增温对南极湖泊沉积物反硝化过程的影响

全球变暖导致的极地地区增温正深刻地改变着极地地区生态系统物质循环过程和速率。目前,增温对南极地区湖泊沉积物氮循环关键过程的影响还鲜有报道。中国第29次南极科学考察期间在南极中山站附近选取了5个湖泊,采集了1处含企鹅粪土的湖泊沉积物(莫愁湖)和4处自然湖泊沉积物(团结湖、大明湖、米尔湖和玉珍湖),利用样品瓶泥浆恒温培养法进行增温模拟,设置低温(1℃)、中温(5℃)、高温(11℃)培养实验。结果表明,低温条件下莫愁湖沉积物反硝化速率和反硝化潜势明显高于自然湖泊沉积物(277.37倍、244.13倍)。一定程度的增温促进了沉积物反硝化速率与反硝化潜势,但过高温度也会抑制部分样点的反硝化速率与反硝化潜势。总体而言,高温条件下自然湖泊沉积物平均反硝化速率分别是中、低温条件下的1.57倍、3.56倍,反硝化潜势为1.91倍、6.31倍;而含企鹅粪土湖泊沉积物反硝化速率为1.17倍、2.08倍,反硝化潜势为0.72倍、1.01倍。增温对自然湖泊沉积物反硝化速率和潜势的影响高于莫愁湖沉积物,但含企鹅粪的莫愁湖沉积物的反硝化速率和潜势具有更高的绝对增量。企鹅粪中较高的硝酸盐、铵盐、磷酸盐以及有机碳含量是莫愁湖具有很高的反硝化速率的主导因素。在全球变暖的背景下,南极地区企鹅外源氮输入将加速湖泊沉积物氮循环。

不同硝态氮组成下反硝化过程控制参数pH变化规律

采用序批式反应器(Sequencing Batch Reactor,SBR)反应器,在(21±1)℃下,以NO3--N和NO2--N为电子受体,在碳源充足的条件下对反硝化过程中的pH变化规律进行了研究.结果表明,反硝化过程中pH曲线上不仅出现了指示反硝化结束的特征点,还出现了表示硝酸盐完全还原为亚硝酸盐的特征点.此外,在起始NOx--N(NO2--N+NO3--N)浓度与pH值相同的条件下,起始NO2--N浓度所占的比例越高,反硝化结束时pH曲线上峰点的值越高,在反硝化过程中产生的总碱度却相等.研究分析发现NO2--N所占比例不同,反硝化过程中产生的碱度类型就不同,这是造成pH增量不同的根本原因.这些研究结果为更好地控制污水处理工艺提供了参考数据.

硝化反硝化过程中N_2O释放影响因素

结合N2O的产生机理,分析温度、含水率、NO2--N和底物质量浓度、pH和碱度、O2以及基质等因素对N2O释放的影响,试图探讨不同因素对N2O释放的影响规律,以期对生化过程中N2O的控制提供理论和技术支持。N2O的释放是温度、含水率、C/N、O2浓度、反应底物质量浓度、基质以及传输过程交互作用的结果。含水率、C/N、基质及温度等可通过不同途径影响溶解氧的质量浓度而影响N2O释放量;pH、NO2--N、NH3-N及温度等通过影响硝化、反硝化细菌的活性或对各阶段酶的抑制作用而影响N2O释放;土壤利用类型、植被种类、污水脱氮过程各参数等,会间接影响硝化和反硝化过程从而影响N2O的释放。

甲醇与葡萄糖为碳源在反硝化过程中的比较

在颗粒滤床反应器内 ,以葡萄糖或甲醇为碳源 ,碳源充足时 ,均可以比较完全地去除硝酸盐 ,但以葡萄糖为碳源的最佳碳氮比较甲醇为碳源高得多 ,为 6∶1～ 7∶1 (C6H1 2 O6∶NO-3 N)。当碳源不足时 ,反硝化过程存在亚硝酸盐积累现象 ,且葡萄糖为碳源时积累更严重。以CH3OH为碳源进行的反硝化速率较以C6H1 2 O6 为碳源的快得多 ,在相同条件下快 3倍。在本实验条件下 ,反硝化过程表现出 0级反应特征 ,k (CH3OH) =1 60mg/L·h ,k(C6H1 2 O6) =42mg/L·h。

土壤氮素反硝化过程研究进展

引用大量文献阐述了土壤反硝化过程造成的环境问题及其影响因素。例如，植物（包括根系活动，生长，分泌物，呼吸及植被遮荫等）对氮生物化学转化过程的影响；ＮＯ－３活性，微生物活动及其与根系竞争Ｎ素，水分和氧气容量，有机质含量，施用绿肥及无机肥，机械压实。

