凤眼莲对富营养化水体硝化、反硝化脱氮释放N2O的影响

以往有关大型水生漂浮植物消减富营养化水体氮(N)的研究主要侧重于植物对N的吸收效果,而忽略了硝化、反硝化反应途径对水体脱氮的贡献.基于此,本研究中借助具创新性的收集凤眼莲种植水体释放N₂O的装置和方法,通过模拟实验研究了凤眼莲对富营养化水体硝化、反硝化脱氮中间产物N₂O的影响.结果表明,凤眼莲可以促进富营养化水体的硝化、反硝化、成对硝化-反硝化反应过程,在本实验条件下凤眼莲种植水体在整个培养期内释放的N₂O气体浓度累积升高幅度较大,为453~4055 nL·L^-1(未加硝化抑制剂处理),通过释放N₂O而脱除氮素的量占整个水体N消减量的1.36%,为相应未种植凤眼莲水体的4.31倍.种植凤眼莲水体试验期间释放N₂O-N的量与水体氨态氮或硝态氮浓度的变化量均存在显著相关关系(p<0.05),说明N₂O释放量受到水体中NH₄⁺、NO₃^-浓度变化的影响.种植凤眼莲在实验中后期可以增加水体中硝化、反硝化细菌的数量,但其数量远低于凤眼莲根系附着的硝化反硝化细菌.水体中反硝化细菌数量与水体释放N₂O浓度之间并无显著相关性,说明种植凤眼莲水体反硝化脱氮释放N₂O过程可能主要是由根系共生微生物驱动的.     

设施菜田土壤N2O产生对O2的响应

以添加(DIS)/不添加(DI)玉米秸秆的常规设施菜田土壤为研究对象,通过室内培养试验,利用在线自动监测培养系统,在不同初始氧气体积分数下(0%、1%、3%、5%和10%)监测土壤N_2O、NO、N_2和CO_2产生量的动态变化,并同步分析了土壤无机氮(NO-2、NO-3、NH+4)含量,同时设置添加Na Cl O3的处理抑制土壤NO-2的氧化,以期对比研究不同碳投入菜田土壤N_2O产生量对O_2的响应.结果表明,厌氧条件下土壤N_2O产生量显著高于有氧条件下土壤N_2O产生量(P0.01).当氧气体积分数≤1%时,添加秸秆的(DIS)土壤N_2O产生量显著高于未添加秸秆的(DI)土壤(P0.01).土壤中氧耗竭时会观察到明显的N_2O产生速率峰值,但N_2产生速率峰值随着初始氧气体积分数的升高极显著降低(P0.01),反之,土壤中如果没有出现氧耗竭的现象,则N_2O和N_2产生量随着初始氧气体积分数的升高显著降低(P0.01).初始氧气体积分数介于1%~5%时,培养过程中会观察到持续的NO-2累积,且在该氧梯度内N_2O/(NO+N_2O+N_2)指数显著高于0%以及10%初始氧气体积分数的处理,此外,添加Na Cl O3后,当初始氧气体积分数为5%和10%时,持续增加的NO-2与N_2O产生量两者之间线性相关(R2≥0.85).本研究结果表明,低氧条件下不完全的反硝化和NO-2诱导的硝化细菌反硝化共同作用,显著增加了土壤N_2O的产生量和N_2O/(N_2O+NO+N_2)指数;但是,有氧条件下土壤N_2O的产生量显著低于厌氧条件(P0.01).     

单级和多级A/O工艺中氮的去除效果及N2O的产生特性

利用SBR反应器模拟单级和多级A/O工艺,在进水水质、水力停留时间(HRT)、泥龄(SRT)、温度、缺氧好氧时间比(A/O比)均相同的条件下,考察了两种脱氮系统中氮的去除效果及N_2O的释放情况.结果表明,对于与城市污水水质相当的进水水质,单级A/O工艺和多级A/O工艺对COD、氨氮的去除率均在95%以上,二者无明显区别,但是前者对TN的去除效率高于后者,二者的总氮去除率分别为72.1%和52.2%.在氮素的转化过程中,典型周期内(3 h)单级A/O工艺和多级A/O工艺中N_2O的产生量分别为16.95 mg和3.59 mg,其转化率(即N_2O的产量与TN的去除量之比)分别为11.47%和4.11%,且N_2O的产生和释放主要发生在好氧段(硝化阶段),缺氧段(反硝化阶段)基本无N_2O释放.单级A/O工艺比多级A/O工艺更有利于硝化细菌(AOB、NOB)的生长,在相同的运行条件下,两工艺中AOB的优势菌种皆为Nitrosomonas,但前者的相对丰度高于后者;单级A/O工艺中NOB的种类和相对丰度也明显多于多级A/O工艺.在实际运行中采用合适的A/O分区或供氧方式既可以较好地去除污水中氮素污染,又可以减少N_2O的释放对大气造成二次污染.     

