花TOC含量较低且能满足NO3--N有效去除的碳源需要。综合考虑脱氮效果与安全性,认为花生壳和刨花为较适宜的农业固废碳源。     

太湖竺山湾沉积物碳氮磷分布特征与污染评价

为了揭示太湖竺山湾沉积物中碳、氮和磷的分布特征,本研究在太湖竺山湾设置3个断面(湖湾内,A断面;湖湾中部,B断面;开敞湖区,C断面) 10个采样点,采集沉积物柱状样,每2 cm间隔分层测定沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)和总有机碳(TOC)含量,以揭示其水平分布和垂向分布特征.结果表明,在空间上竺山湾表层沉积物呈现开敞湖区向湖湾富集的特征,湖湾内部碳、氮和磷含量显著高于开敞湖区(P 0. 01),其中湖湾内(A断面)表层沉积物TN、TP和TOC含量分别为1. 53、1. 55和11. 31 mg·g~(-1),而靠近开敞湖区(C断面)表层沉积物TN、TP和TOC含量仅为0. 75、0. 57和6. 70 mg·g~(-1).垂向分布特征表现为表层富集,3个断面TN、TP和TOC含量随着底泥深度的增加均呈现出下降趋势,表层沉积物TN、TP和TOC含量分别是底层的2～3、2～5和2～3倍.整体而言,竺山湾沉积物TP含量均值为0. 93 mg·g~(-1),属于重度污染,而TN平均含量为1. 11 mg·g~(-1),属于轻度污染;有机氮指数和综合污染指数显示,竺山湾北部地区污染水平为重度污染区,有机污染相对较强,TP的污染指数(STP)处于1. 03～3. 87之间,属于重度污染.     

基于微波预处理的酶强化污泥水解酸化研究

微波预处理能显著提高污泥上清液中溶解性有机物含量,进而可作为内碳源补充强化生物脱氮,但释放的大量溶解性有机物却存在碳源可利用性偏低问题.因此,为了提高上述碳源的可利用性,本研究通过批量试验,考察了添加中性蛋白酶和中温α-淀粉酶对微波预处理污泥水解酸化的强化效果,同时研究了水解酸化过程中污泥上清液中有机物的变化特征.结果表明,经过微波-过氧化氢-碱预处理的污泥进行水解酸化能产生较多的挥发性脂肪酸(VFA),碳源可利用性提高,但由于在水解酸化最初的2 d内存在产酸滞后期,导致水解酸化时间被延长.加入中性蛋白酶和中温α-淀粉酶不仅促进了预处理后污泥的水解酸化,而且解除了微波-过氧化氢-碱预处理导致的产酸滞后现象.在55℃、I/S(接种比)=0.07条件下,酶的最佳投加量分别为30 mg·g~(-1)(蛋白酶/总固体浓度TS)和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS),最佳水解时间为0.5 d,最佳酸化时间为4 d.水解酸化过程中溶解性COD(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类和VFA浓度均呈现先增加后降低的变化规律.水解0.5 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性糖类浓度均达到最大值.水解酸化4 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的总VFA浓度分别为3373.39 mg·L~(-1)(以COD计,下同)和3226.79 mg·L~(-1),比预处理组分别提高了82.37%、74.45%.30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的VFA主要组分均为乙酸、正丁酸和异戊酸,其中,乙酸占总VFA的比例分别为46.53%、45.94%,污泥上清液中的COD/总氮(TN)比分别为13.26、14.41.在碳源组成方面,在水解酸化0.5~4.0 d之内,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD浓度基本不变,但随着水解酸化时间的延长,溶解性蛋白质占SCOD的比例均在下降,总VFA占SCOD的比例均在提高,实现了在不改变碳源总量的条件下增加易生物降解有机物比例的目的.     

不同生物炭对磷的吸附特征及其影响因素

为了实现植物生物质资源化利用,选择5种生物质材料制备生物炭,通过比较5种生物炭材料的磷吸附能力,筛选出了2种磷吸附效果较佳的材料,并探明了筛选生物炭材料的理化性质及其对磷的吸附特征.结果表明,5种生物炭材料中,仅水稻秸秆和玉米秸秆生物炭对磷具有吸附能力.Langmuir等温吸附曲线表明,水稻秸秆生物炭对废水中磷的吸附能力强于玉米秸秆生物炭,理论最大吸附量为：水稻秸秆生物炭(9.78 mg·g^-1)>玉米秸秆生物炭(0.39 mg·g^-1).水稻秸秆生物炭的比表面积(148.30 m²·g^-1)和总孔体积(0.11 cm³·g^-1)远高于玉米秸秆生物炭8.26 m²·g^-1和0.03 cm³·g^-1,同时水稻秸秆生物炭有更高的Mg、 Ca、 Fe和Al元素含量.水稻秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭对磷吸附的最佳pH为酸性;在不同的pH范围内（3.0～11.0）,水稻秸秆生...     

