高硝氮酒厂废水生物反硝化体系的构建及细菌群落特征

白酒生产过程中伴随高氮废水的产生,其中包含氨氮(NH_4~+-N)、硝氮(NO_3~--N)和亚硝氮(NO_2~--N),企业基于现有的曝气等工艺可以去除NH_4~+-N,但却难以有效去除NO_2~--N和NO_2~--N,导致总氮(TN)含量无法达到新标准(TN 20 mg/L),因此高效去除废水中的NO_3~--N和NO_2~--N成为当下的研究热点.采用上流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge blanket,UASB)生物反应器驯养活性污泥,形成稳定的微生物群系;筛选得到最佳碳源,构建了生物厌氧反硝化脱氮体系,并通过三代全长16S rRNA测序分析了体系的细菌群落结构.结果显示,在甲醇、乙酸钠、丁二酸钠、葡萄糖、酒厂原水、柠檬酸钠和MicroC多种碳源中,MicroC效果最佳,在处理高硝氮废水(NO_3~--N=531 mg/L)时,添加量为C/N=1.0,出水的NO_3~--N含量小于1 mg/L,NO_3~--N去除率达98%,COD去除率超过90%.该体系中,反硝化前期斯氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)和硫杆菌(Thioclava sp.)是优势种,还原大量的NO_3~--N,而细菌多样性较低;反硝化后期微嗜酸寡养单胞菌(Stenotrophomonas acidaminiphila)变成优势种,还原残留的NO_3~--N.本研究表明以MicroC为碳源的厌氧反硝化体系可实现酒厂高硝氮废水低成本且高效率的脱氮处理,物种Pseudomonas stutzeri发挥主要的反硝化作用,结果对反硝化工程有重要的指导意义.(图8表3参30)     

亚热带土壤氮素反硝化气态产物研究

亚热带可变电荷土壤化学性质与温带地区恒电荷土壤有诸多不同特点,使得反硝化具有一些与温带土壤不同的特性,进一步深入研究亚热带土壤反硝化气体产物的组成比例、主要影响因素和机理,将有助于加深对亚热带环境条件下土壤N循环的理解和认识,以及为正确评价亚热带土壤反硝化环境效应提高科学依据。因此,就亚热带土壤厌氧培养条件下反硝化的气态产物问题进行了探讨。土样采自江西典型亚热带红壤地区,在加入K15NO3（10 atom%15N,加入N量为200 mg·kg-1）条件下进行了7 d 30℃、密闭、淹水、充N2的严格厌氧培养试验。试验结果表明：随培养时间推移,15N回收率逐渐下降,土壤总残留的15NO3-质量分数和回收率之间存在显著正相关关系（p〈0.001）,表明反硝化作用越弱的土样回收率越高。总气态氮损失率的估计值和实测值都随培养时间延长呈上升趋势,两者之间存在显著正相关性（p〈0.001）。根据稳定性同位素15N示踪试验结果初步估计,厌氧培养7 d内反硝化作用产生的气态产物中N2O占总气态氮损失的17.1%,N2占8.7%,估计NO可能是主要的反硝化产物之一。以未能回收的氮计算,NO约占总气态氮损失的67.5%~78.6%,平均为74.1%。反硝化气态产物中NO和N2O总量占总气态氮损失的91.3%。NO、N2O和N2分别占总施入氮量的18.6%、4.4%、2.0%。因此,亚热带土壤氮素反硝化过程中主要气态产物可能为NO和N2O,而非对环境无害的N2。     