缺氧环境下硫酸盐还原对反硝化过程影响的特性试验研究

对缺氧环境下硫酸盐还原对反硝化脱氮过程影响进行了试验研究。试验结果表明和单纯的热力学和动力学分析不同,在硫酸盐和硝酸盐同时存在的生物脱氮体系中,具备着反硝化和硫酸盐还原同时进行的环境条件。缺氧环境下硫酸盐还原过程影响了反硝化脱氮效果和反硝化历程,即硫酸盐初始浓度越高,硝氮的去除率越低,当硫酸盐浓度从0mg/L增加到2000mg/L时,脱氮效率从100%降低到81.4%,脱氮速率从6.428mg/L.min降低到4.04mg/L.min,并且发现在硫酸盐影响下的反硝化过程出现了氨氮积累的现象。本研究结果对富含硫酸盐的有机废水生物处理有指导意义。

泥炭作为缓释碳源对反硝化过程的影响

采用柱实验,以泥炭颗粒作为缓释碳源,探究不同水力停留时间(HRT)下泥炭颗粒对反硝化过程的影响。结果表明:(1)泥炭颗粒可作为有效缓释碳源,当HRT为6.67h时,脱氮效果最好,硝酸盐氮去除率能达到81.9%。(2)出水COD较低,最终为9~12mg/L,不会对水体造成二次污染;亚硝酸盐氮先升后降,最终均小于0.2mg/L,未出现积累现象,泥炭颗粒可作为生物脱氮反应器中长期运行的缓释碳源。

碳源对污水处理反硝化过程及细菌种群的影响

为了探究不同碳源对污水处理系统中反硝化过程的影响,本实验选用乙酸钠、淀粉和稳定的垃圾渗滤液作为碳源,考察反硝化过程中碳源和氮素的变化。结果发现反硝化比反应速率:乙酸钠(0.55/day)>稳定生活垃圾渗滤液(0.113/day)>淀粉(0.0747/day)。采用PCR-DGGE分析技术,着重分析了不同碳源对系统中微生物优势菌种选择的影响。发现单一碳源对微生物的选择性较强,均会特异性地选择某些优势菌种,从而形成碳源与微生物之间的对应选择关系:乙酸钠作为碳源优先选择草酸杆菌科和与丝硫细菌属相近的一类微生物;淀粉为碳源时,优势菌群以草酸杆菌科和一类与糖类物质相关的微生物为主;碳源为稳定生活垃圾渗滤液时,主要以产碱杆菌科的微生物为优势菌群。

Fe(Ⅱ)对反硝化过程及其功能微生物群落的影响

以华南稻田土壤为研究对象,通过室内模拟控制实验,研究了Fe(Ⅱ)对厌氧稻田土壤中反硝化过程及其功能微生物群落结构组成与相对丰度的影响.结果表明,加入Fe(Ⅱ)减缓了土壤中NO3-的还原,但促进了NO2-的还原和N2O的生成;同时Fe(Ⅱ)只在Soil+Fe(Ⅱ)+NO-_3^-处理中发生氧化.通过定量PCR结果发现,Fe(Ⅱ)的加入提高了亚硝酸盐还原基因nir S和N_2O还原基因nos Z的拷贝数;但降低了细胞膜硝酸盐还原基因nar G的拷贝数.通过高通量和克隆文库分析发现,Fe(Ⅱ)的加入主要对nap A-周质硝酸盐还原微生物群落结构有明显影响,Soil+NO_3^-处理中优势菌是Dechloromonas,而Soil+Fe(Ⅱ)+NO_3^-处理中为Azonexus、Dechloromonas和Azospira.Fe(Ⅱ)对厌氧稻田中的反硝化过程及其功能微生物群落具有显著影响,这对了解华南红壤地区稻田体系中的氮元素循环与铁元素转化的关系具有重要意义.

