JCP:曝气生物滤池处理焦化废水过程中N2O和NO的产生机理与群落功能研究
曝气生物滤池处理焦化废水的N2O和NO排放:主要来源和微生物群落
N2O and NO emission from a biological aerated filter treating coking wastewater: Main source and microbial community
Journal of Cleaner Production
[Impact Factor: 6.395 | CiteScore: 7.32]
2018-12-20,Article
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.182
第一作者:Maosheng Zheng(郑茂盛)1
通讯作者:Xiangke Wang1
合作作者:Nan Zhou, Shufeng Liu, Chenyuan Dang, Yong-Xin Liu, Shishi He, Yijun Zhao, Wen Liu
主要单位:
中国北京,华北电力大学环境科学与工程学院,教育部资源与环境系统优化重点实验室 (College of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, The Key Laboratory of Resources and Environmental Systems Optimization, Ministry of Education, Beijing 102206, China)
曝气生物滤池处理焦化废水过程中N2O和NO的产生机理与群落功能研究
亮点 Highlights
在曝气生物滤池(BAF)中,对焦化废水实现有效脱氮;
BAF中的N2O和NO排放因子分别达到23.58%和0.09%;
硝化器反硝化作用占总N2O产生量的97.17%;
难溶有机物减少了氮的去除并促进了N2O的排放;
发现NO和N2O还原酶之间存在很大的失衡。
1.摘要:
污水处理过程中释放的氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)气体因具有严重的温室效应和大气污染作用而受到了广泛关注,但目前对含有高氨氮及难降解有机物的工业废水处理过程中温室气体排放的研究还较少。本研究针对焦化废水,一类典型的难降解工业废水,开展研究。探究了曝气生物滤池(BAF)工艺对焦化废水中有机物和氮素的去除效果,以及在处理过程中N2O和NO等气体的排放因子及产生机理。研究结果表明,BAF对焦化废水中化学氧量(COD)及氨氮的平均去除率可分别达到73.3%和92.83%,但是N2O和NO的排放因子也高达23.58%和0.03%,显著高于一般生活污水处理过程的排放量。批次实验表明硝化过程是N2O和NO气体的主要来源,分别占据排放总量的97.17%和93.89%。分别从BAF反应器的上中下三个部位采集微生物样品进行16S rRNA基因高通量测序分析其群落结构,结果显示氨氧化细菌(AOB)和反硝化细菌遍布整个反应器,但仅有少量的亚硝酸盐氧化细菌(NOB)分布在反应器底部。基因功能预测(PICRUSt)结果表明微生物群体中不平衡的N2O和NO还原酶含量是导致该处理过程产生大量N2O气体的潜在原因。本研究为深刻了解工业废水处理过程中温室气体的排放特征及制定可行的控制策略具有重要意义。
2.材料和方法:
图1 曝气生物滤池(biological aerated filter, BAF)示意图
污水在进入BAF之前先流经一个厌氧滤池反应器(AF),AF与BAF的规格相同,直径为100 mm,总体积为5 L。BAF顶端密封并留有气孔用于收集气体。反应器一侧的上中下位置设有三个取样口。反应器接种污泥取自河北某焦化废水处理厂,废水也同样取自该厂的原始进水,其COD和氨氮浓度分别为27500 mg/L以及5150 mg/L。此外,焦化废水中还有较高浓度的氰化物(220 mg/L)和挥发性酚(3600 mg/L)。原始废水稀释20倍后进入BAF反应器,经过3个月的调试运行后反应器达到稳定,维持水力停留时间40 h。稳定运行后每天测定进出水中氨氮、亚硝氮和硝态氮的浓度并收集气体用于分析N2O和NO浓度。
为分析硝化过程以及反硝化过程对N2O及NO产生总量的贡献以及原焦化废水中有毒物质对N2O及NO产生量的影响,本研究设计了四个密闭摇瓶批次实验,参数设定如下:
① 仅含焦化废水;
② 仅含合成废水;
③ 焦化废水+硝化抑制剂;
④ 合成废水+硝化抑制剂。
溶液总体积均为200 mL,合成废水的COD与三氮浓度与焦化废水一致,硝化抑制剂采用10 mg/L 烯丙基硫脲(ATU)以及1000 mg/L次氯酸钠(NaClO3)分别抑制氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌。
反应器稳定运行一个月后采集不同高度位置的微生物样品用于群落结构分析。提取样品总DNA后,使用515F (GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)和806R (GGACTACHVGGGTWTCTAAT)扩增16S rRNA基因,在Illumina MiSeq平台测序,并在97%相似度水平进行OTU聚类分析群落结构,并利用PICRUSt预测微生物功能,尤其是与微生物氮转化相关的功能分析。
3.结果与分析
图2 两级AF-BAF对焦化废水中污染物的去除效果
图3 BAF处理焦化废水时N2O和NO的排放速率
厌氧生物反应器可将具有复杂结构的大分子难降解有机物转化为小分子有机物,以降低焦化废水的毒性并提高其生物可利用性,随后的BAF对废水中的COD以及NH3-N具有良好的去除效果,使得出水中COD浓度低于300 mg/L,氨氮浓度为16.0 mg/L,对应平均去除率分别为73.3%和92.83%。而且由亚硝氮和硝态氮的浓度可以看出系统中存在着短程硝化反硝化脱氮过程。对气体的检测分析计算可以得出,BAF中N2O和NO的排放因子分别为23.58%和0.09%,显著高于生活废水处理过程中的排放因子。
图4 批次试验四个摇瓶中三氮浓度变化以及N2O和NO的排放速率