高效异养硝化-好氧反硝化菌株TS-1筛选及降解特性

从实验室定向驯化的活性污泥中分离筛选出一株具有异养硝化-好氧反硝化功能的菌株TS-1.通过生理生化及16S r RNA基因序列鉴定其为脱氮副球菌,通过单因素和正交实验对其去除NH_4~+-N的最佳条件进行优化,并通过对比进一步探究其在不同氮源条件下对各形态无机氮的去除规律.结果表明该菌株最适碳源为丁二酸钠,最佳C/N为15,最佳接种量为5%,最适温度为30℃、p H为8.0.以初始浓度约为100 mg/L的NH_4~+-N、NO_3~--N和NO_2~--N分别为单一氮源时,菌株TS-1对各形态氮的去除率为97.49%、100%和95.94%;维持各形态氮初始浓度不变,将其两两混合时发现混合氮源中若包含NO_2~--N会使菌株OD_(600)值达到最大值所用时间延长,氮源中含有NH_4~+-N会降低菌株对其他形态氮源的去除率,以及NO_3~--N的添加会使菌株对NH_4~+-N的去除能力降低;3种形态氮源同时存在的条件下,该菌对各氮源去除能力由强至弱为NO_2~--NNH_4~+-NNO_3~--N.本研究从活性污泥中分离筛选出一株具有高效异养硝化-好氧反硝化功能的菌株TS-1,通过研究碳源、氮源、温度、p H得到了最佳降解条件,可为废水短程脱氮提供参考.(图9表4参37)     

两株海洋异养好氧硝化-反硝化细菌的筛选、鉴定及能力测试

通过对近海沉积物进行微生物培养,分离鉴定了两株好氧反硝化细菌MD5和MD8,研究其在有氧条件下的反硝化能力及其相关影响因子.菌株形态、16S rRNA序列比对、系统发育分析及亚硝酸盐还原酶基因(nirS)结果显示,菌株MD5为一株盐单胞菌属Halomonas细菌,菌株MD8为一株产碱杆菌属Alcaligenesx细菌,其Gen Bank注册号分别为KM362826和KM406394.MD5和MD8在有氧条件下都具有硝化和反硝化的能力,在以NH_4~+-N作为唯一氮源的能力测试中,可分别达到81%和88.3%的去除能力;在以NO_3~--N为唯一氮源的能力测试中,可分别达到85.3%和92.1%的去除能力;在NH_4~+-N和NO_3~--N都存在的条件下,总无机氮(DIN)的去除率达到72%和76.8%.pH值、盐度和碳氮比(C/N)等因子对菌株MD5和MD8的DIN、NH_4~+-N和NO_3~--N的去除能力具有不同程度的影响.如低pH值(5.5-6.5)条件下,MD5和MD8的NH_4~+-N和NO_3~--N去除率受到显著抑制(P0.05),其最佳pH值范围为7.5-8.5;在盐度为10-30 g/L的范围内,MD5对NH_4~+-N和NO_3~--N的去除率随着盐度的增长而增加,而MD8的最佳盐度范围稍低于MD5(20-25 g/L);在C/N低于6的条件下,MD5和MD8的NH_4~+-N和NO_3~--N的去除率都显著降低(P0.05),但MD5比MD8表现出较低的C/N适应范围(8-10).以上研究表明,MD5和MD8在有氧培养条件下具有较强的硝化-反硝化能力,可应用于海水养殖池塘养殖废水的处理,具有良好的应用潜力.     

碳源与底物对不同层次土壤产生N2O能力的影响

底层土壤的反硝化作用是土壤排放N_2O的重要来源,同时也是影响浅层地下水硝酸盐含量的重要因素.通过一系列室内培养试验.研究了一种农用土壤不同土层在碳源和NO_3含量不同情况下产生N_2O的能力。结果表明,试验用土壤的不同土层均具有进行反硝化作用产生N_2O的能力.底层土壤产生N_2O的能力大于根区土壤:单独添加葡萄糖、NO_3或同时添加葡萄糖和NO_3.对土壤N_2O和CO_2释放的影响与土壤层次和观测时间有关;向土壤添加葡萄糖和NO_3,各个土层释放N_2O的能力均显著提高;从产生N_2O和CO_2能力的角度而言,不同层次土壤的微生物区系间存在较大差异。采用短期(24h之内)饱和泥浆好气培养法,可以区分土壤微生物区系在产生N_2O方面的差异。     