生物炭对Cu^(2+)污染土壤反硝化过程的影响

反硝化过程会导致土壤系统中氮素的流失,而且产生温室气体N2O,有必要控制污染土壤的反硝化过程。研究了Cu^(2+)污染土壤中添加生物炭对反硝化过程的抑制。结果表明,Cu^(2+)污染土壤的NO-3浓度低于未污染土壤,N2O释放速率大于未污染土壤,可见Cu^(2+)污染土壤中的Cu^(2+)可促进反硝化过程。添加生物炭可明显降低土壤中可提取Cu^(2+)浓度,N2O释放速率降低,NO-3浓度升高,但NO-3浓度的升高滞后于N2O释放速率的降低。生物炭添加量为5%(质量分数)时对反硝化作用的抑制效果最强。

知识和数据驱动的污水处理反硝化脱氮过程协同优化控制

为有效提升城市污水处理过程的脱氮效果,提出一种知识和数据驱动的反硝化脱氮过程协同优化控制(Knowledge-data-driven cooperative optimal control,KDDCOC).所提方法主要有以下两个方面:首先,建立一种基于自适应知识核函数的协同优化控制目标模型,动态描述出水水质(Effluent quality,EQ)以及泵送能耗(Pumping energy consumption,PE)、关键变量的协同关系;其次,提出一种知识引导的协同优化算法(Knowledge guide-based cooperative optimization algorithm,KGCO),快速准确求解硝态氮(Nitrate nitrogen,SNO)优化设定值,提高KDDCOC的响应速度.KDDCOC利用比例−积分−微分(Proportional-integral-derivative,PID)控制器对硝态氮优化设定值进行跟踪,将提出的KDDCOC应用于城市污水处理过程基准仿真模型1号(Benchmark simulation model No.1,BSM1),实验结果表明,该方法能够提高出水水质,降低运行能耗,有效改善脱氮效果.

土壤反硝化过程速率测定方法

土壤反硝化过程是指土壤中的硝酸盐、亚硝酸盐等含氮物质在反硝化微生物的作用下还原成氮气(N_(2))、一氧化氮(NO)、氧化亚氮(N_(2)O)等气体的过程,是氮循环中重要的过程之一.反硝化的中间产物N_(2)O是一种重要的温室气体,其中从土壤中释放的量占地球总排放量的70%.反硝化作用主要由硝酸盐还原酶(nitrate reductase,Nar)、亚硝酸还原酶(nitrite reductase,Nir)、一氧化氮还原酶(nitric oxide reductase,Nor)和氧化亚氮还原酶(nitrous oxide reductase,Nos)所催化,相应的编码基因分别为nar、nir、nor和nos.多种土壤反硝化速率测定方法因技术、设备、实验设计等原因存在不同优缺点,据此在自己的研究中选择合适的方法至关重要.测定土壤反硝化的方法目前主要有乙炔抑制法、^(15)N同位素示踪法、N_(2)直接测定法、硝酸盐消失法、质量守恒法和化学计量法等6种方法.乙炔抑制法,操作简单,但是不适合土壤养分含量低的土壤;^(15)N同位素示踪法测定结果比较精确,但是价格昂贵,成本高;N_(2)直接测定法则需要精密的仪器.今后反硝化过程测定方法的发展不仅是测量方法的改进,也需要注重精密仪器的研发.

基于LSSVM与NSGA-Ⅱ的反硝化-Anammox工艺协同优化研究

针对反硝化-Anammox工艺中整体脱氮除碳能力较低的问题,提出基于LSSVM与NSGA-Ⅱ构建废水脱氮除碳处理的多目标优化模型。利用基于LSSVM的软测量方法进行脱氮除碳结果的相关变量的预测,通过NSGA-Ⅱ算法求解反硝化-Anammox工艺的全局最佳进水条件的解集。经仿真实验证明,通过LSSVM预测的COD_(rem)等相关变量与真实值的误差较小,基本满足预测需求。按照优化模型求解出的帕累托解集进行废水脱氮除碳处理,在NH_(3)-N的去除率达到90.67%的同时,对TN、COD的去除率分别为80.21%、85.73%,氮、碳2种元素的整体去除率为85.54%,能够满足反硝化-Anammox工艺协同优化的需求。

投加抑制剂实现短程硝化反硝化

外加化学物质对参与硝化反应的两类细菌的抑制作用是不同的,利用这一现象,可实现不经过硝酸盐产物的短程硝化反硝化反应。外加抑制剂会带来新的污染物质,对抑制剂的选择及用量是本研究的重点。当生化处理系统处于完全的短程硝化反硝化过程时,研究了维持此过程所需的条件。

