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作者：程施艺山东大学

学位级别：硕士

人工湿地因其低能耗、低建设成本、易于维护等优点而被广泛用作污水深度处理工艺。然而,作为一种缺/厌氧环境丰富的污水生态处理系统,人工湿地所释放的温室气体(N2O,CH4和CO2)对环境存在明显的负面影响。铁、锰材料由于种类繁多,比表面... 详细信息

人工湿地因其低能耗、低建设成本、易于维护等优点而被广泛用作污水深度处理工艺。然而,作为一种缺/厌氧环境丰富的污水生态处理系统,人工湿地所释放的温室气体(N2O,CH4和CO2)对环境存在明显的负面影响。铁、锰材料由于种类繁多,比表面积大,并且具有参与各种化学和生物反应的能力,近年来已被广泛应用作为人工湿地基质来优化净水效果,但是忽略了其对人工湿地中温室气体排放的影响。本研究构建了分别以石英砂、铁矿砂和锰矿砂作为基质的垂直潜流人工湿地小试系统,探究了不同基质对常规污染物的去除效果和对N2O、CH4和CO2三种温室气体排放的影响。在此基础上,为了探究含铁人工湿地基质系统对CH4和N2O排放影响的作用机制,在后续实验中通过构建分别以石英砂、铁矿砂作为基质的补料瓶模拟人工湿地基质系统,并且添加了典型的异化金属还原菌(DMRB)Shewanella oneidensis MR-1来探究它们对CH4和N2O短期浓度变化的影响以及微生物作用机制。本研究可为挑选更优的金属基质,实现更好的生态环境效益提供理论支撑。获得的结论主要有:(1)铁矿砂和锰矿砂基质人工湿地系统均提高了 COD、TN、TP等常规污染物的去除效果,但对温室气体排放通量及全球升温潜能值(GWP)的作用不同。与对照组相比,铁矿砂和锰矿砂都降低了人工湿地系统中CH4的排放通量,并且锰矿砂是完全抑制了 CH4排放;铁矿砂提高了 N2O排放通量,而锰矿砂相较于对照组则略降低了 N2O的排放通量;综合三种温室气体,锰矿砂降低了 GWP而铁矿砂增加了 GWP,故锰矿砂是人工湿地金属基质的更优选择。(2)铁氧化物和Shewanellaoneidensis MR-1的存在改变了 CH4产生和氧化过程中的微生物群落结构以及代谢路径。铁氧化物在有机物共生降解过程中起电子介体的作用,并可以提高乙酸发酵、甲基裂解和CO2还原过程中部分酶量,从而促进CH4的产生。但是,铁氧化物也可以直接抑制产甲烷菌并且降低CO2还原途径中另一部分酶量,从而抑制CH4的产生。此外,DMRB可以促进铁氧化物的还原,然后与产甲烷菌竞争有机底物,从而抑制CH4的产生。DMRB还通过促进铁氧化物的还原来促进AOM。综合以上这些作用,铁氧化物对CH4产生的促进作用大于其抑制作用,但是,由于DMRB的存在,铁氧化物对CH4产生的促进作用减弱,AOM被强化,最终减少了人工湿地基质系统中CH4的排放。(3)铁氧化物和Shewanellaoneidensis MR-1的存在改变了硝化和反硝化过程中微生物的群落结构以及代谢路径。在厌氧条件下,铁氧化物可以作为电子受体,将NH4+-N氧化成NO2-或N2O或N2,同时铁氧化物中的Fe3+被还原成为Fe2+,这种电子传递会受系统中pH值的影响。此外,Fe2+还可以通过氧化反应为反硝化提供电子,这样的耦合被称为硝酸依赖型铁氧化(NDFO),大多数硝酸盐依赖型铁氧化菌(IOB)可以将NO3-还原成NO2-和进一步反硝化的中间体和产物,包括NO、N2O和N2。综合以上这些作用,导致了在实验周期初期Fe-CW Ms和FeB-CWMs中的N2O浓度急速增加,而在后期又被快速转化为N2,最终使得Fe-CWMs中的N2O浓度仍高于C-CWMs,而FeB-CWMs中的N2O浓度显著低于另外两组人工湿地基质系统。

关键词：人工湿地基质铁/锰氧化物温室气体微生物作用机制

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猪粪厌氧消化液的短程硝化反硝化脱氮研究

猪粪厌氧消化液的短程硝化反硝化脱氮研究

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作者：陈静西安建筑科技大学

学位级别：硕士

随着集约化养猪业的快速发展,猪粪排泄量以及TN、COD污染物总量快速增加,厌氧消化目前是猪粪处理的主流技术,但是,厌氧消化液中NH-N含量远高于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001),如果得不到有效处置将产生巨大的环境压力。... 详细信息