氮输入对纳帕海沼泽湿地土壤氨挥发和反硝化的影响

选取纳帕海常见湿地植物茭草（Zizania caduciflora）和水葱（Scirpus validus）]及其生长土壤为对象,通过培养实验,研究了3个不同氮输入水平[0g-m^2（对照,NO）、20g-m^2（N20）、40g-m^2。（N40）]对茭草和水葱湿地土壤氨挥发和反硝化的影响。结果表明：氮输入促进了茭草和水葱湿地土壤氨挥发化作用,增加了湿地土壤氨挥发的累积量。适量的氮输入对湿地土壤氨挥发促进显著。在培养前期适量氮输入下的氨挥发积累量高于高水平氮输入的,随着培养时间的延长,后期适量氮输入下的积累量明显下降;而高水半氮输入处理下氨挥发积累量的明显增加,适量氮输入下茭草氨挥发积累大于水葱。氮输入增强了菱草和水葱湿地土壤反硝化作用,加快了反硝化N2O的排放。适量的氮输入促进茭草反硝化作用和反硝化损失量增加明显,培养的前期的适量氮输入处理下的反硝化作用和反硝化N2O的排放增强不明显,随着培养时间的延长,高水平氮输入处理下的反硝化损失量越明显,并且水葱较茭草更为明显。后期适量氮输入下的反硝化损失速率和反硝化损失量高于高水平氮输入,适量氮输入较高水平氮输人促进明显,高水平的氮输入限制了反硝化损失,反硝化N2O的排放总量下降,土壤中氮富集增大。     

农田土壤硝化-反硝化作用与N_2O的排放

在北京潮土上研究了冬小麦夏玉米轮作体系下土壤硝化反硝化作用以及N2O排放情况。结果表明,小麦生育期土壤温度及含水量较低,无论是反硝化损失氮量还是土壤的N2O生成排放量均不高。土壤的N2O生成排放量与反硝化氮量相当或低于反硝化氮量。玉米生育期土壤温度升高以及孔隙含水量有较大的改善,反硝化损失氮量、N2O生成排放量有明显上升。通常情况下土壤反硝化损失氮量与N2O排放氮量基本处于同一水平。在玉米十叶期追肥后的较短时间内,N2O总排放量明显高于反硝化损失氮量,说明至少在这一阶段中,硝化作用在北方旱地土壤N2O的排放中发挥了主要作用。在评价北方旱地农田土壤氮素硝化反硝化损失中,硝化作用的氮素损失是不可忽视的重要方面。     

农田土壤硝化-反硝化作用与N2O的排放

在北京潮土上研究了冬小麦夏玉米轮作体系下土壤硝化反硝化作用以及N2O排放情况.结果表明,小麦生育期土壤温度及含水量较低,无论是反硝化损失氮量还是土壤的N2O生成排放量均不高.土壤的N2O生成排放量与反硝化氮量相当或低于反硝化氮量.玉米生育期土壤温度升高以及孔隙含水量有较大的改善,反硝化损失氮量、N2O生成排放量有明显上升.通常情况下土壤反硝化损失氮量与N2O排放氮量基本处于同一水平.在玉米十叶期追肥后的较短时间内,N2O总排放量明显高于反硝化损失氮量,说明至少在这一阶段中,硝化作用在北方旱地土壤N2O的排放中发挥了主要作用.在评价北方旱地农田土壤氮素硝化反硝化损失中,硝化作用的氮素损失是不可忽视的重要方面.     

不同耕作方式下土壤氮素矿化和硝化特征研究

为探讨长期定位试验田不同耕作方式下土壤氮素矿化和硝化特征,采用室内恒温通气培养法,保持土壤田间持水量在65％条件下,测定不同耕作方式下表层土壤（0～20cm）在不同温度下的NH4^＋和NO3^-含量,并计算氮素矿化量和硝化率。结果表明,随着温度的升高,土壤氮素矿化和硝化作用均增强,几种耕作方式下土壤氮素矿化和硝化作用均表现为35℃〉30℃〉25℃。保护性耕作与水旱轮作和常规平作之间的矿化量存在显著的差异,垄作免耕〉厢作免耕〉水旱轮作〉常规平作。土壤氮素最终硝化率达到了60％～80％,表现为常规平作最高,水旱轮作次之,厢作免耕最低。矿化率与土壤有机质、碱解氮和速效磷对数均成显著正相关,相关系数分别为r^2=0．99,r^2=0．97,r^2=0．96,pH是影响硝化作用的重要因素,硝化率与土壤pH成显著正相关,r^2=0．991。     

