矿化垃圾生物反应器填埋场N2O产生途径及微生物学机理研究

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矿化垃圾生物反应器填埋场是利用矿化垃圾作为反应介质,通过微生物的降解与转化作用达到渗滤液处理的目的。因其成本较低、运行稳定的优势使其在实际工程应用中具有明显的优势。然而,微生物在进行硝化和反硝化作用脱氮过程中会产生温室气体N2O。前期研究结果表明,氨氮负荷、氧气浓度均是影响矿化垃圾生物反应器处理渗滤液过程中N2O产生的重要因素,而矿化垃圾生物反应器在不同的进水氨氮负荷和不同的通入氧气浓度条件下,N2O的产生途径及机理缺乏深入研究。本文通过建立室内矿化垃圾生物反应器模拟装置,利用15N同位素标记技术研究了氨氮负荷、氧气浓度对反应器处理渗滤液中N2O产生量(2 h、12 h、24 h、36 h、48 h、72 h、100 h、120 h、144 h)及产生途径(24 h、72 h)的影响。同时,利用RT-PCR分子生物学技术探究了氨氮负荷对处理前后amoA、nosZ基因丰度的影响。以此进一步分析N2O产生机理,以期为控制填埋场中N2O的释放提供理论指导。得出主要结论如下:(1)一个反应周期内(144 h),矿化垃圾生物反应器运行至24 h时N2O主要由硝化过程产生,而反应至72 h时,反硝化过程对N2O产生的贡献较大。(2)氨氮负荷的增加提高了反应器中N2O的产生,同时增加了反应器中硝化作用产生N2O的比例。0.8 mg-NH4+-N/g-矿化垃圾(以下简称mg/g)氨氮负荷下,N2O产生量峰值约为1090μg N高于0.2、0.4 mg/g氨氮负荷下的N2O产生量,相关性分析可知,NO2--N、NO3--N是N2O产生的主要因素。(3)随着氧气浓度的增加,N2O的产生量逐渐减少。10%氧气浓度下,N2O产生量峰值约达1053μg N高于20%、30%氧气浓度下的产生量。此外,氧气浓度的增加提高了硝化反应对N2O产生的贡献率,在反应前期,30%氧气浓度下硝化过程对N2O产生的贡献率高达55.9%,反应后期这一比例仍可达到39.84%,而10%、20%氧气浓度下,硝化反应对N2O产生的贡献率分别为28.32%、32.68%。(4)RT-PCR实验结果表明,不同氨氮负荷条件下,反应前期中amo A基因丰度高于后期,而nosZ基因丰度后期高于前期,表明了反应后期N2O产生量高于前期。此外,不同氨氮负荷条件下,amoA、nosZ基因丰度与氨氮负荷的增加呈正相关,这也与高氨氮负荷条件下N2O产生量高的结果一致。
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