李 生 來(lái)

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.青海省德令哈市水利局，青海 德令哈 817000)

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 研究對(duì)象

巴音河河道綜合整治工程是提高河段防洪能力、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、提高居民生活質(zhì)量的重要工程。本研究中實(shí)驗(yàn)所需的底泥均來(lái)自青海省海西州巴音河，該河水動(dòng)力條件較差，是典型的城市黑臭水體，且污水從排污口不斷納入水體。底泥的基本理化性質(zhì)：底泥鐵含量為19.68～21.41 g/kg，底泥酸可揮發(fā)性硫(AVS)含量為 122.74～133.24 μmol/g。

1.2 研究方法

(1)

(2)

(3)

設(shè)置培養(yǎng)組1～5來(lái)探究不同濃度硫化物對(duì)反硝化潛力的影響，不同S2-濃度梯度分別為0、50、75、100和175 mg/L；設(shè)置培養(yǎng)組6～10來(lái)探究碳氮比調(diào)控下不同濃度硫化物對(duì)反硝化潛力的影響，硫化物濃度分別為0、50、75、100和175 mg/L，且保持碳氮比均為8[6,7]。設(shè)置培養(yǎng)組12和13分別添加FeS和FeS2作為硫源進(jìn)行培養(yǎng)，探究不同硫化物形態(tài)對(duì)反硝化潛力的影響。設(shè)置培養(yǎng)組14添加硝酸鈣，培養(yǎng)組11和培養(yǎng)組15作為對(duì)照培養(yǎng)組，分別只添加硫化物和只添加培養(yǎng)液，探究不同氮源條件下硫化物對(duì)反硝化的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化物濃度的影響

硫化物濃度對(duì)底泥反硝化脫氮效能的影響如表1所示。與對(duì)照組相比，在第3個(gè)培養(yǎng)周期后50 mg/L的硫化物對(duì)反硝化過(guò)程顯現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用，可能由于硫自養(yǎng)反硝化的富集需要一定時(shí)間。與之類(lèi)似，75 mg/L的 硫化物對(duì)反硝化有明顯的促進(jìn)作用，可能是體系出現(xiàn)了硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程，平均每個(gè)培養(yǎng)周期的第2天硝酸鹽還原率可達(dá)98%以上；當(dāng)硫化物濃度達(dá)到100 mg/L時(shí)，硝化過(guò)程受到抑制，表明高濃度硫化物對(duì)NO和N2O還原酶的活性存在明顯的毒性抑制[22]。

表1 硫化物濃度對(duì)底泥反硝化潛力影響

注：T1～T5分別表示底泥培養(yǎng)組1～5硝酸鹽還原率達(dá)到98%以上所需的天數(shù)；培養(yǎng)組2從第6個(gè)培養(yǎng)周期開(kāi)始硫化物濃度增加到 175 mg/L。

不同硫化物濃度下培養(yǎng)底泥反硝化潛力的變化如圖1所示?？梢钥闯?，低濃度硫化物對(duì)反硝化過(guò)程無(wú)明顯影響，適宜濃度硫化物能夠促進(jìn)硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程，高濃度硫化物會(huì)明顯抑制反硝化過(guò)程，隨硫化物濃度的增加，硝酸鹽還原抑制率會(huì)明顯升高。一個(gè)培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)硝酸鹽抑制率約為24.82%，濃度約為7.14 mg/L。從第6個(gè)培養(yǎng)周期開(kāi)始，硫化物濃度增加至 175 mg/L時(shí)對(duì)反硝化過(guò)程的抑制效果增強(qiáng)，硝酸鹽還原抑制率約為36.72 %，硝酸鹽的濃度約為10.28 mg/L，表明培養(yǎng)體系中硫自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化并存，同時(shí)該河道底泥對(duì)高濃度硫化物的耐受性較強(qiáng)。

圖1 底泥反硝化潛力隨硫化物濃度的變化曲線(xiàn)

硫化物濃度為100和175 mg/L的培養(yǎng)組中氨氮濃度分別為4.26和4.82 mg/L，亞硝氮濃度分別為4.34和3.05 mg/L，可能是高濃度硫化物會(huì)抑制反硝化過(guò)程導(dǎo)致硝酸鹽不斷積累，使其參與了異化硝酸鹽還原成銨過(guò)程。

硫化物濃度低于75 mg/L時(shí)，隨所添加硫化物濃度的增加，硫酸鹽的平均濃度不斷升高。硫化物濃度為50和75 mg/L時(shí)，硫酸鹽平均濃度分別為260.78和330.97 mg/L。然而，繼續(xù)增加硫化物濃度，硫酸鹽濃度并沒(méi)有升高，可能是由于高濃度硫化物未能促使硫自養(yǎng)反硝化的發(fā)生，導(dǎo)致硫酸鹽不能通過(guò)硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)生成并積累。另一方面硫化物濃度過(guò)高導(dǎo)致異養(yǎng)反硝化受到抑制，硝酸鹽還原與硫酸鹽還原之間的競(jìng)爭(zhēng)減弱，硫酸鹽還原過(guò)程占主導(dǎo)。