牦牛排泄物输入对若尔盖高寒泥炭地土壤短期氮转化的潜在影响

牦牛放牧是若尔盖泥炭地一个普遍现象,牦牛排泄物直接返还于泥炭地.通过室内短期培养实验,利用~(15)N稳定同位素成对标记法结合马尔可夫链蒙特卡洛随机采样方法(MCMC)数值模型,研究牦牛排泄物输入对泥炭地土壤氮初级转化速率的影响.结果表明,施粪组土壤NH_4~+-N的总生产速率(17.49 mg kg~(-1) d~(-1))约为对照组的2倍(8.94 mg kg~(-1)d~(-1)),其中有机氮的矿化作用是其主要来源途径.两种处理土壤NH_4~+-N的总消耗速率均大于各自总生产速率,其中被微生物的同化作用固定于难分解有机氮库中的NH4+-N分别占其总消耗量的70%(对照组)和91%(施粪组).微生物的自养硝化作用是两种处理土壤NO_3~--N的主要产生途径,分别为5.31 mg kg~(-1) d~(-1)(对照组)和2.13 mg kg~(-1) d~(-1)(施粪组),均占各自NO_3~--N总生产量的80%以上.对照组和施粪组土壤NO_3~--N的主要利用方式均为NO_3~--N的异化还原作用,分别为0.20和0.24 mg kg~(-1) d~(-1).施粪组土壤N_2O累积排放量最高,为7.81 mg kg~(-1),对照组次之,为6.08 mg kg~(-1),施尿组最少,为3.04 mgkg~(-1).施粪和施尿使土壤CH_4累积排放量分别增加了2.08和9.49 mg kg~(-1).施粪组和施尿组土壤CO_2累计排放量分别为对照组(145.17 mg kg~(-1))的3.89倍和22.63倍.总体来说,牦牛粪便输入通过促进土壤有机氮的矿化作用、抑制微生物的自养硝化作用以及促进NO_3~--N的异化还原作用,提高了土壤的供氮能力和减少了NO_3~--N的淋溶风险.     

水—土体系中的反硝化作用：含氮化合物沿土壤剖面的分布及N2O的测定

本文建立了GC/ECD测定氧化亚氮的方法;调查了干旱、半干旱地区化肥厂排放废水中含氮化合物沿粘土土壤剖面的分布规律;重点研究了在封闭体系内,氧化亚氮和亚硝酸盐氮的变化规律及诸因素对反硝化作用的影响.实验结果说明,氧化亚氮随时间的变化呈二次曲线关系,亚硝酸盐氮的生物降解符合一级反应动力学方程,在20℃下,半衰期为34小时.再次证明反硝化主要是生物作用,并在厌氧条件下进行.     

碳源及碳氮比对异养反硝化微生物异养反硝化作用的影响

碳源(甘油和柠檬酸钠)及碳氮比对纯培养的异养反硝化菌HP1 (Pseudomonasalcaligenes)异养反硝化能力影响的试验表明,碳源种类对硝酸还原酶活性没有明显影响,对氧化亚氮还原酶活性有影响。批式培养方式下最适C/N为8,菌株HP1可以利用NO-3 作为唯一氮源进行反硝化作用,证明HP1至少有2种硝酸还原途径。连续培养方式下温度对菌株HP1异养反硝化作用中间产物的积累有影响,不同C/N时均有NH+4 积累,C/N为3时还有NO-2 的积累。     

施用不同尿素对稻季不同层次土壤溶液中氮形态的影响

在太湖地区乌栅土上,利用大型原状土柱比较研究了不同尿素品种、施肥量(0、普通尿素150、300和包膜尿素100、150 kg·hm-2,以N计算)处理对稻季不同层次(30、65、80 cm)土壤氮素动态变化的影响.结果表明:所有处理渗漏水中NO3--N质量浓度均低于饮用水标准,常规施肥未显著增加氮的淋溶损失;各处理在不同层次土壤均发生反硝化作用;包膜尿素促进土壤反硝化强度,在65 cm和80 cm处尤为明显.施用包膜尿素可能增强浅层地下水的反硝化作用而降低水体NO3--N质量浓度.其影响机理及在对其它类型土壤上氮素淋失和反硝化的影响,值得进一步研究.     

