城市黑臭河道内源硫对氮素削减过程的影响机制研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuxiaoxiu
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氮营养盐难以去除是目前黑臭河道治理过程中急需解决的突出问题,硫作为河道生态系统的重要元素,其对氮素削减过程的影响作用不容忽视,特别是由于水体中硫化物的高度不稳定性,其对氮营养盐削减过程的影响往往被屏蔽。为阐明黑臭河道内源硫对氮素盐削减过程的影响作用,本论文首先研究了不同外部调控手段下内源氮和硫之间的交互作用;随后通过反硝化潜力和厌氧氨氧化潜力培养实验进一步探究硫化物对黑臭河道底泥反硝化及厌氧氨氧化潜势的影响,并解析黑臭河道氮硫代谢相关菌群的微生物机制,以期为解决黑臭河道总氮去除率偏低的问题提供理论依据。本论文主要研究结果如下:(1)不同外部调控(上覆水曝气、底泥曝气和底泥投加硝酸钙)下的黑臭河道模拟实验发现间歇的水曝气与泥曝气调控均有利于总氮的脱除,削减率分别为82.15±3.55%和67.52±0.6%,且曝气调控下上覆水总氮与硫酸盐呈现极显著的负相关,相关系数分别为-0.882(P<0.01)和-0.856(P<0.01),表明间歇曝气调控有利于促进硝化-反硝化耦合且不利于硫酸盐还原过程。此外,假单胞菌属(Pseudomonas)为曝气调控下底泥的优势反硝化细菌,相对丰度分别为5.40%和5.10%。投加硝酸钙有利于酸可挥发性硫(Acid Volatile Sulfide,AVS)的去除(削减率为30.67±2.08%),推测投加硝酸钙调控可促进底泥硫自养反硝化过程,且陶厄氏菌属(Thauera)为其底泥可能的优势硫自养反硝化细菌,其相对丰度约6.20%。不同外部调控组底泥nirS丰度比(0.11%0.16%)和dsrB丰度比(0.10%0.19%)无明显差异。(2)硫化物对底泥反硝化潜力影响研究表明浓度低于8 mg·L-1的硫化物对反硝化过程无明显影响。40 mg·L-1的硫化物可促进硫自养反硝化过程且潜在的硫自养反硝化速率(Potential Activity of Sulfur-Dependent Autotrophic Denitrification,PASAD)平均为0.016 meq·g-1 VSS h,其中,碳氮比调控(C/N为8)下,40 mg·L-1的硫化物对反硝化的促进作用有所削弱,PASAD平均为0.011 meq·g-1 VSS h。然而,96 mg·L-1的硫化物对反硝化呈现出明显的抑制作用。对比之下,硫化铁(FeS)和黄铁矿(FeS2)对反硝化无明显影响,分析可能是硫自养反硝化细菌无法有效利用金属硫化物。对于硫化物浓度均为40 mg·L-1的反硝化潜力培养组,底泥中的优势硫自养反硝化菌为硫杆菌属(Thiobacillus)、硫针菌属(Sulfuritalea)与陶厄氏菌属(Thauera)。其中,非碳氮比调控的培养组硫杆菌属(Thiobacillus)与硫针菌属(Sulfuritalea)相对丰度更高(分别占比21.5%与4.85%),而碳氮比调控培养组陶厄氏菌属(Thauera)相对丰度更高(占1.61%)。此外,非碳氮比调控培养组nirS丰度比(1.42%)远高于碳氮比调控组(0.38%),但其dsrB基因丰度比(0.11%)明显低于非碳氮比调控组(0.05%),推测可能是较低碳氮比有利于硫自养反硝化细菌增殖,而碳氮比调控组中因存在硫自养反硝化和异养反硝化的竞争从而为硫酸盐还原菌提供了便利。(3)硫化物对底泥厌氧氨氧化潜力影响研究表明浓度为40 mg·L-1的硫化物对厌氧氨氧化过程呈现明显的抑制作用,各厌氧氨氧化潜力培养组氨氮的平均削减率由50.82%55.25%降至13.36%29.64%,但亚硝酸盐的削减率始终维持在98.82%99.75%,表明反应体系中厌氧氨氧化与反硝化共存,且反硝化过程占主导。非碳氮比调控培养组底泥反硝化菌群以假单胞菌属(Pseudomonas)为优势菌属(相对丰度为27.5%),碳氮比调控培养组则以陶厄氏菌(Thauera)为优势菌属(相对丰度为18.5%)。非碳氮比调控组与碳氮比调控组底泥中浮霉状菌属(Planctomyces)相对丰度均为0.6%而对照组为0.0%,推测厌氧氨氧化细菌受硫化物抑制而相对丰度降低。此外,非碳氮比调控的培养组底泥nirS基因丰度比(1.48%)远高于碳氮比调控组(0.29%),dsr B基因丰度比无明显差异。上述两培养组中厌氧氨氧化菌(Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacteria,AnAOB)的丰度比分别为0.18%和0.10%,明显低于原始底泥(0.45%),分析可能是硫化物对ANAMMOX的抑制作用使AnAOB生长受到阻碍。
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