氮氧同位素联合稳定同位素模型解析水源地氮源

找出作为优质水源地的水库氮的来源对控制其富营养化问题非常重要.本研究选取杭嘉湖地区的4个水库(青山水库、对河口水库、四岭水库和里畈水库),利用氮、氧同位素技术结合稳定同位素模型(stable isotope analysis in R,SIAR),对水库的硝酸盐(NO_3~-)来源进行了识别并计算了各污染源的贡献率.结果表明,4个水库中存在严重的氮污染,以硝酸盐为主,受人类活动干扰较大的青山水库,污染严重.4个水库86%以上的δ~(18)O值小于10‰,93%样品的δ~(15)N/δ~(18)O值小于1.3,说明水库中硝化反应明显而反硝化作用不显著.4个水库硝酸盐的主要来源是化学肥料和土壤氮,两者的贡献率为75%~82%,种植业面源污染给水源地水库带来的氮污染已非常严重;青山水库硝酸盐的来源还包括贡献率为25%的生活污水及粪肥、贡献率为7%的降水和贡献率为6%的工业废水,说明在人类活动强度大的区域生活污水及粪肥的污染也不可忽视;对河口水库、四岭水库和里畈水库硝酸盐的来源还包括降水,其贡献率分别为21%、24%和15%,可见在人为干扰较少的地区,降水对于水体硝酸盐的影响也不可忽略.     

不同施肥处理对东北黑土温室气体排放的短期影响

以东北耕作黑土为对象,在25℃和60%最大持水量(WHC)条件下开展为期7 d的室内培养试验,研究了不同施肥处理对东北黑土温室气体排放的短期影响.结果表明,与不施肥对照处理相比,单施氮肥对土壤呼吸释放的CO_2没有影响,而在施用氮肥的基础上配施有机物料使得CO_2排放量提高了一个数量级,氮肥配施秸秆对CO_2排放的促进效果大于氮肥配施猪粪.短期培养时间内施用氮肥对N_2O排放没有显著影响,硝化作用是对照处理和单施氮肥处理土壤排放N_2O的主要过程.与单施氮肥处理相比,氮肥配施猪粪或秸秆显著促进了反硝化过程,使得N_2O排放量提高了两个数量级,氮肥配施秸秆处理的N_2O排放量显著大于氮肥配施猪粪处理.单施氮肥抑制了CH_4的排放,表现为对CH_4的微量吸收,而氮肥配施猪粪或秸秆则显著促进了CH_4的排放.     

西南喀斯特区植被恢复对土壤氮素转化通路的影响

氮素是生态系统重要的限制性养分元素之一.研究氮素转化特征对于了解生态系统功能具有重要意义.然而,目前对喀斯特地区氮素转化特征的认识十分有限.同时,喀斯特地区正开展一系列的生态恢复工程措施,生态恢复将对土壤氮素转化过程产生何种影响尚不清楚.为此,本研究在广西环江县喀斯特区域选取3种典型的植被恢复阶段(草地、灌丛、次生林),以农田为参照,采集0~10 cm深度的土壤样品,测定了土壤净氨化速率(净氨化率、真菌氨化和细菌氨化)、净氮矿化速率(净氮矿化、真菌矿化和细菌矿化)、净硝化速率(净硝化、自养硝化、异养硝化、真菌硝化、细菌硝化)及相关土壤理化指标,研究喀斯特区植被恢复对土壤氮素转化速率的影响.结果表明,总体上喀斯特生态系统硝化速率很高,土壤无机氮主要以硝态氮形式为主,其中自养硝化和异养硝化分别占净硝化速率的80%和20%.添加真菌和细菌抑制剂后,氨化速率增加,而硝化速率下降.另外,随着植被的恢复,土壤氮矿化和硝化速率逐渐增加,而氨化速率逐渐下降.其原因与不同植被恢复阶段的土壤有机碳、总氮、硝态氮、微生物量及氮获取酶的活性有密切关系.这些发现为认识喀斯特生态系统氮素循环特征提供了关键的信息.     

