废水生物脱氮过程中N2O排放数学模型研究进展

氧化亚氮(N₂O)的温室效应比CO₂强265倍,可从废水生物脱氮过程中产生并直接排放,如果不对其加以控制,会显著增加污水处理厂的碳足迹。N₂O排放的数学建模对于深入解析N₂O产生机制、量化N₂O排放、优化生物脱氮工艺和制定N₂O减排策略具有重要意义。结合当前国内外研究现状,阐述了废水生物脱氮过程中N₂O产生机制;归纳了基于不同机制建立的N₂O数学模型,包括氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)经过羟胺氧化途径和AOB反硝化途径产生N₂O模型、异养反硝化途径产生N₂O模型以及耦合AOB和异养反硝化细菌产生N₂O模型;总结了新型生物脱氮系统N₂O模型,实际工程应用情况及校准N₂O数学模型中存在的问题;并对今后N₂O数学模型的研究方向进行了展望。     

马赛菌属Massilia neuiana异养硝化-好氧反硝化脱氮特征实验

基于马赛菌属脱氮Massilia neuiana的模式菌株PTW21进行研究,探讨其异养硝化-好氧反硝化脱氮能力。菌株PTW21具有高效异养硝化和好氧反硝化能力,对NH₄+-N和NO₂--N去除率均超过90%。同时,菌株PTW21具有同步硝化反硝化能力,且反硝化效率高于硝化效率,但当有NH₄+-N存在时,会优先利用NH₄+-N,再利用NO₂--N,存在硝化-反硝化竞争抑制现象。同步硝化反硝化时,菌株PTW21可以去除95%以上的NH₄+-N和NO₂--N。Massilia neuiana的研究丰富了异养硝化-好氧反硝化微生物的种类,也为该菌种在污水处理厂的生物强化应用提供了前期基础。     

外源性典型N-酰化高丝氨酸内酯类化合物(AHLs)信号分子对污水处理过程N2O产生的影响

群体感应信号分子对污水处理过程中微生物行为和功能微生物含量具有重要影响,但目前其对生物脱氮过程中氧化亚氮(N₂O)产生的影响尚不明确.为探明群体感应与N₂O产生的关联机制,选取两种N-酰化高丝氨酸内酯类化合物(AHLs)信号分子C₆-HSL(N-己酰L-高丝氨酸内酯)和C₈-HSL(N-辛酰-L-高丝氨酸内酯),在AO工艺中研究其外源性投加对污水处理效果、N₂O产生特征及微生物群落结构的影响.结果表明:①信号分子C₆-HSL和C₈-HSL能够显著提高处理系统的生物脱氮效率,2个反应器的硝化速率显著升高,NH₄+-N去除率分别提高了1.7%和2.2%,TN去除率分别提高了7.6%和5.4%,但COD_Cr去除率没有发生明显变化.②信号分子对N₂O产生量影响显著,投加C₆-HSL和C₈-HSL的反应器N₂O产生总量分别增加了39.0%和11.0%,N₂O增量的主要产生途径为好氧处理阶段的硝化细菌反硝化反应.③微生物分析结果显示,污泥中的微生物群落结构,以及与生物脱氮相关的功能微生物含量发生显著变化,投加C₆-HSL和C₈-HSL的反应器氨氧化细菌(AOB)相对丰度由0.3%分别提至0.5%和0.4%,硝化细菌(NOB)相对丰度由0.03%分别增至0.07%和0.08%,反硝化细菌(DNB)的相对丰度由6.3%分别升至8.5%和7.5%.研究显示,AHLs类外源性信号分子能够显著提高污水生物脱氮过程中关键功能微生物AOB、NOB和DNB的相对丰度,进而提升污水处理效果,但同时增加系统N₂O释放量.      