批次实验结果表明硝化反应产生的N2O及NO气体均占气体排放总量的90%以上。由于硝化过程中会产生大量的NO2-N,在溶解氧浓度较低的情况下,AOB误将NO2-N作为电子受体并由此产生大量的N2O气体。另外,由于焦化废水中大量的难降解有机物使得异养菌缺少足够的有机物而导致活性降低,有毒物质的存在也会抑制反硝化菌的还原酶活性中心,在降低污水处理效果的同时增大了温室气体的排放量。
图5 BAF反应器中不同高度的微生物群落在门类和属类的分布
图6 BAF反应器中不同高度的微生物功能代谢途径(a)以及与氮代谢相关的功能(b)热图分析
由图5中可以看出,Proteobacteria门和Bacteroidetes门是BAF反应器中最主要的两类微生物,分别占总量的约80%和10%。在属水平上,Nitrosomonas属的高丰度证实了反应器优越的氨氧化性能,但其空间分布非常明显,丰度由底部向上逐渐升高。另外,群落分析结果表明Nitrospirae属仅在反应器的底部被发现,也呼应了短程硝化是反应器脱氮的主要过程。除了大量的硝化与反硝化细菌,系统中还包含可分解硫代硫酸盐离子的Limnobacter属以及分解Mn (II)的Planctomyces属细菌等,这些菌属在焦化废水难降解有机物以及重金属离子的去除中发挥着重要作用。
PICRUSt分析结果表明BAF反应器中具有多类代谢途径,其中包括多种与氮代谢相关的功能,如:亚硝酸盐还原酶、NO还原酶、N2O还原酶等。但这些代谢功能受反应器内不同的溶解氧浓度以及有毒物质的影响同样具有明显的空间差异性。亚硝酸盐还原酶的活性在反应器的底部最高,也使反应器底部成为硝化反应的主要场所。NO还原酶和N2O还原酶受反应器底部高浓度有毒物质和难降解有机物的影响,其活性远低于反应器的中部以及上部位置,导致硝化过程所产生的N2O以及NO气体无法被有效还原,使得反应器底部成为温室气体产生的最主要场所。
4. 结论
本研究证实了BAF反应器在处理含高浓度氨氮以及难降解有机物焦化废水的可行性,明确了硝化作用是脱氮过程中产生N2O和NO等温室气体的主要产生过程,同时焦化废水中的有毒物质会对微生物群落和功能产生不利影响,并通过抑制酶活性最终影响出水水质并增大温室气体的排放量。
Reference
Maosheng Zheng, Nan Zhou, Shufeng Liu, Chenyuan Dang, Yong-Xin Liu, Shishi He, Yijun Zhao, Wen Liu & Xiangke Wang. N2O and NO emission from a biological aerated filter treating coking wastewater: Main source and microbial community. Journal of Cleaner Production. 2019, 213: 365-374. doi:10.1016/j.jclepro.2018.12.182
作者简介
郑茂盛,2015年博士毕业于北京大学,现任华北电力大学环境科学与工程学院副教授、硕士生导师,主要从事水治理理论与技术、环境微生物等领域的教学科研工作。先后主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、上海市科委重大项目子课题、黑臭水体的固定化微生物治理技术研究等课题十余项。近五年以第一或通讯作者在Bioresour. Technol.,J. Clean. Prod.,J. Hazard. Mater.,Sci. Total Environ. 等期刊发表SCI论文13篇,其中影响因子5.0以上11篇。与中电建水环境公司、交通运输部天津水科所、中石油长城钻探公司等单位合作研发的多级接触氧化、磁加载混凝沉淀、环保卫生间等一体化水处理设备取得了巨大的社会经济效益。
作者主页:https://cese.ncepu.edu.cn/szdw/fjs/7b3d220890b94b0d83d7f860743e8162.htm
猜你喜欢
10000+:菌群分析 宝宝与猫狗 梅毒狂想曲 提DNA发Nature Cell专刊 肠道指挥大脑
系列教程:微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组
专业技能:学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人
一文读懂:宏基因组 寄生虫益处 进化树
必备技能:提问 搜索 Endnote
文献阅读 热心肠 SemanticScholar Geenmedical
扩增子分析:图表解读 分析流程 统计绘图
16S功能预测 PICRUSt FAPROTAX Bugbase Tax4Fun
在线工具:16S预测培养基 生信绘图
科研经验:云笔记 云协作 公众号
编程模板: Shell R Perl
生物科普: 肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进 细胞暗战 人体奥秘
写在后面
为鼓励读者交流、快速解决科研困难,我们建立了“宏基因组”专业讨论群,目前己有国内外5000+ 一线科研人员加入。参与讨论,获得专业解答,欢迎分享此文至朋友圈,并扫码加主编好友带你入群,务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。PI请明示身份,另有海内外微生物相关PI群供大佬合作交流。技术问题寻求帮助,首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路,仍未解决群内讨论,问题不私聊,帮助同行。
学习16S扩增子、宏基因组科研思路和分析实战,关注“宏基因组”
点击阅读原文,跳转最新文章目录阅读
JCP:曝气生物滤池处理焦化废水过程中N2O和NO的产生机理与群落功能研究相关推荐
- JCR:曝气生物滤池处理焦化废水过程中N2O和NO的产生机理与群落功能研究
曝气生物滤池处理焦化废水的N2O和NO排放:主要来源和微生物群落 N2O and NO emission from a biological aerated filter treating cokin ...