一株轻度嗜盐反硝化菌的分离鉴定及特性

从处理高盐度废水的成熟活性污泥中分离筛选得到1株轻度嗜盐反硝化细菌YL-1.通过对该菌株的形态观察、生理生化实验以及16SrDNA基因序列分析,确定该菌株为迪茨氏菌(Dietziasp.).盐度影响实验表明,该菌株能在盐度为0～10%的培养液中生长,盐度为3%时D600nm达到最大,为2.002;当初始硝态氮浓度为120mg/L左右时,DO值对该菌株的反硝化效果几乎没有影响,NOX——N去除率均在90%以上,表明该菌为好氧反硝化菌;适于在碱性环境中生长,最适pH为7.5～8.5;能利用乙酸钠、蔗糖、葡萄糖、柠檬酸钠、丁二酸钠为碳源进行反硝化,以蔗糖为碳源时反硝化效果最好,NOX——N去除率达到99.8%;在25～30℃的温度范围内反硝化效果较好,30℃时菌株的NOX——N去除率超过90%.该菌在一定盐度下具有较好的反硝化作用,能为高盐度废水的生物处理提供一定的参考价值.     

土壤反硝化田间原位测定方法的研究进展

土壤中的反硝化作用由于直接影响到肥料氮的利用率和环境问题,仍然是氮素研究领域的热点和难点之一,而反硝化作用研究的进展在很大程度上依赖与土壤反硝化的田间测定方法的建立。文章就目前反硝化研究领域常用的15N平衡差值法、15N示踪气体通量法、乙炔抑制气室法、乙炔抑制土柱法的原理、气体样的采集、测定和计算作了综述,以期为土壤反硝化的研究提供依据。     

贵州草海人工湿地系统硝化-反硝化作用研究

人工湿地作为新兴的污水生态处理技术在村镇污水处理中得到广泛使用,系统中氮去除的最主要途径是微生物的硝化-反硝化作用。研究湿地污水处理系统微生物硝化-反硝化作用,对湿地污水处理工艺的优化及运行管理具有重要意义。2013年分春、夏、秋、冬四季对贵州草海污水湿地处理工程进行采样,研究了长期运行的湿地污水处理系统中氮循环菌数量、硝化-反硝化作用时空分布特征和系统内氮的空间分布规律。结果表明,草海污水人工湿地处理系统对TP和COD的处理效果较好,去除率分别达到57.8%和80.8%,但对TN和NH_4~+-N的去除率仅为43.3%和38.6%;硝化-反硝化作用在草海人工湿地系统中同时发生,硝化作用强度为0.9 mg·kg~(-1)·h~(-1),反硝化强度为30.5 mg·kg~(-1)·h~(-1),反硝化强度是硝化强度的30倍;硝化-反硝化作用在季节上均表现为夏季最高、春季最低,水平空间上呈逐级降低趋势;硝化-反硝化作用强度与总氮去除率呈现显著负相关(P0.05);4类脱氮细菌中,氨化细菌数量最大,高达10~9 MPN·g~(-1),反硝化菌次之,亚硝化菌最低,仅10~2 MPN·g~(-1);脱氮细菌数量与总氮去除率相关性不显著,脱氮过程可能受亚硝化菌的限制。总之,由于长期运行的人工湿地系统缺乏氧气,导致反硝化作用远大于硝化作用,硝化-反硝化作用的失衡最终影响湿地脱氮效率。因此,针对长期运行的人工湿地系统可以通过强化供氧促进硝化作用从而提高湿地脱氮效果。     

温度及氨氮负荷对曝气生物滤池硝化作用的影响

采用火山岩为载体填料的曝气生物滤池(BAF)进行实验室小试,研究供氧受限条件下,BAF的硝化反硝化运行特性及温度(10℃～30℃)和氨氮负荷变化(0.069～1.32kg/(m3·d))时对硝化作用的影响。当氨氮负荷为1.10kg/(m3·d),供氧受限时,温度从20℃升高到30℃,反应器的硝化效率仅增加10%左右,表明BAF中硝化作用主要受溶质的传递、扩散速率控制而不是受与温度有关的动力学参数控制;然而,相同负荷下,当温度控制在15℃时,硝化效率明显降低,说明20℃是一临界点。此外,20℃时随氨氮负荷的增加(从0.825kg/(m3·d)提升到1.32kg/(m3·d)),氨氮去除率略有下降,但在第3个取样口处却发现有亚硝酸盐氮累积现象,这是因为在供氧受限时,随负荷的增加,溶解氧相对短缺发生了部分硝化作用。     