ABS树脂废水有机物反硝化潜势及降解特性

为优化ABS树脂废水的生物脱氮工艺,测定了废水的反硝化潜势,分析了废水反硝化阶段有机物的降解特性.结果表明,ABS树脂废水的反硝化碳源充足,并且含有易降解有机物和慢速降解有机物等具有不同反硝化速率的有机物.在废水ρ（SCOD）（SCOD为溶解性化学需氧量）为755.4~1 043.3 mg/L,ρ（TN）为86.1~111.1 mg/L的情况下,总反硝化潜势为95.4~144.6mg/L（以NO3^--N计）,其中易降解有机物的反硝化速率为3.4~4.6 mg/（g·h）（以NO3^--N计）,反硝化潜势为33.2~49.7mg/L;2类慢速降解有机物的反硝化速率分别为2.2~3.2和0.4~0.9 mg/（g·h）,反硝化潜势之和为62.2~94.9 mg/L.反硝化过程中,废水SCOD的去除率为48.9%~62.8%,ON（有机氮）去除率为81.5%~95.7%.腈类物质得到明显降解,并生成大量NH4^＋-N,是反硝化碳源的重要组成部分.三维荧光光谱表明,废水中的芳香族有机物苯环结构在反硝化条件下未得到有效降解,但在好氧条件下得到快速降解.

SBR系统中同时硝化反硝化生物脱氮研究

采用单级SBR系统处理含有机物和氨氮的模拟污水并研究了单级生物脱氮的主要影响参数。实验采用葡萄糖作为碳源、硫酸铵作为氮源,研究了不同的CN和DO对同时硝化反硝化作用的影响。研究结果表明,当进水CODCr、NH3N浓度分别为244～500mgL和45.4～52.2mgL、反应条件为DO=1.0～3.0mgL、CODCrNH3N=5～10时,反应器中CODCr、NH3N的去除率分别达到87.1%～91.0%、75.1%～94.7%。根据试验结果,对同时硝化反硝化过程的一个代表性周期进行了分析。

环境中的反硝化微生物种群结构和功能研究进展

反硝化作用是生态系统氮循环的重要组成部分,与地下水硝酸盐累积和温室气体排放密切相关。种类繁多的细菌、真菌和古菌参与反硝化过程,并在调控反硝化速率和反硝化气体产物比例等方面发挥重要作用。反硝化微生物的种群结构是一系列环境影响因素长期作用的结果,反硝化微生物种群对温度、水分、pH、O2含量、资源可利用性和植被类型等因素产生不同的响应。环境因素通过对反硝化微生物的影响来调控反硝化速率和反硝化酶的生成。分子技术的应用为自然环境中反硝化微生物的研究开辟了广阔前景,并为进一步认识反硝化微生物种群结构和功能的相互关系提供了新的发展方向。本文总结了关于环境中反硝化微生物种群的研究结果,并为进一步研究反硝化微生物种群结构和功能的联系提供了总体框架。

次生天然林不同恢复阶段土壤硝化、反硝化功能微生物特征及影响因素分析

为了解次生林自然恢复过程中硝化、反硝化微生物功能基因丰度变化规律及影响因素。采用空间代替时间的方法,选取环境条件基本一致的5、8、21、27、40年自然恢复的次生林和大于100年原始林(对照CK)为对象,研究了表层(0~10 cm)土壤中参与硝化过程的功能基因AOA、AOB和反硝化功能基因NarG、NirK、NirS和NosZ丰度变化,以及与土壤理化性质的关系。结果表明:AOA基因主导了恢复阶段土壤的硝化过程,pH和铵态氮含量是影响AOA基因丰度变化的因子,进一步支持了AOA适合低pH和较低浓度NH_(4)^(+)的观点。反硝化功能基因丰度主要受AOB基因和土壤C/N的影响,且(NirK+NirS)/NosZ丰度比小于1,表明自然恢复的次生林能够更好地将氮素保持在土壤中,减少土壤中N_(2)O的排放。随着次生林自然恢复时间推移,氮碳养分的逐渐积累,为微生物活动提供了丰富的底物和能量来源,微生物活动也逐步恢复。以上结果表明,自然恢复的次生林能够更好保持土壤肥力,并且具备更高的生态系统功能。

彭永臻团队首次实现短程反硝化 有望推动厌氧氨氧化的应用和发展

目前,我国污水处理率不断提高,有机物污染得到了遏制,发黑发臭的水体逐渐减少,而由氮、磷过量引起的水体富营养化问题却日益突出,并有加重趋势。因此,脱氮除磷是当今污水处理领域中最重要课题,也是亟待解决的一大难题。

污水处理厂反硝化工艺中的碳源问题

为了满足非常严格的氮排放限制（例如3～5mg/L的总氮排放标准）,污水处理厂反硝化过程中使用外加碳源已成为必要条件.研究人员选取了3种碳源——MicroCTM（产品来自马萨诸赛州某环境资源公司）、甲醇和乙酸,评价并比较了各碳源对氮的总体去除效果以及不同碳源下的反硝化微生物的种群结构．通过实验室序批式反应器研究和污水厂现场观测，确定了驯化和非驯化微生物的反硝化速率和系数．