不同氮污染特征河流N2O浓度、释放通量与排放系数

以铁岭市22条河流为研究对象,分析了河流N_2O溶存浓度、释放通量及排放系数.根据氮素的主要赋存形态及氮素浓度,22条河流可分为铵态氮污染(铵态氮平均浓度5.86 mg·L~(-1))、硝态氮污染(硝态氮平均浓度3.05 mg·L~(-1))和氮限制(溶解性无机氮平均浓度1.04 mg·L~(-1))河流这3种.总体上,N_2O溶存浓度介于17.03~9 028.60 nmol·L~(-1),均值为546.75nmol·L~(-1),饱和度均值为6 256%;河流水-气界面N_2O释放通量介于17.21~15 655.3μg·(m~2·h)~(-1),均值为949.36μg·(m~2·h)~(-1).铵态氮污染河流断面N_2O浓度和释放通量显著高于硝态氮污染和氮限制断面(LSD,P0.05).根据IPCC方法计算了河流N_2O排放系数(EF_(5r)),结果表明3种类型河流EF_(5r)呈现极为明显的差异,EF_(5r)变异系数达到445%.硝态氮污染河流EF_(5r)均值为0.000 5,显著低于IPCC建议值(0.002 5);但铵态氮污染河流硝态氮浓度较低,导致EF_(5r)计算均值高达0.445 6,为IPCC建议值的180倍;氮限制河流EF_(5r)均值为0.005 0,为IPCC建议值的2倍.因此,在计算EF_(5r)时应充分评估河流的氮污染状况.本文根据河流氮污染特征,结合不同类型河流N_2O产生机制,对EF_(5r)进行了分类计算,探讨了EF_(5r)的修正计算方法.建议针对氨氮污染和氮限制河流采用[N_2O]/[NH_4~+]方法计算EF_(5r);如不考虑河流氮污染特征,建议采用[N_2O]/[DIN]方法计算EF_(5r).     

盐度对好氧颗粒污泥硝化过程中N2O产生量的影响

采用好氧SBR反应器,考察盐度在0、5、10 g·L-1条件下好氧颗粒污泥全程硝化过程中N2O产生量的变化情况以及对系统脱氮效果的影响.结果显示,随着污水中盐度增加,N2O产生量呈递增趋势.在3个盐度下(0、5、10 g·L-1),溶解态N2O产生量分别为1.21、8.99、24.81 mg·m-3,释放态N2O产生量分别为0.95、3.46、16.45 mg·m-3.在盐度为5 g·L-1和10g·L-1条件下,N2O释放速率分别为0 g·L-1时的3.6倍和17.4倍.在3种盐度条件下无论是溶解态N2O还是释放态N2O产生量在硝化过程的变化趋势均是先上升后下降,且溶解态N2O产生量大于释放态产量.另外当盐度浓度较低时(低于5 g·L-1),对NH+4-N去除效果影响较小,NH+4-N的去除率与盐度为0 g·L-1时基本相同,均在98%以上;但当盐度升至10 g·L-1后,NH+4-N的去除率降到了70%.因此,污水中盐度增加不仅影响NH+4-N的去除效率,而且增加N2O产生量.     

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.     