堆肥物以及堆肥物与铁屑联用原位修复硝酸盐污染地下水研究

针对地下水硝酸盐污染问题,借助柱实验开展堆肥物以及堆肥物与铁屑联用(以下简称堆肥物+铁屑)分别用于原位生物修复的动态模拟研究,考察生物反硝化的运行效果,探讨水化学参数的变化,分析硝酸盐的转化过程,确认地下水流速和进水硝酸盐浓度的影响,力求拓展纤维素类固体有机碳源的种类和提高纤维素固体有机碳源的反硝化速率。结果表明,堆肥物与堆肥物+铁屑引起的NO_3~-去除率分别为75.08%~79.57%和82.24%~86.48%。堆肥物用于原位生物反硝化可行且高效,而且堆肥物+铁屑通过氢自养反硝化更能增强NO_3~-的去除。堆肥物与堆肥物+铁屑引起的反硝化速率分别为9.69和11.30 g·m~(-3)·d~(-1),显著高于锯屑的反硝化速率(0.30g·m~(-3)·d~(-1))。25~100 d时,堆肥物引起的总有机碳(TOC)质量浓度增量始终≤18.34 mg·L~(-1)。在运行期间(0~100 d),堆肥物引起出水pH值始终低于进水值。堆肥物+铁屑引起TOC和pH值的变化展现出了与堆肥物相似的规律。运行10 d后,堆肥物以及堆肥物+铁屑将绝大部分NO_3~--N转化为气态氮。渗流速度和进水NO_3~-浓度显著影响堆肥物以及堆肥物+铁屑的生物反硝化效果。     

碳源及碳氮比对异养反硝化微生物异养反硝化作用的影响

碳源(甘油和柠檬酸钠)及碳氮比对纯培养的异养反硝化菌HP1(Pseudomonas alcaligenes)异养反硝化能力影响的试验表明，碳源种类对硝酸还原酶活性没有明显影响，对氧化亚氮还原酶活性有影响。批式培养方式下最适C／N为8，菌株HP1可以利用NO3^-f作为唯一氮源进行反硝化作用，证明HP1至少有2种硝酸还原途径。连续培养方式下温度对菌株HP1异养反硝化作用中间产物的积累有影响，不同C／N时均有NH4^ 积累，C／N为3时还有NO2^-的积累。     

一株Agrobacterium sp.异养硝化菌的分离鉴定及其氨氧化性能

针对传统污水处理工艺中存在的工艺复杂、脱氮效率低等问题,从江苏无锡市桃花山垃圾渗滤液生化反应池活性污泥中富集、分离及筛选出一株异养硝化菌BT1.通过16S rRNA序列分析,对分离菌株进行鉴定,同时对其异养硝化特性、氨氧化功能基因及氨氧化性能影响因素进行研究.结果显示:分离到的异养硝化菌为农杆菌属Agrobacterium sp..该菌经过32 h培养后,NH_4~+-N去除率为99.77%;TN去除率为96.99%.其中,59.62%TN转换为胞内氮,37.37%TN转化为气态氮;检测不到NO_3~--N和NO_2~--N的积累.结合氨单加氧酶基因(amo A)的PCR成功扩增,进一步证明了BT1菌株具有氨氧化能力.单因子试验结果显示,在温度为30℃、C/N为10-15、pH为7.0-9.0、转速为120-160 r/min的条件下,菌株均能去除98.51%以上NH_4~+-N,体现出良好的氨氧化性能.BT1菌株能够适应较宽的氨氮负荷,在高氨氮浓度(500和1 000 mg/L)下生长良好且NH_4~+-N去除率均超过64.69%.本研究表明BT1菌株具有高效的异养硝化性能及优异的氨氮耐受性,具有进一步处理高浓度氨氮废水的应用前景.(图9参39)