基于野外原位抽注试验和同位素技术的含水层反硝化速率研究

反硝化作用是地下水硝酸盐污染去除最重要的过程.由于水文地质条件和水文地球化学环境的复杂性和不确定性,精准测定含水层反硝化速率是反硝化过程的研究难点.选取潮白河冲洪积扇中部中国环境科学研究院地下水创新野外基地作为研究区,基于野外原位试验和15N同位素示踪法提出一种含水层反硝化速率的测定方法.该方法综合体现了研究区实际水文地质条件和水文地球化学环境对反硝化作用的影响,并充分考虑了硝酸盐在含水层中稀释弥散作用对计算结果的影响.结果表明:①潮白河冲洪积扇中部某地地下26~28 m处于还原环境,含水介质以粉细砂为主,ρ（NO₃-N）平均值为2.77 mg/L.②地下26~28 m反硝化速率在349.52~562.99 μg/（kg·d）（以N计,下同）之间,平均值为450.31 μg/（kg·d）.通过与研究区含水介质、采样深度和硝酸盐背景值相似的国内外案例对比研究,初步评估结果处于合理区间.③测试结果具有一定不确定性,主要来自忽略中间产物NO₂-和NO的计算方法、扰动采样方法、N₂O的操作规范程度及采样频率等方面.研究方法为测定含水层硝酸盐速率研究提供了新的思路,研究结果可为地下水中硝酸盐转化过程机理研究、地下水硝酸盐污染修复及风险管控提供关键的理论支撑数据.      

污泥腐殖酸对Cd2+的吸附特性

为了促进污水处理厂剩余污泥的资源化利用,探索S-HA（sludge-based humic acid, 污泥腐殖酸）对溶液中重金属Cd2+的吸附特性.采用国际腐殖酸协会（IHSS）推荐的方法提取S-HA,通过元素分析、FT-IR（傅里叶红外光谱分析）和SEM-EDS（外观形态分析）等方法,考察溶液pH和共存阳离子对吸附过程的影响,并对吸附过程分别进行了吸附动力学模型、等温吸附模型和吸附热力学模型拟合,同时通过对比S-HA吸附前后的红外光谱和扫描电镜-能谱图片,探索S-HA对Cd2+的吸附机制.结果表明:①S-HA表面呈松散的簇团状,含有大量的羧基、醇羟基和酚羟基等含氧官能团,芳香度较高,含有较多的脂肪链结构;S-HA在吸附水中Cd2+的过程中,Cd2+与S-HA表面上的酚羟基、羧基等官能团发生了络合作用.②S-HA对Cd2+的吸附量随溶液pH升高而增加,溶液中Na+、NH₄+和Ca2+等共存阳离子的存在不利于S-HA对Cd2+的吸附,其中Ca2+的存在对S-HA吸附Cd2+影响最大.③S-HA对Cd2+的吸附由快吸附、慢吸附和吸附平衡3个阶段组成,吸附平衡时间为12 h;吸附过程符合准二级动力学模型,其整体吸附速度由液膜扩散和颗粒内扩散共同控制;吸附等温线符合Freundlich等温吸附模型,25℃下的最大吸附量为19.29 mg/g,Cd2+在S-HA上的吸附是自发吸热反应.研究显示:污水处理厂剩余污泥提取的S-HA对Cd2+具有较好的吸附效果;S-HA对Cd2+的吸附过程同时存在着物理吸附和化学吸附;高pH对S-HA吸附Cd2+有促进作用,而高离子强度对S-HA吸附Cd2+有抑制作用.      