有机氮替代比例对冬小麦/夏玉米轮作体系作物产量及N2O排放的影响

控制农业温室气体排放(如N_2O)是减缓全球气候变暖的一个重要措施.本研究通过动态监测小麦-玉米轮作体系N_2O排放通量,探究不施任何肥料(对照,CK)、单施氮磷钾化肥(NPK)、75%NPK+25%(有机氮M)(25%M)、50%NPK+50%M(50%M)、25%NPK+75%M(75%M)以及100%M,即不同有机氮替代比例对陕西关中塿土冬小麦/夏玉米轮作体系N_2O排放及作物产量的影响.结果表明,各处理N_2O排放通量在施肥、降雨或灌水后出现排放峰值.在小麦季各处理变化幅度为-1.33~144.2μg·(m~2·h)~(-1),其中NPK处理峰值最高.玉米季各处理变化幅度为88.2~1 800.1μg·(m~2·h)~(-1),50%M处理峰值最高.小麦/玉米一个轮作年不同处理N_2O排放总量为429.8~2 632.1 g·hm~(-2),且50%M25%MNPK75%M100%MCK.无论小麦、玉米还是一个轮作年总产量,施肥处理产量均显著高于对照.小麦季,施用有机肥的处理小麦产量均显著高于单施化肥处理,增幅达26.1%~50.0%.玉米季,50%M和75%M处理产量与NPK相似,而25%M和100%M处理玉米产量显著低于NPK处理.小麦/玉米轮作总产量变幅为9 166~17 496 kg·hm~(-2),其中50%M和75%M处理显著高于NPK处理,25%M和100%M处理与NPK处理无显著差异.综合考虑塿土小麦/玉米轮作体系有机氮替代化肥氮75%最好,可以保证作物产量、实现N_2O减排.     

CANON中试反应器启动及性能优化

以青岛某污水处理厂污泥消化液为连续进水,控制温度在(30±3)℃,接种污水厂普通活性污泥,驯化启动CANON反应器.为解决菌种流失、优化反应器性能,向CANON反应器内投加悬浮生物载体,转换为生物膜CANON反应器.结果表明,经过130 d运行培养,总氮去除负荷达到0. 03 kg·(m~3·d)~(-1),硝酸盐生成量与氨氮减少量的比值(RNaA)平均为0. 09,接近理论值0. 11,由此判断CANON反应器启动成功. CANON活性污泥反应器共运行300 d,稳定运行时总氮去除负荷为0. 20kg·(m~3·d)~(-1).投加悬浮载体后,经过30d运行培养,系统成功转换为纯膜系统,载体表面生物膜转为淡红色,TN平均去除负荷达到0. 17 kg·(m~3·d)~(-1),RNaA平均为0. 14,略大于理论值0. 11.由此判断CANON污泥在MBBR工艺中逐渐适应并得以稳定运行. CANON-MBBR反应器共运行200 d,稳定运行期间,总氮去除负荷为1. 15 kg·(m~3·d)~(-1).高通量测序结果表明,CANON-MBBR成功启动后,AOB和An AOB是系统中的优势菌种,相对丰度分别达到26. 24%和30. 08%,NOB被成功抑制.以上结果表明,以高密度聚乙烯填料为悬浮载体的CANON-MBBR具有良好的脱氮效能,有利于自养脱氮工艺的稳定运行.     

贵州省旱田土壤N2O释放及其环境影响因素

以贵州省的玉米－油菜轮作田、大豆－冬小麦轮作和休耕地为研究对象,采用密闭箱－气相色谱法,对整个轮作期的土壤Ｎ₂Ｏ释放进行观测,初步研究我国亚热带旱田的Ｎ₂Ｏ释放特征．实验研究结果表明,３试验田Ｎ₂Ｏ释放通量具有相同的规律性日变化形式,秋收作物达通量极大值的时间比越冬作物滞后２ｈ～３ｈ,气温是控制Ｎ₂Ｏ通量日变化的主要环境因子：３试验田Ｎ₂Ｏ释放通量（以Ｎ₂Ｏ中的Ｎ计）分别在９．８１～４３３．１１,４．００～１８０．４１和９．７４～２８２．００μｇ·ｍ^-2·ｈ^-1,高于我国水田和北方旱田的Ｎ₂Ｏ释放通量;进一步分析表明,３试验田Ｎ₂Ｏ释放通量具有相同的季节变化模式,Ｎ₂Ｏ 释放峰受降雨事件的直接影响,Ｎ₂Ｏ通量与降雨量和土壤湿度间有显著的正相关性,而与温度的关系不明显     