4种不同工况生物滤池净化效能与微生物特性分析

为了从微生物层面探讨曝气、挂膜周期、池形(或流态)改变对生物滤池净化效率的影响,试验设计了4种不同工况的生物滤池,即MAVF、NAVF、NVF、BHF,其中前三者为垂直流滤池,最后一种为折流式水平流滤池. 4组滤池框架和滤料相同,MAVF与BHF串联,且于试验前期运行1 a,NAVF及NVF为新启用滤池. 4组滤池采取同步序批式运行,其中MAVF、NAVF进行间歇曝气,其余两组未曝气.于新启用滤池挂膜阶段,对4组滤池同步处理生活污水的净化效率进行持续监测,并于挂膜结束后采集基质样品分析滤池微生物群落结构特征.结果表明,3组垂直流滤池的净化效率显著高于水平流滤池;曝气显著提高了滤池的净化效能,但与滤池微生物成熟度相比,前者的影响更弱. 4组滤池内均无明显的硝氮、亚硝氮积累,反硝化进行得很彻底. 16S r DNA高通量测序分析表明,4组滤池的多样性指数高低是BHF MAVF NAVF NVF,表明滤池愈成熟,多样性指数愈高. 4组滤池内微生物以兼性异养菌为主,且以异养反硝化脱氮菌最为丰富. NVF及BHF滤池内发生了异养硝化过程,曝气促进了滤池内好氧硝化菌的富集. 4组滤池内均未检测到好氧聚磷菌,磷的去除以反硝化聚磷为主.试验工况下,滤池对总氮的去除率不高主要归结于滤池内尚未富集到自养硝化菌或其丰度不高,后者导致滤池的氨氧化能力有限,进而影响总氮去除.以上研究结果表明,不同工况的调整会影响到生物滤池的氧化还原状态和功能菌富集,进而最终影响净化效率.     

基于同位素技术的短程硝化过程N2O产生途径

在常温条件下,采用批次试验结合同位素分析技术,研究不同溶解氧(DO)浓度下短程硝化过程N_2O的释放量及产生途径.结果表明,不同溶解氧条件下,N_2O的释放量与NO_2~--N浓度显著相关,当NO_2~--N浓度大于3 mg·L~(-1),短程硝化过程开始出现N_2O的释放,且随着NO_2~--N浓度的增加而增加.当溶解氧浓度分别为0. 5、1. 5和2. 5 mg·L~(-1)时,N_2O的释放量占进水总氮的比例分别为4. 35%、3. 27%和2. 63%,随着溶解氧的升高,N_2O的释放量占进水总氮的比例降低.短程硝化过程控制溶解氧在2. 5 mg·L~(-1),既可以提高比氨氧化速率,又可以减少N_2O的产生.同位素测定结果表明,当溶解氧为0. 5 mg·L~(-1)时,只有AOB反硝化过程生成N_2O.但当溶解氧升至1. 5 mg·L~(-1)时,有4. 52%的N_2O通过NH_2OH氧化过程生成,AOB反硝化过程生成的N_2O占95. 48%.继续升高溶解氧到2. 5 mg·L~(-1)时,NH_2OH氧化过程生成的N_2O比例增加至9. 11%,AOB反硝化过程生成的N_2O占90. 89%,溶解氧浓度的改变会影响短程硝化过程N_2O的产生途径,避免过高的NO_2~--N积累,可以减少N_2O的产生.     

低基质CANON中短程硝化稳定性控制研究

为研究主流PN/A（短程硝化/厌氧氨氧化）工艺中短程硝化稳定运行控制策略,采用连续流CANON反应器,以人工模拟低氨氮[ρ（NH₄+-N）为50 mg/L]无机废水为进水,考察了FA（free ammonia,游离氨）、DO等控制参数对低氨氮下连续流CANON反应器短程硝化的影响.结果表明,启动前期提高进水NLR（nitrogen volume loading,氮容积负荷）有利于维持CANON的稳定运行,控制NLR在1.01 kg/（m3·d）,运行至32 d,ΔNO₃--N/ΔNH₄+-N（指NO₃--N产生量与NH₄+-N消耗量的比值）始终维持在（0.11±0.02）.然而随着运行时间的延长,ρ（NO₃--N）逐渐增长,ΔNO₃--N/ΔNH₄+-N从理论值升至0.49,短程硝化受到严重破坏.过程中控制ρ（FA）在2 mg/L以上,NOB（亚硝酸盐氧化菌）受到明显抑制,但抑制周期短暂,并且随着ρ（FA）的降低,ρ（NO₃--N）快速升高,FA抑制失效.限制氧供给,控制ρ（DO） < 0.3 mg/L,ΔNO₃--N/ΔNH₄+-N降至0.16,但NOB并未被完全抑制,ρ（NO₃--N）仍呈上升趋势.微生物活性测定结果表明,运行中功能菌活性均得到增强,并且发现V_AOB > V_AnAOB > V_NOB,在限氧条件下[ρ（DO） < 0.3 mg/L]运行,NOB虽受抑制但仍维持较高活性.研究显示,在低氨氮条件下,采用FA以及限氧的方式对NOB抑制作用有限,对NOB控制条件的选择需结合反应器内微生物种群结构、生长特性进行进一步研究.      