土壤化学反硝化及N2O产生机理研究进展

传统观点认为土壤氮素转化要有微生物的参与,但越来越多的研究发现,非生物转化在一些特定条件下同样发挥着不可忽略的作用,该途径下N₂O产生量甚至超过生物学过程而占主导作用.作为一种重要的非生物土壤氮素转化方式,化学反硝化产生途径虽然已经被发现近一个世纪,但在现代生态学研究中通常因研究分散而往往被忽视.鉴于此,对土壤化学反硝化及N₂O产生机制、影响因素的研究进展进行总结,并对化学反硝化的不足和薄弱环节提出展望.结果表明:土壤化学反硝化及N₂O产生的机制主要包括高价氮还原和羟胺分解两种作用;影响土壤化学反硝化的因素主要包括pH、温度、反应底物浓度、有机质、固相界面及金属离子,如高pH、固相界面和Cu2+的存在均会促进化学反硝化过程;不同形态Fe直接参与化学反硝化生成N₂O的途径不同,主要包括Fe2+还原NO₂-和NO₃-,Fe3+氧化NH₂OH.然而,现有研究对于化学反硝化机理的边界划分等问题仍不明确,因此,建议强化羟胺在土壤化学反硝化途径中作用机理的基础性研究,以及多因素综合影响下化学反硝化强度和N₂O产生特征方面的应用性研究.      

污水生物脱氮过程N2O排放数学模型研究进展

污水生物脱氮过程中产生的N₂O是主要温室气体之一,对气候变化影响较大,了解N₂O产生途径是减少其排放的关键。该文介绍了污水生物脱氮过程产生N₂O的主要生物途径和非生物途径;综述了N₂O排放的3类数学模型：基于生物脱氮去除量的经验模型、基于不同产生途径建立的动态机理模型、基于知识的人工智能和数据驱动的统计模型;阐述了新型生物脱氮工艺中N₂O排放数学模型;介绍了机理模型校准和验证的方法及关键参数;阐述了各个模型的适用范围及在实际污水处理厂中的应用情况;总结了各种N₂O排放数学模型的缺陷,并对模型未来发展方向做了展望。该综述可为模型在不同条件下的选择提供方法,为研究污水生物脱氮过程N₂O的产生机理、优化控制污水生物脱氮过程、缓解污水处理厂N₂O排放提供理论依据。     

微生物合成纳米钯强化反硝化选择性脱氮

为强化生物反硝化选择性脱氮,利用普通的反硝化污泥合成生物钯纳米粒子(Bio-PdNPs),探究了不同Bio-Pd NPs负载量(0、5、10 mg·L^-1,分别记为Bio-Pd NPs-0、Bio-Pd NPs-5和Bio-Pd NPs-10)对生物反硝化的影响.结果表明,适量钯的负载(Bio-Pd NPs-5)可使硝酸盐去除率由67.85%提高到94.00%(C/N=7,5 h),对氮气的选择性由77.30%提高到97.46%.而负载过量的钯(Bio-Pd NPs-10)会抑制生物反硝化,但其对N₂的选择性仍然高达90.01%,这对减少温室气体N₂O的排放具有重要意义.机理分析表明,Bio-Pd NPs介导的反硝化体系以丁酸型发酵和混合性发酵为主,产生的氢气通过在钯表面迅速分解形成Pd[H]催化反硝化,提高对N₂的选择性,Bio-Pd NPs促进了反硝化过程电子传递及电子传递介质(细胞色素c)的分泌,电子传递体系活性(ETSA)由570.37μg·mg^-1·h^-1<...     