闽江河口养虾塘养殖期和非养殖期CO2通量变化特征

为揭示河口区陆基养虾塘从养殖期到非养殖期一年间的CO₂通量变化,以福建省闽江河口鳝鱼滩陆基养虾塘为研究对象,于2016年5月-2017年3月采用悬浮箱/静态箱-气相色谱法对养虾塘养殖期水-大气界面和非养殖期沉积物-大气界面白天CO₂垂直通量进行原位观测.结果表明:①养虾塘在整个研究期间CO₂通量变化范围为-62.87~162.81 mg/（m2·h）,平均值为（42.66±18.12）mg/（m2·h）,总体上表现为大气CO₂的释放源,且呈非养殖期CO₂通量平均值[（78.51±16.61）mg/（m2·h）]显著高于养殖期[（17.98±18.26）mg/（m2·h）]的特征.②养殖期间,养虾塘CO₂通量呈"排放-吸收"交替变化的特征,而非养殖期养虾塘一直是大气CO₂的净排放源.③养虾塘养殖期CO₂通量时间变化特征主要受到ρ（DOC）（DOC为总溶解有机碳）、ρ（SO₄2-）、ρ（Cl-）、盐度、pH、ρ（Chla）（Chla为叶绿素a）的影响,其中,pH和ρ（SO₄2-）是其主要影响因子,而ρ（TDN）（TDN为总溶解氮）、ρ（TDP）（TDP为总溶解磷）、ρ（SO₄2-）对非养殖期CO₂通量时间变化影响较大.研究显示,滨海陆基养殖塘是大气CO₂的重要来源,其排放通量多低于河流、水库等水生生态系统,但高于湖泊生态系统;养殖塘CO₂通量受人为影响明显,其较高的变异性与养殖生物、饲料投放以及浮游藻类有关.      

水稻秸秆生物炭中铜和镉的形态分布及释放特性

由于目前缺乏对生物质原料来源的管控办法,极有可能用产自受污染农田土壤的秸秆制备出具有高重金属含量的生物炭,因此,研究生物炭中重金属的形态分布及其释放特性对于防控生物炭应用产生的环境风险具有重要意义.基于此,分别采集江西省贵溪铜冶炼厂周边九牛岗污染区和中国科学院鹰潭红壤生态实验站清洁区种植的水稻秸秆制备生物炭（分别记为“九牛岗生物炭”和“红壤站生物炭”）,分析两种生物炭中Cu、Cd的含量及其化学形态分布,考察不同固液比及pH对生物炭中Cu、Cd浸出的影响.结果表明:九牛岗生物炭中Cu、Cd的总量（以w计）分别为119.99、3.83 mg/kg,显著高于红壤站生物炭（19.50、0.96 mg/kg）.尽管九牛岗生物炭中w（酸溶态Cu）、w（酸溶态Cd）显著高于红壤站生物炭,但在形态分布上,九牛岗生物炭中Cu、Cd主要为相对稳定态（可氧化态和残渣态）,二者占比分别为80.3%、76.7%,高于红壤站生物炭（二者占比分别为53.2%、48.0%）.高固液比和低pH可有效增加两种生物炭中Cu、Cd的浸出毒性,其中,九牛岗生物炭在固液比为1:20和1:60时,浸出液中ρ（Cu）、ρ（Cd）均超过GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中Ⅱ类标准限值.动力学及累积释放试验表明,两种生物炭中的部分Cu、Cd可在短时间内迅速释放而后逐渐平稳并有上升趋势,且九牛岗生物炭中Cu、Cd释放量显著高于红壤站生物炭.研究显示,来自污染区水稻秸秆生物炭中的Cu、Cd活性显著高于清洁区生物炭,具有更高的环境风险.      

德州市采暖季环境空气含氮/硫物质的污染及气-粒分配特征

为探究德州市采暖季环境空气中含氮/硫物质的污染特征、气-粒分配规律及影响因素,对2017年11月10日—2018年3月15日德州市市区环境空气监测站在线离子色谱分析仪监测的水溶性离子及气态前体物质量浓度的小时数据进行了分析.结果表明:①德州市环境空气监测站ρ（NO₃-）、ρ（SO₄2-）和ρ（NH₄+）平均值分别为（18.36±18.55）（12.74±10.92）（9.60±8.75）μg/m3,在2018年1月三者均达到最高值;对比PM_2.5及气态含氮/硫物质的质量浓度发现,ρ（PM_2.5）和ρ（SO₂）在2017年12月、2018年1月和2018年2月的月均值均较高,而ρ（SO₂）与ρ（SO₄2-）、ρ（NH₃）与ρ（NH₄+）均在日间（08:00—17:00）出现波峰.②对颗粒态和气态含氮/硫物质质量浓度日均值进行双变量相关分析发现,ρ（SO₄2-）、ρ（NO₃-）、ρ（NH₄+）两两之间的相关系数均高于0.75,表明二次离子的形成机制相似;而ρ（NH₃）、ρ（NO₂）、ρ（NO）、ρ（SO₂）两两之间均不存在显著相关,说明这些气态前体物来自不同的局部排放源.③过剩NH₃指数（F_N）平均值为0.49±0.16,说明采样时段大气处于富氨环境,过剩的NH₃会与气态HNO₃生成NH₄NO₃,因此NO₃-气溶胶的形成主要受HNO₃的影响或限制.④相对湿度是影响ρ（PM_2.5）最重要的气象因素,高湿环境会促进二次离子的转化.研究显示,冬季采暖排放会增加环境空气中含氮/硫物质的质量浓度,气象因素（尤其是相对湿度）对含氮/硫物质的气-粒分配也有一定影响.      