2.2 碳氮比調(diào)控的影響

碳氮比調(diào)控下不同硫化物濃度對(duì)培養(yǎng)底泥反硝化潛力影響的初步評(píng)定如表 2 所示。可以看出，碳氮比調(diào)控下，低硫化物濃度使得硝酸鹽還原速率明顯加快，高硫化物濃度會(huì)抑制硝酸鹽的還原。前2個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，硫化物為50 mg/L時(shí)會(huì)明顯抑制硝酸鹽還原，但后期抑制作用消失。

碳氮比調(diào)控下底泥反硝化潛力變化，如圖2所示，硫化物濃度大于50 mg/L時(shí)會(huì)出現(xiàn)氨氮的累積，平均濃度2.14 mg/L，可能是由于體系內(nèi)存在異化硝酸鹽還原成銨過(guò)程；硫化物濃度大于75 mg/L時(shí)，培養(yǎng)周期內(nèi)反硝化過(guò)程均受到部分抑制。碳氮比調(diào)控下積累的亞硝酸鹽能夠被迅速還原，使得各培養(yǎng)組均

表2 碳氮比調(diào)控下硫化物濃度對(duì)底泥反硝化潛力影響的初步評(píng)定

培養(yǎng)周期T6/dT7/dT8/dT9/dT10/d144抑制抑制抑制233抑制抑制抑制3425抑制抑制4225抑制抑制5226抑制抑制6226抑制抑制7225抑制抑制8226抑制抑制

注：T6～T10分別表示底泥培養(yǎng)組6～10硝酸鹽還原率達(dá)到98%以上所需天數(shù)。

未出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累現(xiàn)象。

碳氮比調(diào)控下各底泥培養(yǎng)組硫化物與硫酸鹽的變化存在明顯差異，硫化物濃度為50 mg/L時(shí)，培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)硫酸鹽濃度為195.48 mg/L。硫化物濃度大于100 mg/L時(shí)，培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)硫酸鹽的平均濃度明顯降低。

與非碳氮比調(diào)控培養(yǎng)組相比，一個(gè)培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)，碳氮比調(diào)控下培養(yǎng)組的硫酸鹽濃度總體偏低。雖然體系內(nèi)硫酸鹽還原會(huì)與硝酸鹽還原2者之間存在基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)，但碳源在一定程度上會(huì)促進(jìn)硫酸鹽的還原過(guò)程。

圖2 碳氮比調(diào)控下底泥反硝化潛力的變化曲線(xiàn)

2.3 硫化物賦存形態(tài)的影響

硝酸鈣及硫化物形態(tài)對(duì)底泥反硝化潛力的初步評(píng)定如表3所示?？梢钥闯觯c不添加硫化物的對(duì)照組相比，底泥培養(yǎng)組添加FeS和FeS2時(shí)硝酸鹽的還原率無(wú)明顯變化，表明FeS和FeS2對(duì)反硝化沒(méi)有明顯的促進(jìn)作用。與之相反，在第3個(gè)培養(yǎng)周期開(kāi)始，添加Na2S溶液培養(yǎng)組的硝酸鹽還原速率有明顯提高，可能是游離態(tài)硫化物對(duì)反硝化過(guò)程有促進(jìn)作用。硝酸鈣的添加可促進(jìn)硝酸鹽的還原，與添加KNO3和Na2S溶液的培養(yǎng)組相比，硝酸鈣作為氮源時(shí)硝酸鹽還原速率有所增加。

硫化物賦存形態(tài)對(duì)培養(yǎng)底泥反硝化潛力的變化曲線(xiàn)如圖3所示，可以看出，一個(gè)培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)，添加Na2S溶液的培養(yǎng)組中硫酸鹽的平均濃度為259.21 mg/L，而添加FeS和FeS2的底泥培養(yǎng)組中硫酸鹽濃度低于添加Na2S溶液的培養(yǎng)組，硫酸鹽的平均濃度為87.84 mg/L?？赡蹻eS和FeS2以礦物或晶體

表3 硝酸鈣及硫化物形態(tài)對(duì)底泥反硝化潛力的評(píng)定

注:培養(yǎng)組1為不添加硫化物，培養(yǎng)組3、12和13分別添加Na2S溶液、FeS溶液和FeS2溶液，培養(yǎng)組14添加Na2S溶液和硝酸鈣；T1、T3和T12～T14分別表示底泥培養(yǎng)組1、3和12～14硝酸鹽還原率達(dá)到98%以上所需天數(shù)。