NaCl对好氧颗粒污泥短程硝化反硝化的影响

利用SBR(序批式反应器)研究了不同ρ(NaCl)、曝气时间、ρ(COD_Cr)、进水ρ(NH₄+-N)对AGS(好氧颗粒污泥)短程硝化反硝化的影响. 结果表明,在pH、温度和ρ(DO)为8.0、30 ℃和3 mg/L条件下,以及ρ(NaCl)、曝气时间、ρ(COD_Cr)和ρ(NH₄+-N)为20 g/L、8 h、600 mg/L和70 mg/L时,η_A(NH₄+-N去除率)和NAR(NO₂--N积累率)达到最佳. 当进水ρ(NaCl)为10 g/L时,NOB(亚硝酸盐氧化菌)被完全抑制,AOB(氨氧化菌)能够保持正常活性. ρ(COD_Cr)较高时能够促进NAR的提高. 经过116 d的培养,AGS短程硝化反硝化的耐盐极限为50 g/L,此时η_A小于50%,AOB被严重抑制,AGS丧失硝化能力. AGS的同步硝化反硝化作用明显,SND(同步硝化反硝化率)平均值为24.2%,SNDV(同步硝化反硝化比速率)平均值为0.63 h-1,低ρ(DO)比高ρ(DO)下的SND同步硝化反硝化作用更为明显.      

Alcaligenes faecalis WT14的异养硝化-好氧反硝化特性及对高氨废水处理潜力

异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌具有同步硝化反硝化的特性,在污水生物处理方面引起了广泛关注.为探究HN-AD菌在处理高氨废水方面的应用潜力,以前期从人工湿地底泥基质中分离出的HN-AD菌Alcaligenes faecalis WT14为研究对象,在好氧条件下研究了该菌株的脱氮特性,并对其高氨废水去除潜力和环境因子...     

淮北平原典型农田土壤N2O产生途径及相关功能基因丰度研究

温室气体氧化亚氮(N₂O)已成为全球关注的焦点,全球约60%的人为N₂O排放来自农业土壤.虽然已知微生物硝化和反硝化是土壤N₂O产生的主要过程,但N₂O产生的关键生物学机制以及其调控环境变量之间的相互作用仍然难以预测.本研究选取安徽省亳州市冬、夏两季农田垂向土壤(0～200 cm)为研究对象,通过乙炔抑制法、¹⁵N-¹⁸O同位素示踪技术分别测定了N₂O产生潜势及产生途径,并利用宏基因组测序技术分析不同N₂O产生途径中功能基因的丰度变化以解析农田土壤N₂O产生的微生物机理.结果显示,在空间尺度上,表层土壤(0～20 cm)是N₂O产生热区,其N₂O产生潜势最高,为(0.364±0.048)ng·g^-1·h^-1.硝化和反硝化潜势均在表层土壤达到最高.在时间尺度上,冬季(15℃)是N₂O产...     

生物膜层DO浓度对MABR中异养硝化-好氧反硝化的影响

高浓度氨氮（NH₄+-N）废水的好氧生物处理是一个高氧需求过程.膜曝气生物膜反应器（membrane aerobic biofilm reactor,MABR）因其高氧利用率、低能耗优势在高氨氮废水处理中具有重要应用潜力.通过启动贯通式MABR接种异养硝化-好氧反硝化（heterotrophic nitrification and aerobic denitrification,HN-AD）脱氮混合菌液处理高氨氮模拟废水,调节进气量实现生物膜层不同溶解氧（DO）浓度,考察生物膜层DO浓度对MABR脱氮性能、HN-AD菌多样性及其脱氮功能基因的影响.结果表明:①MABR中仅生物膜内层DO浓度随进气量的增加而提升,生物膜外层DO浓度始终保持为0 mg/L;高DO浓度下反应器NH₄+-N、总氮（TN）去除率相比低DO浓度分别增加了28.15%和24.18%,提高生物膜内层DO浓度强化MABR脱氮性能.②高通量测序分析表明,HN-AD菌是MABR中的脱氮功能微生物,研究获得假黄褐藻属（Pseudofulvimonas）、脱氮副球菌属（Paracoccus）、鞘氨醇杆菌属（Sphingobacterium）和不动杆菌属（Acinetobacter）等共13种HN-AD菌属,其总相对丰度在低、中和高DO浓度下分别为12.97%、19.05%和22.01%,说明提高生物膜内层DO浓度促进了HN-AD菌属的富集.③PICRUSt1功能基因预测发现,MABR中HN-AD菌的好氧反硝化功能基因（napA、napB）总相对丰度在低、中和高DO浓度下分别为0.000 13‰、0.019‰和0.060‰,说明提高MABR生物膜内层DO浓度加快了HN-AD菌的好氧反硝化进程,促进了MABR中HN-AD过程的实现.研究显示,通过调节进气量实现生物膜内层不同DO浓度,可以强化MABR脱氮性能,提高HN-AD菌属富集程度,促进MABR中HN-AD过程的实现.      