亚热带河口潮滩湿地N2O排放对氮硫增强输入的响应

以亚热带区域闽江河口短叶茳芏中、高潮滩湿地为研究对象,于2014年7月至11月进行氮硫增强输入的实验,利用静态箱-气相色谱法测定潮滩湿地中N_2O排放通量,并同步测量相关的环境因子.结果显示,不同潮滩湿地N_2O排放通量对氮硫增强输入的响应存在差异,但总体上看均促进了N_2O的排放.与对照相比,NH_4~+-N输入使中、高潮滩排放通量分别提高了157.97%和236.36%;NO_3~--N输入使中潮滩提高了60.95%,而使高潮滩N_2O排放通量提高了246.77%;SO_4~(2-)-S输入分别使中、高潮滩N_2O通量提高50.68%和87.17%;而N-S复合输入则使中、高潮滩N_2O通量分别增加了84.20%和117.79%.不同的处理组对中、高潮滩的N_2O排放通量的促进作用分别表现为:NH_4~+-NN-SNO_3~--NSO_4~(2-)-S及NO_3~--NNH_4~+-NN-SSO_4~(2-)-S.氮硫增强输入改变了短叶茳芏潮滩湿地N_2O排放通量的变化规律,但除了NH_4~+-N处理对高潮滩N_2O排放通量的影响显著外,其他处理组的影响均未达到显著性水平.中、高潮滩湿地N_2O的排放通量与沉积物温度、含水率具有显著的相关关系,而与电导率相关性不显著.随着全球环境问题的日益严重,系统研究湿地生态系统N_2O排放的机制与规律,对于科学准确的估算全球温室气体排放量具有重要的意义.     

初始pH值对序批式CANON工艺脱氮效果和N2O释放的影响

在温度为30℃±1℃条件下,采用陶粒为填料的序批式CANON反应器,以人工配置无机高氨氮废水为进水,研究不同初始pH值对CANON工艺脱氮效果和N_2O释放的影响.试验过程中,控制进水氨氮浓度相同,HRT=5 h,曝气量为6m3·(m~3·h)~(-1)时,调节进水pH值分别为6.64、6.98、7.15、7.88和7.95,研究发现,初始pH值在6.64~7.95之间时,CANON工艺脱氮效果基本保持稳定,TN去除率分别为81.38%、87.32%、92.12%、88.21%和86.84%,TN去除负荷均在1.56kg·(m3·d)-1以上;各周期初始N_2O释放速率基本相同,先升高后降低,且初始pH值越低N_2O释放速率峰值越高,而N_2O释放量和释放率也均随初始pH增加而减少.初始pH值在6.64~7.95之间对总氮去除影响不大,但对N_2O释放有较大影响.要同步实现CANON工艺高效脱氮和N_2O释放减量化,应将进水pH调节在7.90附近.     

基于CANON工艺的新型HABR反应器生物脱氮性能研究

采用新型复合式折流板反应器(HABR)启动及运行全程自养脱氮(CANON)工艺.通过缩短水力停留时间(HRT)的方式提高进水总氮负荷启动反应器,反应器运行成功后,考察反应器沿程氮素、电导率、p H值及MLSS的变化规律,并对反应器内微生物种群形态结构及空间分布进行分析.结果表明,当进水NH_4~+-N平均浓度为40 mg·L~(-1)时,经过89 d的连续运行,新型HABR反应器实现了快速启动,并能稳定运行至187 d,稳定运行期出水NH_4~+-N和TN浓度分别稳定在2 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)以下,去除率分别达到96%和83%以上,NRR达到0.15 kg·(m~3·d)~(-1).稳定运行阶段,NH_4~+-N与TN浓度在反应器沿程逐渐降低,NO-2-N和NO-3-N的生成量一直维持在较低浓度.第1个单元格脱氮效率最高,通过SEM和FISH分析表明,在第1个单元格中存在丰富的功能菌种亚硝化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(An AOB).     

微膨胀对好氧颗粒污泥脱氮过程中N2O产生量的研究

采用控制低溶解氧(DO)在SBR反应器内,研究了好氧颗粒污泥微膨胀的实现;考察了微膨胀颗粒污泥对COD和氨氮去除效能以及温室气体N2O产生量.结果表明,在低DO条件下可以获得微膨胀颗粒污泥,污泥容积指数(SVI)大都在150～250 mL.g-1之间.微膨胀颗粒污泥对COD和氨氮去除量影响不大,COD去除率从89.45%上升到90.99%;氨氮去除率从77.29%降至68.29%;硝化速率从38.95×10-3 mg.(g.min)-1降至33.46×10-3 mg.(g.min)-1.微膨胀颗粒污泥对N2O产生量影响很大,微膨胀颗粒污泥N2O产生量为2.42 mg.m-3是没有发生微膨胀颗粒污泥N2O产生量的1.26倍.微膨胀颗粒污泥N2O释放速率由3.63×10-3mg.(L.min)-1上升到4.72×10-3mg.(L.min)-1.     

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.     