生物炭复合青霉菌修复砷污染土壤对其微生物群落功能多样性的影响

真菌修复砷污染土壤是一种能够有效吸附固化环境中砷的重要措施.生物炭作为目前修复重金属的热点,其多空疏松的结构、较高的离子交换量、丰富的有机碳含量等都说明了其在土壤修复中的地位.为了探究生物炭与青霉菌在修复砷污染土壤的同时对土壤中微生物活性及其多样性的影响,在室内孵育条件下,运用Biolog法研究了3×3随机区组试验（3个生物炭梯度分别为0%、2%、4%,3个青霉菌梯度分别为0%、10%、20%）下土壤微生物对不同类型碳源的利用能力以及多种功能性指数的影响.结果表明:①添加青霉菌与生物炭后,土壤中有效砷含量较对照组显著下降,从而影响其微生物群落功能多样性.②砷污染土壤中微生物群落功能多样性、碳源利用丰富度随生物炭浓度梯度的升高呈先升后降的趋势.③高接菌量（20%）与低接菌量（10%）对砷污染土壤中微生物群落功能多样性的影响没有显著性差异.④2%生物炭与10%青霉菌处理土壤中微生物群落功能多样性、碳源利用丰度最高.⑤青霉菌对胺类及少部分酸类碳源的利用能力较弱（AWCD < 0.5,AWCD为Biolog微平板孔中溶液吸光值平均颜色变化率）,对氨基酸类中大部分碳源以及脂类碳源的代谢能力较强（AWCD>1.0）,对糖类、酚酸类的代谢能力稍弱（AWCD为0.3~1.0）,青霉菌对D-半乳糖醛酸、L-天冬酰胺酸、L-丝氨酸、L-精氨酸、r-羟基丁酸这5种碳源的利用率最高（AWCD>1.2）.研究显示,低浓度生物炭可增加砷污染土壤中微生物群落多样性,生物炭含量的继续增加会对微生物产生抑制作用;青霉菌添加到砷污染土壤后,会显著提升砷污染土壤中微生物的群落功能多样性,改善砷污染土壤中微生的物群落结构;青霉菌的优势碳源大多为植物根系分泌物,可为后续青霉菌与超积累植物复合修复砷污染土壤提供参考.      

不同居民燃煤炉具大气污染物排放差异性及减排分析

为探究不同类型炉具的大气污染物排放差异,本研究选择5种常见的新式居民燃煤炉具（方型煤炉具、折流换热炉具、炕暖炊一体化炉具、气化正烧及气化反烧炉具）在实验室内进行模拟燃烧和大气污染物排放水平监测,定量评估不同炉具的环境效果,识别污染排放水平差异的影响因素及原因,从而提出炉具研发设计等污染减排的改进建议.结果表明：①不同炉具大气污染物排放差异较大,炕暖炊一体的炉具污染排放强度最大,3种大气污染物（SO₂、NO_x和颗粒物）的排放强度为2.9 kg ·t^-1,是平均值的1.6倍;应用方型煤技术的炉具大气污染物排放强度最低,是平均值的65%.②不同炉具在不同燃烧阶段其气态污染物排放也呈现出明显的差异和特征.旺火阶段方型煤炉具NO_x排放浓度为0.49mg ·m^-3,相较于其他类型炉具降低了45%~72%;气化反烧炉具的SO₂排放浓度为1.38mg ·m^-3,相较于其他类型炉具最高降低了28%.③影响炉具大气污染物排放因素包括应用技术及燃烧类型,采用方型煤及气化反烧技术的炉具环境效益较好,但两类炉具的经济成本分别达到2.0万元和1.8万元,明显高于其他类型炉具.④考虑不同炉具污染排放差异,建议采取差异化的经济政策和严格的排放和产品标准,推广使用节能环保型炉具,降低燃煤炉具大气污染物排放.     