碳源类型对污水生物处理过程中氧化亚氮释放的影响

碳源是污水生物处理过程中N2O释放的重要影响因素.本试验以不同碳源（葡萄糖、乙酸钠和淀粉）条件下的SBR反应器为研究对象,分析了碳源类型对于N2O释放的影响作用.结果发现,N2O释放主要发生在好氧段,且释放总量受碳源影响,以乙酸钠为碳源的反应器产生的N2O最多,释放速率最大,其次为葡萄糖,淀粉最少,N2O转化率分别为7...     

污水短程硝化反硝化和同步硝化反硝化生物脱氮中N2O释放量及控制策略

采用SBR反应器考察了短程硝化反硝化和同步硝化反硝化脱氮过程中N_2O的释放.通过实时控制策略实现了短程硝化反硝化生物脱氮,亚硝化率可维持在90%以上.在溶解氧水平为0.5、 1.0、 1.5和2.0 mg/L条件下,考察N_2O的释放和亚硝化率的变化情况.结果表明,溶解氧1.5 mg/L时最有利于维持稳定的亚硝化率,同时N_2O逸出量最小,每去除1 g氨氮释放N_2O 0.06 g;在碳纤维填料SBR反应器中,通过维持较低溶解氧水平和分段投加碳源的运行方式成功实现了同步硝化反硝化,同步硝化反硝化率在79%以上.在溶解氧水平为0.2、 0.4、 1.0和1.5 mg/L时,考察N_2O的逸出情况.结果表明,溶解氧在1.0 mg/L时最有利于控制N2O的释放,每去除1g氨氮释放N2O 0.021 g,其N_2O释放量仅为短程硝化反硝化的1/3.     

短程同步硝化反硝化过程的脱氮与N2 O释放特性

采用气升环流生物反应器建立全程同步硝化反硝化(SND)体系,在此基础上,通过提高进水pH值从而增加反应器中的游离氨(FA)浓度,可以实现全程SND向短程SND的转变.以全程SND过程为参照,分析了短程SND过程的脱氮及N2O释放特性.结果表明,短程SND过程的总氮平均去除率及SND平均效率分别为71.9%和80.9%,比全程SND过程分别提高了18.0和16.8个百分点,短程SND过程的平均总氮去除速率为0.11 mg.(L.min)-1,是全程SND过程的1.4倍.虽然短程SND较全程SND具有更高的脱氮效率,但该过程的N2O平均转化率为57.1%,N2O平均累积释放量约为全程SND过程的5倍.研究还发现,N2O的释放量急剧上升与体系中NO2--N的积累浓度升高密切相关.     

高盐高碱环境下硝化反硝化过程及N2O产生特征

采用稳定运行在高盐高碱环境厌氧/好氧/缺氧(A_n/O/A)模式下的序批式生物膜反应器(SBBR),考察在不同碳氮比(C/N)条件下,硝化反硝化过程及N_2O产生特征.结果表明,在C/N为5、2和对照组(C/N=0)时,总氮去除率分别为(98. 17±0. 42)%、(65. 78±2. 47)%和(44. 08±0. 27)%; N_2O的产生量分别为(32. 07±2. 03)、(21. 81±0. 85)和(17. 32±0. 95) mg·L~(-1); N_2O转化率(N_2O产生量在去除总氮中的比例)分别为(29. 75±0. 93)%、(30. 04±2. 17)%和(41. 69±0. 80)%.高盐高碱条件下,亚硝酸盐氧化菌(NOB)受到很强的抑制作用,硝化过程基本停留在亚硝酸盐阶段.由于高盐高碱环境对N_2O还原酶活性的抑制,使得异养反硝化过程产生了大量N_2O,随着碳氮比的增大,有更多的碳源用于反硝化过程,因而总氮去除率和N_2O产生量均随之增加.随着碳氮比的增大,N_2O转化率随之降低,这可能是由于异养反硝化过程氮素还原酶对电子的竞争所形成的,碳氮比越高,电子竞争越弱.高通量测序表明:在SBBR中,氨氧化细菌(AOB)被富集,而几乎不存在NOB;优势异养反硝化菌属主要是Thauera、Azoarcus和Gemmobacter.     