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.     

季铵化改性稻草吸附去除水中SO42-的特性研究

采用NaOH、环氧氯丙烷和三甲胺改性稻草秸秆,制备出含季铵基的吸附剂,用以去除水中的硫酸根离子(SO2-4).通过SEM、元素分析、13C-NMR表征发现,稻草改性后表面纤维结构暴露,含氮量增加,引入了大量的季铵基,吸附潜力显著提高.吸附实验结果表明,改性稻草吸附去除SO42-平衡时间约20min,pH为3～8范围内吸附效果较好.采用Langmuir吸附模型可较好地描述改性稻草对SO2-4的吸附等温线,其最大单分子层吸附量Qmax为74.76mg·g-1,吸附能力远大于原稻草(11.68mg·g-1).     

三元土壤调理剂对田间水稻镉砷累积转运的影响

通过镉砷复合污染稻田的土壤调理剂原位治理,研究了三元土壤调理剂QFJ（羟基磷灰石+沸石+改性秸秆炭）对稻田土壤基本理化性质和水稻各部位镉砷累积转运的影响.结果表明,在土壤Cd总量3.58 mg·kg^-1,As总量124.79 mg·kg^-1污染程度下,施用QFJ后,水稻根际土壤pH值、阳离子交换量及有机质含量有增大的趋势;土壤交换态Cd和As含量可分别从0.37 mg·kg^-1、0.07 mg·kg^-1下降到0.12 mg·kg^-1、0.04 mg·kg^-1.QFJ的施用,可有效降低水稻各部位中Cd和As含量,在9.00 t·hm^-2施用量水平,可将糙米中Cd含量从0.46 mg·kg^-1下降到0.18 mg·kg^-1,无机As含量从0.25 mg·kg^-1降低到0.16 mg·kg^-1,同时低于国家食品污染物限量标准0.2 mg·kg^-1的要求,实现水稻安全生产.施用QFJ减少了水稻根系对Cd和As的富集,降低了水稻植株将Cd从地下部转运到地上部的能力,降低了根系转运Cd的能力以及茎叶、谷壳转运As的能力.     

基施硅肥对土壤镉生物有效性及水稻镉累积效应的影响

为研究硅肥对土壤Cd生物有效性以及水稻累积重金属Cd的影响,模拟土壤低Cd污染水平(Cd总量为0.72mg·kg~(-1))和土壤高Cd污染水平下(Cd总量为5.08 mg·kg~(-1)),土壤基施0、15、30、60 mg·kg~(-1)的硅肥,进行水稻盆栽种植实验.结果表明,施用15~60 mg·kg~(-1)硅肥能提升水稻各生育期土壤的pH值,降低土壤交换态Cd含量和TCLP提取态Cd含量24.2%~43.7%,12.7%~46.8%,土壤中Si能与Cd形成Si-Cd复合物,降低土壤Cd的生物有效性,且降低效果在土壤低Cd污染水平时优于高Cd污染水平.硅肥提升水稻地上部的生物量尤其是产量.土壤低Cd污染水平下,Si对土壤Cd向水稻地上部的转运有促进和阻碍两种作用,施用量过低(Si 15 mg·kg~(-1))或过高(Si 60 mg·kg~(-1))时均促进土壤Cd向水稻地上部转运,施用量为30 mg·kg~(-1)时则阻碍Cd向上转运.随着Si施用量的增大,糙米Cd含量先上升后下降,范围为0.07~0.15 mg·kg~(-1),均低于0.2 mg·kg~(-1).土壤高Cd污染水平下,Si阻碍Cd向水稻地上部的转运,糙米、谷壳、茎叶的Cd含量分别降低38.7%~48.5%、35.7%~70.7%、30.9%~40.7%,糙米Cd含量范围0.23~0.28 mg·kg~(-1).综合考虑产量和糙米Cd含量,土壤低Cd污染水平下,建议施用30 mg·kg~(-1)的Si;高Cd污染水平下,建议施用Si 15~60 mg·kg~(-1).     