海河流域典型重污染河流滏阳河沉积物氨化和硝化速率研究

为探究海河流域重污染河流高氨氮形成的原因,选择典型重污染河流滏阳河作为研究对象,分析了滏阳河上游邯郸与邢台段和下游石家庄与衡水段水-沉积物界面氨氮的分布特征和沉积物氨化及硝化反应速率.结果表明,滏阳河上覆水和孔隙水中氨氮呈现出下游高于上游的分布特征,其中上覆水氨氮平均浓度为15.72 mg·L~(-1),孔隙水氨氮平均浓度为21.10 mg·L~(-1),氨氮表现为从沉积物向水体扩散.滏阳河全河段表层沉积物氨化速率平均值为4.300μg·g~(-1)·h~(-1),其中上游氨化速率平均值为3.360μg·g~(-1)·h~(-1),下游氨化速率平均值为5.232μg·g~(-1)·h~(-1);滏阳河整体潜在硝化速率处于较低水平,范围在0.001~0.598μg·g~(-1)·h~(-1),平均值为0.152μg·g~(-1)·h~(-1),平均氨化速率约为平均潜在硝化速率的28倍.通过相关性分析可知,氨化速率与沉积物氨氮、总有机氮和全氮显著正相关,与硝氮显著负相关;潜在硝化速率与沉积物硝氮、总有机氮和全氮显著正相关,与总有机碳和碳氮比显著负相关.研究表明,滏阳河沉积物氨化速率远大于潜在硝化速率并形成氨氮累积是造成滏阳河高氨氮现象的重要原因之一,沉积物中累积的氨氮存在通过扩散作用向上覆水释放的风险.     

沸石粉和硝化抑制剂投加对污泥堆肥过程中氮素保存和温室气体排放的影响

沸石粉能够通过对氨氮的物理吸附作用,降低堆肥过程中的氮素损失;硝化抑制剂(如3,4-二甲基吡唑磷酸盐,DMPP)能够抑制氨氧化细菌的活性,阻止硝化反应中铵态氮向硝态氮的转化,从而从源头减少反硝化作用而造成的氧化亚氮温室气体的排放.目前国内针对沸石粉和硝化抑制剂(DMPP)作为添加剂对污泥堆肥过程中的保氮作用研究较少,其是否能够实现污泥堆肥过程中温室气体减排也值得深入探讨.本研究以脱水污泥作为研究对象,以蘑菇渣为辅料,设置空白对照、沸石粉和硝化抑制剂(DMPP)添加组,进行21 d的堆肥试验,研究沸石粉和DMPP的添加对污泥堆肥过程的氮素损失和温室气体排放的影响.结果表明,1%的沸石粉添加(湿重)不仅可以减少5%的温室气体排放,而且能够减少2.9%的总氮损失;而DMPP的添加虽然可以减少N_2O的排放,但会显著增加CH_4及NH_3的排放,从而导致温室气体排放和氮素损失的增加.     

不同C/N对半悬浮生物填料的同步硝化反硝化过程的影响

研究了不同的C/N比对半悬浮生物填料同步硝化反硝化(SND)过程的影响,并尝试找出能够实现完全脱氮的最佳C/N比.半悬浮生物填料生物膜反应器采用一种新颖的DO微电极技术展开试验,其结果从物质传递和分子生物学角度来阐明SND效率的差别.结果表明,物质传质和微生物的因素对SND效率有联合作用,生物膜的生物量、生物膜的结构和厚度及EPS在SND过程中有着重要的作用.使用半悬浮生物填料明显提高生物膜反应器内的生物多样性,它可以在C/N比20的条件下运行8 h后实现总氮的去除.     

氨氮对异养硝化菌Acinetobactor sp.活性影响及动力学特性分析

异养硝化菌株Acinetobactor sp.JQ1004能够在初始氨氮浓度为0~2000mg/L范围内进行生长和氮源代谢,菌株在初始氨氮浓度为2500mg/L条件下被完全抑制,无法生长.当菌株在温度为30℃,pH7.5,转速为160r/min,初始氨氮浓度分别为100,300,500,700,1000,1500,2000,2500mg/L条件下培养时,菌株的最大比生长速率分别为0.251,0.308,0.286,0.243,0.197,0.115,0.088h^-1,相应的最大比氨氮降解速率分别为1.335,1.906,1.859,1.759,1.562,1.286,0.965g/（gDCW·d）.在高浓度氨氮和游离氨的抑制作用下,菌株的比生长速率及对氨氮的比降解速率随初始氨氮浓度的增加呈先增加后降低的趋势.3种基质抑制动力学模型（Haldane,Yano,Aiba模型）均能够很好地模拟菌株随初始氨氮浓度的生长变化规律,对应地相关系数分别为0.9944,0.9983和0.9929.由Haldane模型可知,菌株在不同初始氨氮浓度（游离氨）条件下的最大氨氮比降解速率μ_max为2.604h^-1,基质亲和系数K_s为22.57mg/L,基质抑制系数K_i为1445.31mg/L.其中由K_i值远大于自养菌（硝化细菌及厌氧氨氧化菌等）的值,这表明异养硝化菌株Acinetobactor sp.JQ1004比自养菌具有更强的抗抑制能力.另外,菌株在游离氨浓度为5.436mg/L时,比生长速率达到最大值0.583h^-1.以上研究结果表明,菌株JQ1004在处理高氨氮废水中具有潜在的应用前景.