Bioresource Technology 生物炭添加对强化潜流人工湿地污染物去除和实现氧化亚氮减排的作用机理

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文章信息

Insight into the mechanisms of biochar addition on pollutant removal enhancement and nitrous oxide emission reduction in subsurface flow constructed wetlands: Microbial community structure, functional genes and enzyme activity 

Yinkun Liang (梁银坤), Qinghua Wang (王清华), Lei Huang (黄磊), Maolin Liu (刘茂林), Ning Wang (王宁), Yucheng Chen (陈玉成)    

Volume 307, Issue 0960-8524, July 2020, 123249

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123249

内容简介

作为一种有潜力的污水处理技术，人工湿地因其成本低、能耗小和易于维护而受到广泛关注。硝化和反硝化是人工湿地生物脱氮的必要过程。溶解氧(DO)是影响硝化过程的关键因素，氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)通过硝化作用将NH₄⁺-N转化为亚硝酸盐(NO₂^--N)和硝酸盐(NO₃^--N)。反硝化作用通过反硝化细菌去除NO₃^--N，而反硝化细菌很大程度上依赖碳源。传统人工湿地由于缺乏适宜的氧气环境和碳源条件，限制了污染物的去除。间歇曝气可提供好氧和厌氧条件，有利于硝化和反硝化。在传统人工湿地中增加间歇曝气能提高污染物的去除率，尤其能提高NH₄⁺-N和TN的去除率。然而，人工湿地在净化污水的同时可能会产生大量的温室气体一氧化二氮(N₂O)。N₂O的排放受季节、湿地类型和基质的影响。

基质是人工湿地的重要组成部分。近年来，为促进环境可持续发展，生物炭被广泛应用于环境中污染物去除和N₂O排放减排，促进环境可持续性。添加生物炭可以改变湿地内部的氧气条件，提高湿地系统对NH₄⁺-N、TN和COD的去除效率。此外，生物炭作为一种富碳材料，具有物理稳定性强、孔隙率和比表面积大等特征，能通过增强污染物吸附和生物膜形成来强化污染物去除和降低N₂O排放。硝化细菌和异养反硝化细菌分泌的特殊酶(主要包括氨单加氧酶(AMO)、羟胺氧化还原酶(HAO)、亚硝酸盐还原酶(Nir)和一氧化二氮还原酶(Nos))在脱氮和N₂O排放中发挥关键作用。添加生物炭可以通过提供适宜的微生物定殖环境来改变物种丰富度和群落多样性。然而，添加生物炭对微生物引起的污染物去除和N₂O减排的研究尚显不足，其潜在机理尚未明晰。

本研究构建了0%、10%、20%和30%生物炭投加量的人工湿地，其主要目的是(1)探究生物炭湿地中污染物去除效果；(2)分析不同生物炭投加比例对N₂O排放的影响；(3)从微生物群落结构、功能基因和酶活性等方面明晰添加生物炭后的氮转化机制。

图文导读

表1 试验期间不同湿地系统进出水特征

生物炭湿地中平均COD出水浓度低于SW0。相比于SW0，生物炭湿地NH₄⁺-N去除率分别增加了2.6%、3.4%和5.2%；此外，SW0中TN的去除率为87.9%，低于各生物炭湿地90.4% (SW1)、93.9% (SW2)和94.9% (SW3)的去除率。图1(a)典型周期内四个湿地中的N₂O排放通量和(b)N₂O的累积排放情况

各湿地中N₂O的排放主要集中在曝气阶段。曝气阶段的N₂O平均排放通量是不曝气阶段的1.78~158.88倍。生物炭湿地N₂O平均排放通量分别为0.46 (SW1)、0.39 (SW2)和0.36mg/(m²·h)(SW3)，低于SW0(0.99 mg/(m²·h))。与SW0(22.03 mg/m²)相比，生物炭湿地的N₂O累积排放量均较低(分别为9.69 (SW1)、7.86 (SW2)和7.15 mg/m²(SW3))，N₂O排放量分别降低了56.0%、64.32%和67.5%。随着生物炭投加比例的增加，N₂O排放显著减缓。

图2(a)湿地中微生物群落门水平和(b)与除氮相关的微生物属水平结构和功能微生物群落的丰度

SW0、SW1和SW2中Actinobacteria相对丰度(分别为36.2%、37.7%和35.7%)几乎相同，而SW3呈明显下降趋势(26.0%)。这可能意味着Actinobacteria对高生物炭投加比例敏感。SW0、SW1、SW2和SW3中Proteobacteri的丰度相似，别占20.2%、22.1%、20.9%和23.4%。此外，湿地中另一个主要优势门Chloroflex的丰度随着生物炭的添加增加了13.0%~28.1%。生物炭的添加增加了Actinobacteria、Proteobacteri和Chloroflex的总丰度，从而强化了脱氮效果，减少了N₂O排放。投加生物炭提高了硝化相关菌属Nitrosomonas和Nitrospira的相对丰度，同时也增加了Tauera和Dechloromonas等反硝化相关菌属。总体而言，改变生物炭投加比，改变了微生物种群结构，增加了脱氮相关菌属相对丰度。

图3 (A)湿地中(a)amoA (b)hao (c)nirS和(d)nosZ基因的拷贝数和(B)湿地中(e)AMO (f)HAO (g)Nir和(h)Nos的酶活性

生物炭投加比增加，湿地系统中amoA基因拷贝数由2.31×10⁵g^-1上升到5.27×10⁵g^-1；与SW0相比，生物炭湿地中获得了更高的nosZ拷贝数。在nosZ的高基因拷贝数下，氮转化过程中产生的N₂O可以被快速消耗，从而导致N₂O排放量降低。另一方面，nirS和nosZ基因拷贝数高，反硝化过程进行得更彻底，有助于进一步减少N₂O排放。

作者介绍

黄磊，博士，副教授，西南大学双师型教师，环境科学与工程系副主任，2013年毕业于重庆大学环境与生态学院，获工学博士学位，2019年-2020年赴美国马里兰大学访学，主要研究水污染治理与水生态修复、流域污染控制等。近五年，主持国家自然科学基金等国家及省部级项目5项，参与国家重点研发专项课题2项，以第一作者或通讯作者在Bioresource Technology，Science of the Total Environment，Journal of Environment Management等知名期刊发表论文12篇，获权发明专利5项，多次担任国内外重要期刊审稿人；荣获国家教育部科技进步奖二等奖和国家教育部学术新人奖。

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