生物炭固定化多环芳烃高效降解菌剂的制备及稳定性

高效多环芳烃降解微生物在污染环境中存活并保持一定生物量是实现生物强化修复的前提.本研究通过优选生物炭,优化生物炭固定化多环芳烃高效降解菌Martelella sp.AD-3的制备条件以及评估生物炭固定化菌剂的稳定性,期望获得具有应用前景的生物材料.结果显示,稻壳生物炭比表面积及孔隙大、Zeta电位高、固定化菌剂去除效果好,选择其作为固定化AD-3菌的载体.电镜观察及固定化菌剂对菲的去除率表明,固定化培养基为3% LB,接种量为2.9×10⁸ CFU·mL^-1,固定2 d时,稻壳固定化菌剂负载AD-3量最多,对菲的去除速率可达8.08 mg·L^-1·h^-1.室温保存21 d后,稻壳生物炭固定化菌剂对菲的去除速率仍达到4.46 mg·L^-1·h^-1,表明稻壳生物炭固定化AD-3菌不仅保持了菌对菲的高效降解能力,而且延长了降解微生物的保存时间,这为多环芳烃污染土壤修复提供了良好的生物修复功能材料.     

不同肥料种类对稻田红壤碳氮淋失的影响

土壤中碳、氮淋失降低土壤肥力,污染水体环境.为探究不同施肥种类对稻田红壤碳氮淋失影响,本试验依托中国科学院千烟洲生态站(114°53’E,26°48’N)1998年建立的红壤稻田长期定位控制试验,选用负压法采集土壤溶液,研究秸秆还田(ST)、有机肥(OM)、化肥(NPK)对土壤碳、氮淋失状况及时间动态的影响.结果表明:1稻田土壤中氮素淋失以铵态氮(NH+4-N)为主,施用NPK使土壤中NH+4-N(1.2 mg·L-1±0.1 mg·L-1)淋失最严重,施用OM使土壤中可溶解性有机碳(DOC)(27.3 mg·L-1±1.6 mg·L-1)淋失最严重,且土壤中DOC和NH+4-N均在水稻营养生长期淋失最严重(P<0.05);2施用OM与NPK可以增加稻田红壤中NH+4-N、DOC、总有机碳(SOC)和总氮(TN)含量,且施用NPK增加TN效果最显著,施用OM增加SOC最显著;3土壤渗漏液中DOC含量与稻田红壤中SOC含量呈显著正相关(P<0.01),土壤渗漏液中NH+4-N含量与稻田红壤中TN含量呈显著正相关(P<0.01).     

磷酸水热预处理制备高比表面积高介孔率活性炭

以锯末为原材料,采用磷酸水热预处理后活化的工艺制备高介孔率活性炭,以比表面积和孔容为评价标准,通过单因素实验探究了酸料比、活化温度、活化时间对活性炭比表面积及总孔容的影响规律,验证了该工艺的可行性.最优条件下所制备的活性炭比表面积为2579 m~2·g~(-1),介孔率达到96.6%,充分说明磷酸水热预处理工艺能够显著提高活性炭介孔孔容占比.亚甲基蓝(MB)吸附实验数据与Redlich-Peterson模型拟合度较好,样本活性炭对MB的吸附为单分子层吸附,最大单层吸附量为618.35 mg·g~(-1),接近于实验测试值632.79 mg·g~(-1),表明该方法制备的活性炭具有良好的MB吸附性能.     

3种基质材料对高浓度养殖废水处理效果及降解过程

养殖场直排废水负荷高,易造成湿地植物无法生长、处理效率低等问题.为使养殖废水通过前端生态治理技术,出水达到湿地植物耐受范围,探索高效利用作物秸秆,降低污染负荷的可行性,开展野外控制实验,对比分析了三大粮食作物秸秆——麦秸、稻草和玉米秆对猪场废水N、P的吸附去除效率.三级基质池各填充12. 5 kg干秸秆,设定连续式进水,水力停留时间7 d.结果表明,在进水COD、TN、NH_4~+-N、NO_3~--N和TP平均质量浓度分别为1 652. 83、371. 31、303. 51、0. 67和65. 22 mg·L~(-1)时,麦秸对COD、TN和TP的去除效果最好,去除率分别为32. 1%、40. 9%和33. 3%,稻草对NH_4~+-N的去除效果最好,去除率达到43. 4%.经180 d处理后3种基质材料木质素、纤维素和半纤维素均未完全分解.各种基质材料木质素降解速率低于纤维素与半纤维素,且稻草中木质素和纤维素降解最快,麦秆中半纤维素降解最快.结果表明,麦秆和稻草对去除高浓度养殖废水污染物效果均好于玉米秆,并且建议基质材料更换周期为5个月,可为生物基质材料运用于养殖废水处理提供数据支撑.