- BT:大豆皮堆肥过程中的物质转化、微生物群落组成和代谢功能演替
[题 目] Material conversion, microbial community composition and metabolic functional succession du ...
- 如何解决抽样调查过程中所面临的难点和问题?——以政治学研究为例
论文| 量化研究方法 政治学抽样调查面临概念抽象.复杂,难以测量,理论假设中的关系结构复杂,不得不较多依赖面访式概率抽样调查的难点.受这些难点所限,一些调查中发生了概念不清.社会期许偏差.评价参照系偏 ...
- 如何判断基因组的重复区域_Nat Comm. | 15万人类基因组中多核苷酸变异(MNV)的起源及功能研究...
前沿生物大数据分析(93) 撰文:存在一棵树 IF=11.878 推荐度:⭐⭐⭐⭐⭐ 亮点:通过基因组聚合数据库(gnomAD)对125,748个外显子组数据和15,708个全基因组测序数据的MNV变 ...
- Nature Communications∣开花过程中,拟南芥茎尖分生组织基因表达和组蛋白标记的时空动态
Nature Communications∣开花过程中,拟南芥茎尖分生组织基因表达和组蛋白标记的时空动态 闫宗运 微信公众号:植物科学SCI 关注他 1 人赞同了该文章 本文为2017年5月Natu ...
- 同一肢体不同关节的运动想象过程中的多通道脑电图记录
导读 代表自己周围环境的认知地图对于空间导航是必需的.但是,与其构成要素(例如各个地标)相比,由各个要素之间的关系构成的相干空间信息的神经基质在很大程度上仍然 ...
- 关于线程池运行过程中,业务逻辑出现未知异常导致线程中断问题反思
最近在项目研发中的关于线程池应用过程中由于业务逻辑异常导致的线程中断,但程序未中断导致的脏数据问题 话不多说,在最近最新的一个版本发布过程中,业务需要,我们要定期去给客户预留出可用的资源数据,提供客 ...
- 小程序执行运行过程原理_活性污泥法基本原理、净化反应过程、工艺类型和运行过程中存在的问题...
↑ 点击上方"表面活性剂平台"关注我们 活性污泥法实质上是天然水体自净作用的人工强化,能从污水中去除溶解态和胶体态的可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他物质,具有对 ...
- 44膜型键盘_离子膜电渗析在高盐废水“零排放”中的应用最新进展
高盐废水"零排放"是当今很多企业需要面临的非常严峻的环保问题,而离子膜电渗析由于其独特的分离机制能够实现高盐废水中无机盐的分离.浓缩和资源化利用,从而实现水和盐的回收利用.本文综述 ...
最新文章
- Hadoop集群的安全模式
- JMeter 测试计划
- 130塔式服务器系统,PowerEdge T130塔式服务器怎么样
- php soap传值,在SOAP调用中传递PHP数组
- JS对象 数组排序sort() sort()方法使数组中的元素按照一定的顺序排列。 语法: arrayObject.sort(方法函数)...
- CUDA C编程权威指南 第六章 流和并发
- 学python语言有前途吗-学习python的前景怎么样?
- CCF 201809-2 买菜
- 深圳大学移动互联网应用期末大作业——垃圾分类app
- kali linux Live Usb Encrypted Persistence配置教程
- LeetCode:974. Subarray Sums Divisible by K - Python
- 关于OC取名循环渐进的申明
- 【论文学习】《Practical Attacks on Voice Spoofing Countermeasures》
- c#生成图片、生成二维码、读取excel、自动匹配路径
- 机器人学之运动学笔记【3】—— 机械臂DH表示法+正向运动学(Forward Kinematics)
- linux蓝屏修复工具,linux 开机蓝屏怎么处理
- 电脑怎么进行录屏呢?这些方法了解过吗
- 贴贴《步步惊心》全集下载地址!!
- 如何进入和退出win10系统的安全模式
- 基于SSH开发HR(人力资源管理系统)简单工作流程系统 课程设计 大作业 毕业设计