颗粒+絮体污泥CANON工艺的启动与SRT影响研究

为缩短工程应用中CANON工艺的启动时间及指导实际工程排泥控制,利用两个相同规格的SBR反应器接种不同比例厌氧氨氧化(anaerbic ammonium oxidation,ANAMMOX)颗粒污泥,研究了CANNON工艺启动规律与不同絮体SRT对工艺运行的影响.试验过程中,温度控制在30℃±1℃,pH 7~8.结果表明,接种5%和10%ANAMMOX颗粒污泥的两反应器在初始FA浓度大于44 mg·L~(-1)条件下,不利于工艺的快速启动.接种15%和20%ANAMMOX颗粒污泥的两反应器,分别在运行的第46 d和35 d成功启动了CANON工艺.当絮体SRT分别为30 d、90 d和不主动排泥时,系统总氮去除负荷均能维持在0.35kg·(m3·d)-1;定量PCR数据显示,随污泥龄的延长,AOB丰度相对稳定,ANAMMOX菌丰度略有增加,但是NOB丰度显著增加.因此,选择性地排出絮体有利于NOB的淘洗和系统的长期运行稳定性.     

CANON颗粒污泥工艺的启动与负荷提高策略

为缩短工程应用中CANON颗粒污泥工艺的启动时间及提高总氮去除负荷,利用SBR反应器,研究了CANON颗粒污泥工艺启动规律与负荷提高策略.试验过程中,温度控制在30℃±1℃,pH 7~8,根据反应器内污泥形态及脱氮效果,调整沉淀时间及曝气量.结果表明,反应器运行55 d后,实现了絮体和颗粒污泥共生系统向颗粒污泥系统的转变;117 d时,总氮去除负荷达到0.32 kg·(m~3·d)~(-1),并能稳定维持,CANON颗粒污泥工艺启动成功.通过采取不断提高曝气量的方式,运行77 d后,总氮去除负荷能平均维持在1.35 kg·(m~3·d)~(-1),实现了工艺负荷的提高.试验中发现总氮去除负荷和DO之间具有较好的相关性,可以简单地通过观察DO浓度掌握脱氮效能,维持工艺的稳定运行.     

全程自养颗粒污泥快速启动及混合营养型脱氮性能分析

在连续流条件下,基于颗粒污泥全程自养脱氮(CANON)工艺的快速启动和混合营养条件下高效脱氮,是CANON工程应用的重要环节.本研究在气提内循环反应器(AIR)中,以老化的CANON颗粒污泥经机械破碎至0.3 mm作为种泥,实现混合营养型单级颗粒污泥同步脱氮除碳.启动26 d,通过控制DO,系统出现稳定的部分硝化,再缩短HRT提升氨氮负荷至5.65 kg·(m³·d)^-1,促进颗粒化和厌氧氨氧化;第68 d,总氮去除率达到58%之后,进水加入有机物,C/N从0提升到0.25和0.5,促进AOB、AMX和异养微生物的协同,氨氮去除率达95%,总氮去除率达85%,COD去除率达80%左右.COD浓度增加,能较好地抑制Nitrospira菌属等NOB的活性,q(NH⁺₄-N)和q(TN)稳定在0.4 g·(g·h)^-1和0.34 g·(g·h)^-1,q(NO^-₃-N)约为0.02 g·(g·h)^-1     

全程自养脱氮耦合反硝化除磷的启动及稳定运行

采用改进型ABR-MBR反应器,接种普通活性污泥,以氨氮为200 mg·L~(-1)、C/N=1的人工配水为处理对象,研究全程自养脱氮耦合反硝化除磷一体式工艺的启动及其脱氮除磷效能.控制反应器运行条件:温度为(25±1)℃,pH=7. 5±0. 2,回流比由50%逐步提升至200%.结果表明,ABR厌氧阶段消耗70%COD,使得在低DO、高氨氮下能够21 d内快速启动部分亚硝化;随后以间歇曝气(曝停比:2 h∶2 h,DO为0. 3～0. 4 mg·L~(-1))的运行方式在132 d内成功启动耦合工艺内的CANON部分,使得ABR缺氧段的电子受体中硝酸盐氮浓度稳步上升,最终于160 d成功启动耦合工艺.稳定运行后,MBR内TN去除负荷达到0. 22 kg·(m~3·d)~(-1),出水各项指标COD、TN和PO_4~(3-)-P去除率分别为87. 0%、90. 4%和81. 8%.批次试验估算ABR内以硝酸氮盐为电子受体的PAOs约占PAOs的68%,系统内已培育出相互适应协作的DPAOs、AOB和An AOB菌种,具有良好同步脱氮除磷效果.