以甲醇为碳源生物反硝化过程释放一氧化二氮的试验研究

污水生物反硝化脱氮过程是一氧化二氮(N2O)的重要释放源之一.试验采用序批式反应器以甲醇为碳源(电子供体),硝酸盐(NO3--N)为电子受体驯化反硝化菌,并采用批处理试验研究不同电子受体、不同碳氮(C/N)比和不同初始亚硝酸盐(NO2--N)质量浓度条件下N2O释放情况.在典型周期试验和批处理试验中均能检测到N2O的释放.以NO2--N为电子受体时会释放较多的N2O,而以NO3--N为电子受体时释放的N2O相对较少.不同C/N比通过影响反硝化菌的活性进而影响N2O的释放,反硝化菌的活性和N2O的释放量均随着C/N比的降低而降低.N2O的释放量随着初始NO2--N质量浓度的增加而增加,一定浓度范围内的NO2--N会增强反硝化菌的活性.初始NO2--N质量浓度与N2O的释放量具有较好的指数相关性.     

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.     

Nitrous oxide emissions from black soils with different pH

N₂O fluxes as a function of incubation time from soil with different available N contents and pH were determined. Cumulative carbon dioxide (CO₂) emissions were measured to indicate soil respiration. A 144-hr incubation experiment was conducted in a slightly acidic agricultural soil (pH_H2O 5.33) after the pH was adjusted to four different values (3.65, 5.00, 6.90 and 8.55). The experiments consisted of a control without added N, and with NH₄⁺-N and NO₃^--N fertilization. The results showed that soil pH contributed significantly to N₂O flux from the soils. There were higher N₂O emissions in the period 0-12 hr in the four pH treatments, especially those enhanced with N-fertilization. The cumulative N₂O-N emission reached a maximum at pH 8.55 and was stimulated by NO₃^--N fertilization (70.4 μg/kg). The minimum emissions appeared at pH 3.65 and were not stimulated by NO₃^--N or NH₄⁺-N fertilization. Soil respiration increased significantly due to N-fertilization. Soil respiration increased positively with soil pH (R² = 0.98, P < 0.01). The lowest CO₂-C emission (30.2 mg/kg) was presented in pH 3.65 soils without N-fertilization. The highest CO₂-C emissions appeared in the pH 8.55 soils for NH₄⁺-N fertilization (199 mg/kg). These findings suggested that N₂O emissions and soil respiration were significantly influenced by low pH, which strongly inhibits soil microbial nitrification and denitrification activities. The content of NO₃^--N in soil significantly and positively affected the N₂O emissions through denitrification.     