的形式存留，因而硫酸鹽濃度始終維持在較低水平。一個(gè)培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)，添加硝酸鈣和Na2S的培養(yǎng)組與添加Na2S溶液和KNO3的培養(yǎng)組無(wú)明顯差異，硫酸鹽平均濃度約為258.94 mg/L。

2.4 底泥硫自養(yǎng)反硝化潛力評(píng)定分析

表4 底泥培養(yǎng)組值的變化

圖3 硫化物賦存形態(tài)對(duì)培養(yǎng)底泥反硝化潛力的變化曲線(xiàn)

表5 培養(yǎng)組硫自養(yǎng)反硝化速率的變化 meq/g VSS h

2.5 反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律分析

陶厄氏菌屬和假單胞菌屬是底泥樣品中主要的反硝化細(xì)菌，反硝化培養(yǎng)組底泥硫細(xì)菌屬水平如圖4所示。

圖4 反硝化培養(yǎng)組底泥硫細(xì)菌屬水平

可以看出，不同底泥樣品反硝化細(xì)菌屬水平的組成存在較大差異。對(duì)照培養(yǎng)組底泥中的優(yōu)勢(shì)硫自養(yǎng)反硝化菌為硫針菌屬與硫桿菌屬，分別占0.96%和2.83%；非碳氮比調(diào)控底泥中硫針菌屬和硫桿菌屬為優(yōu)勢(shì)硫自養(yǎng)反硝化菌，分別占5.82%和25.81%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，非碳氮比調(diào)控的培養(yǎng)組硫桿菌屬的相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于對(duì)照培養(yǎng)組，表明該體系中硫自養(yǎng)反硝化活性較高，與電子平衡分析結(jié)果吻合。碳氮比調(diào)控培養(yǎng)組底泥中的優(yōu)勢(shì)硫自養(yǎng)反硝化菌為硫桿菌屬和陶厄氏菌屬，分別占1.13%和1.93%，表明碳氮比調(diào)控有利于陶厄氏菌屬的生長(zhǎng)。

通過(guò)熒光定量PCR對(duì)底泥中微生物結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變化進(jìn)行探究，進(jìn)而分析硫化物對(duì)底泥反硝化潛力的影響機(jī)制。底泥氮硫代謝關(guān)鍵菌群豐度響應(yīng)如表6所示。

表6 底泥氮硫代謝關(guān)鍵菌群豐度響應(yīng) Copies/g dry sediment

可以看出，碳氮比調(diào)控和非碳氮比調(diào)控培養(yǎng)組底泥中的細(xì)菌數(shù)量分別增加了約1.18倍和1.46倍；反硝化細(xì)菌數(shù)量分別增加了約4.57倍和22.48倍。表明長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)過(guò)程使得反硝化活性得到了顯著提升，但非碳氮比調(diào)控組培養(yǎng)組底泥中反硝化細(xì)菌的增加幅度明顯高于碳氮比調(diào)控組?？赡苁怯捎谔嫉润w系內(nèi)硫自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致反硝化菌的增長(zhǎng)受限。

非碳氮比調(diào)控培養(yǎng)組中的硫酸鹽還原細(xì)菌數(shù)量由2.189×106Copies/g dry sediment降至1.452×106Copies/g dry sediment；而碳氮比調(diào)控培養(yǎng)組中硫酸鹽還原菌數(shù)量則增至2.915×106Copies/g dry sediment，表明碳源的添加有利于硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)。

非碳氮比調(diào)控的培養(yǎng)組nirs基因豐度比遠(yuǎn)高于碳氮比調(diào)控組，表明較低碳氮比有利于硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌增殖。另外，碳氮比調(diào)控的培養(yǎng)組底泥dsrB基因豐度比明顯高于非碳氮比調(diào)控組，表明碳氮比調(diào)控有利于硫酸鹽還原過(guò)程，體系中硫異養(yǎng)反硝化菌和自養(yǎng)反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)能夠?yàn)榱蛩猁}還原細(xì)菌提供有利的生長(zhǎng)條件。

3 結(jié) 論

硫化物對(duì)氮素削減過(guò)程的影響往往被屏蔽，以巴音河底泥為對(duì)象，詳細(xì)研究了硫化物對(duì)氮素削減過(guò)程的影響，較為深入地分析了硫化物、碳氮比調(diào)控、硫化物形態(tài)對(duì)底泥反硝化潛力變化的影響和反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，揭示了反硝化過(guò)程的影響機(jī)制，該研究可為改善“黑臭”提供指導(dǎo)借鑒，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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