随着集约化养猪业的快速发展,猪粪排泄量以及TN、COD污染物总量快速增加,厌氧消化目前是猪粪处理的主流技术,但是,厌氧消化液中NH-N含量远高于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001),如果得不到有效处置将产生巨大的环境压力。猪粪厌氧消化液具有低COD/NH-N的特点,所以采用传统硝化反硝化处理厌氧消化液通常需要外加碳源,成本较高。与此相比,短程硝化反硝化对碳源需求减少40%,对氧的需求减少25%,还具有更快的反应速率和更小的反应容积等优点,更适合处理低COD/NH-N废水。针对短程硝化反硝化处理猪粪厌氧消化液,合理调配碳源,探究不同负荷下的脱氮效果,明确微生物作用机制是研究的关键内容。本实验研究内容分为三个部分,第一部分采用SBR反应器直接处理猪粪厌氧消化液,探讨了短程硝化反硝化直接处理厌氧消化液的可行性;第二部分重点考察了在不同负荷下以猪粪原水为碳源(ZF-SBR)和以乙酸钠为碳源(YS-SBR)对脱氮效果的影响;第三部分对反应器内微生物进行多样性分析和群落结构解析。主要工作和结论如下:(1)用SBR直接处理稀释后的猪粪厌氧消化液,反应过程只调控反应条件,不添加任何碳源,在进水氨氮浓度为50 mg/L和200 mg/L两种浓度下,氨氮转化率均大于84%,但是出水中硝态氮和亚硝态氮浓度过高,TN去除率仅为100%,而且体系内的碱度不足,pH降低至6以下。即便通过优化反应器运行条件仍然难以提高TN去除率,所以短程硝化反硝化直接处理猪粪厌氧消化液是不可行的。(2)以猪粪原水和乙酸钠为有机碳源,考察了两个反应器在不同负荷条件下的运行情况。结果表明,两个反应器的脱氮效果基本相当,其中ZF-SBR在进水浓度为500 mg-NH-N/L下获得最大TN去除率(70%);YS-SBR在进水浓度为400mg-NH-N/L下获得最大TN去除率(78.4%)。以猪粪原水为碳源的反应器运行过程NRR较为稳定,且在处理猪粪厌氧消化液时不需要外加碳源就可以满足短程硝化反硝化的需求。(3)通过逐渐增加进水氨氮浓度的方式把反应器运行分为5个阶段,以猪粪原水为碳源反应器在第4阶段(进水氨氮浓度为600 mg/L),总氮去除负荷(NRR)达到最高为190.6 mgN L d,此时NRR=0.72 NLR,平均TN去除率为67.9%,最高TN去除率为74.8%。达到以猪粪原水为碳源时,反应器运行最佳工况:猪粪厌氧消化液稀释到氨氮浓度约为600 mg/L,反应过程控制温度为25℃,曝气阶段溶解氧为2 mg/L,污泥停留时间为13d。以猪粪原水为短程硝化反硝化的碳源,可以实现最为经济的猪粪厌氧消化液的短程硝化反硝化脱氮,对实际工程有指导意义。(4)微生物高通量分析结果表明:较以乙酸钠为外加碳源的反应器,以猪粪原水为有机碳源的反应器其生物群落的丰富度更高,均匀性更好。以猪粪原水为有机碳源时反应器内反硝化菌的相对丰度(9.80%)大于以乙酸钠为碳源的反应器的丰度(6.72%)。以猪粪原水为碳源时优势反硝化菌为Comamonas(3.33%)、unclassified_omamonadaceae(1.69%)、Ottowia(1.63%)、paracoccus(1.51%)和Thauera(1.11%)。

关键词：猪粪厌氧消化液短程硝化反硝化脱氮碳源微生物作用机制

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微生物诱导碳酸盐岩沉淀过程及作用机理

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中国岩溶 2022年第3期41卷 441-452页

作者：高旭波潘振东龚培俐江玉李成城李鸿煜中国地质大学(武汉)环境学院湖北武汉430074

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcium carbonate precipitation,MICP)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程。由于MICP具有反应速度快、环境条件要求低、应用范围广、温室气体减排效应显著等特点,在地质、土木、水利... 详细信息

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcium carbonate precipitation,MICP)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程。由于MICP具有反应速度快、环境条件要求低、应用范围广、温室气体减排效应显著等特点,在地质、土木、水利、环境多个领域中广泛推广应用。文章在分析国内外相关研究成果的基础上,归纳整理出反硝化过程、硫酸盐还原作用、尿素分解作用等多种微生物诱导下碳酸钙矿化途径和作用机制。以尿素分解菌为代表,重点讨论微生物诱导碳酸盐沉淀过程中pH、温度、离子浓度等环境因素对生成矿物晶型晶貌等方面的影响,总结了MICP的环境应用机制,即环境中的重金属元素通过替换作用替换矿化矿物中的Ca^(2+)或CO^(2-)_(3)从而被固定。MICP作为一种简单高效的地质环境过程,在生态环境修复领域具有广阔的应用前景。

关键词：微生物诱导矿化碳酸钙沉淀微生物作用机制尿素分解菌重金属固定地质环境修复

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