UASB启动运行特征及互营丙酸氧化菌定量分析

为揭示升流式厌氧污泥床（UASB）反应器启动运行效能与互营丙酸降解菌群数量之间的关系,以稀释的玉米淀粉生产废水为底物,考察了UASB启动期的运行特征,并采用实时荧光定量PCR技术（qPCR）分析了互营丙酸降解菌群（丙酸氧化菌和产甲烷菌）的演替规律.结果表明,在进水COD 2000mg/L和水力停留时间（HRT）24h条件下,经过38d的连续运行,COD去除率达到了91.9%.当HRT分阶段缩短至8h时,比产甲烷速率达到了315LCH₄/（kg COD·d）,且形成了沉降性能良好的颗粒污泥.qPCR检测结果表明,至少有5种已鉴定的丙酸氧化菌存在于UASB反应器中.Pelotomaculum propionicum为接种污泥中的主要丙酸氧化菌,约占检测到丙酸氧化菌总数的45.7%.它的数量随着HRT缩短不断减少.而Syntrophobacter sulfatireducens和S.wolinii的数量随着HRT缩短不断增加,并在启动完成时达到最大值,分别为1.3×10³,5.5×10³个16S rRNA基因拷贝数/ng DNA,演替成为成熟颗粒污泥中的优势丙酸氧化菌群.Methanobacterium和Methanosarcina为接种污泥中的主要氢营养型产甲烷菌和乙酸营养型产甲烷菌,其数量随着HRT的缩短而逐渐减少,而Methanospirillum和Methanosaeta的数量随HRT的缩短逐渐增加,成为成熟颗粒污泥中的优势产甲烷菌群.     

铁基质强化新型功能性化粪池高效处理黑水的试验

以铁基质生物载体为核心,将物理、生物和化学方法结合,对化粪池进行功能强化,实现黑水的原位深度处理.探究了溶解氧（DO）和碳氮比（C/N）等因素对黑水中污染物降解的影响,并在最佳运行参数下考察了氮素在系统中的转化机制.结果表明,当C/N为7.3~8.4时,好氧生物铁基质载体池DO为2.3~2.7mg/L时,系统氨氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN） 、COD和总磷（TP）的平均去除率分别可达90.74%、85.81%、92.65%和95.78%;当进水C/N降至3.3~4.2时,系统NH₄⁺-N、TN、COD和TP的平均去除率仍可维持在81.16%、76.62%、93.87%和94.75%.铁基质生物载体内电解作用显著强化了化粪池内TN的脱除、COD的氧化和TP的固定.氮素转化机制分析表明,内电解与反硝化菌的耦合强化了反硝化作用,降低了反硝化过程对有机碳源的需求,强化了低C/N条件下TN、TP的脱除.     

不同基质生物炭对厌氧处理餐厨垃圾效能及微生态的影响

探究了剩余污泥（SS）、餐厨垃圾（FW）、玉米芯（CC）、甘蔗渣（BG）4种不同基质生物炭对厌氧生物处理餐厨垃圾效能的影响,对厌氧污泥的关键酶活性、微生物群落分布以及代谢途径等微生态进行了分析.结果表明,厌氧反应器分别加入4种生物炭后,COD平均去除率分别提高了29.49%、23.16%、29.42%、40.32%;傅里叶红外分析表明,投加SS生物炭组出水中羟基、酰胺基以及C-O-C伸缩振动峰减弱.4个厌氧反应器中厌氧污泥的乙酸激酶活性分别为0.40,0.42,0.96,0.98 μmol/g,表明投加CC与BG生物炭促进了餐厨垃圾的厌氧水解酸化过程;厌氧污泥胞外聚合物的蛋白质/多糖之比分别为0.415、0.56、1.89、2.8,投加CC、BG生物炭提高了污泥的稳定性.4个厌氧反应器中拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门为主要菌群,投加BG生物炭促进了变形菌门与厚壁菌门的生长;对于古细菌而言,甲烷杆菌属与甲烷丝菌属为优势种群,SS组的甲烷杆菌属丰度最高（53.48%）,而BG组中甲烷丝菌属丰度最高（42.72%）.KEGG功能分析表明古菌及细菌均以碳水化合物代谢、氨基酸代谢为主;而投加BG与SS生物炭后,微生物膜运输水平得到了提高.