兽用抗生素磺胺二甲嘧啶对稻田N2O排放的影响及其微生物机制

为研究磺胺类兽用抗生素对稻田N_2O排放的影响及其微生物机制,采用田间原位观测试验,对比分析不同浓度磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine,SMZ)对稻田N_2O排放及硝化反硝化过程底物和相关功能基因丰度的影响.本试验共设5个处理,分别为:无肥料无抗生素(CK);猪粪为基肥,尿素为追肥,分别添加0、5、15和30 mg·kg~(-1)的SMZ处理(SMZ0、SMZ5、SMZ15和SMZ30),在整个水稻生长季定期采集和分析土壤和气体样品.结果表明,不同浓度SMZ均未改变稻田N_2O排放的季节性规律,整个观测期N_2O排放通量,与SMZ0处理相比,SMZ15有显著差异(P 0. 05),SMZ30和SMZ5无显著差异(P 0. 05).中、高浓度处理SMZ15和SMZ30在均值水平上增加了N_2O累积排放量,分别是SMZ0处理的3. 47和4. 67倍,且增加了土壤NO_3~--N含量.与SMZ0处理相比,中、高浓度处理对土壤总细菌16S rRNA基因丰度、硝化过程中氨氧化古菌AOA amoA和氨氧化细菌AOB amoA基因丰度以及反硝化过程中的nirK、nirS和nosZ基因丰度均有明显的激活作用(P 0. 05),低浓度处理SMZ5对各基因丰度则有轻微抑制作用.具体表现为SMZ30、SMZ15与SMZ0处理的16S rRNA、AOA amoA、AOB amoA以及nirK、nirS、nosZ基因丰度比值的平均值分别为:1. 58、1. 77、2. 15、1. 38、1. 33、1. 42和1. 24、1. 37、1. 08、1. 65、1. 11、1. 64,而SMZ5与SMZ0处理的6个上述基因丰度比值均小于1,仅分别为0. 80、0. 99、0. 92、0. 76、0. 76和0. 77. N_2O排放通量与nir K基因丰度呈极显著正相关(P 0. 01),表明SMZ通过影响反硝化菌活性进而对N_2O排放产生作用.因此,兽用抗生素对农田的污染不可忽视,应从源头上合理控制使用,以减少其环境生态风险.     

高氨氮废水短程硝化过程中N2O释放试验研究

试验采用序批式反应器(SBR)处理高氨氮废水,逐步提高废水氨氮(NH+4-N)浓度到800 mg·L-1,通过控制曝气量实现了短程硝化.SBR周期试验表明,在低溶解氧和高游离氨等共同作用下,氨氧化菌(AOB)活性较低,导致AOB以亚硝酸盐氮(NO_2~--N)作为电子受体进行好氧反硝化,氧化亚氮(N_2O)释放因子为9.8%.静态试验控制初始NH_4~+-N为100 mg·L-1且改变曝气量(0.22~0.88 L·min~(-1))条件下,溶解氧浓度的增加能够提高硝化菌活性,N2O释放因子为0.51%~0.85%.当初始NH_4~+-N浓度为100 mg·L~(-1)且曝气量控制在0.66 L·min-1时,初始NO-2-N浓度为0~100 mg·L~(-1)对硝化菌活性影响较小,N2O释放因子为0.50%~0.71%.当溶解氧和游离氨浓度控制在适宜范围内,可维持AOB较高活性,抑制AOB发生好氧反硝化作用,降低N2O释放率.     

不同氮浓度冲击对颗粒污泥脱氮过程中N2 O产生量的影响

采用好氧-缺氧SBR污水生物处理系统,考察不同进水NH4+-N浓度冲击对同步硝化反硝化型颗粒污泥脱氮过中N2O的释放规律和脱氮效果的影响.结果表明,当进水NH4+-N浓度分别从稳定的30 mg·L-1突然提高到40、60和80 mg·L-1时,氨氮去除率从80.04%降至61.40%、39.65%和31.02%,但氨氮的去除量变化不大,都在25 mg·L-1左右;另外,N2O产生量受进水NH4+-N冲击较小,在4个不同的进水NH4+-N浓度下,典型周期N2O产生量分别为3.019、3.489、3.271和3.490 mg·m-3,而且N2O释放速率都在0.004 5 mg·(m3·min)-1左右.同步硝化反硝化型颗粒污泥系统的好氧阶段和缺氧阶段均有N2O产生.不同的NH4+-N浓度冲击下,同步硝化反硝化型颗粒污泥系统对NH4+-N的去除量没有变化,但由于进水NH4+-N浓度的提高引起系统脱氮率显著下降.