固定化氮循环细菌修复城市湖泊水体脱氮效果及N2O排放杨竹攸

J.LakeSci.(湖泊科学),2009,21(6):[e-mail]©2009byJournalofLakeSciences固定化氮循环细菌修复城市湖泊水体脱氮效果及N2O排放*1杨竹攸,李正魁**,石鲁娜,张晓姣,王月明,陈祈春,吴凯,冯露露(南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京210093)摘要:利用从镇江金山湖天然水体中筛选分离出的土著氨化、亚硝化、硝化和反硝化细菌,将氮循环细菌固定化后在金山湖示范工程区进行水体脱氮净化效果研究.结果表明,运行一段时间后水质明显得到改善,氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及总氮浓度均显著下降,氨氮浓度指标达到国家水质Ⅰ类标准,总氮浓度指标达到水质Ⅱ类标准.同时,对湖泊水体的N2O气体排放通量进行了检测,结果显示,随着实验的进行,金山湖区的N2O气体排放通量逐渐升高,4月份的平均值为23.51μg/(m2·h)、5月份的平均值为29.52μg/(m2·h)、6月份的平均值为59.10μg/(m2·h).水质氮素指标以及N2O气体排放通量数据说明利用微生物固定化载体强化净化技术对城市湖泊水质净化具有显著效果和重要意义.关键词:固定化氮循环细菌;城市湖泊;硝化;反硝化;N2O排放通量;金山湖NitrogenremovalandN2OemissionfromwaterpurificationprocessbyimmobilizednitrogencyclingbacteriainurbanlakeYANGZhuyou,LIZhengkui,SHILuna,ZHANGXiaojiao,WANGYueming,CHENQichun,WUKai&FENGLulu(StateKeyLaboratoryofPollutantControlandResourcesReuse,SchoolofEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210093,P.R.China)Abstract:Theprocessofwaterpurificationwasstudiedusingimmobilizednitrogencyclingbacteria,includingammonibacteria,nitrosobacteria,nitrifyingbacteriaanddenitrifyingbacteria,whichappliedandscreenedfornaturalwaterofLakeJinshan.Theresultshowedthatthewaterqualitywasimprovedobviouslyafterrunningaperiodoftime.ConcentrationsofNH4+-N,NO2--N,NO3--NandTNdeclined.NH4+-NconcentrationhadreachednationalⅠclassofwaterqualityindex.TNconcentrationhadreachedⅡclass.TheN2OfluxofLakeJinshanincreasedduringthreemonthsfromApriltoJune,whichwere23.51μg/(m2·h),29.52μg/(m2·h)and59.10μg/(m2·h)respectively.Theexperimenthasprovedthatthetechniquesofimmobilizednitrogencyclingbacteriacouldpurifytheurbanlakessignificantly.Keywords:Immobilizednitrogencyclingbacteria;urbanlake;nitrification;denitrification;N2Oflux;LakeJinshan城市湖泊是城市湿地的重要组成部分,在现代城市发展过程中发挥着旅游、娱乐、洪涝调蓄排水、调节气候和改善城市生态环境等多种重要功能[1].然而,随着城市化进程的加快,围湖开垦以及城市开发使城市湖泊面积锐减,且大量工农业废水、生活污水的排放,使城市湖泊生态系统遭到严重破坏.因此,有关城市湖泊污染治理、生态修复的研究一直受到国际环境科学及湖泊学界的重视,同时,由于与人类生存与发展紧密相连,也受到政府与社会的高度关注[2].*国家重点基础研究发展计划(973)项目(2008CB418003)、国家科技重大专项(863)项目(2008ZX07101-012-04-03,2008ZX07101-004-02)、国家科技支撑计划项目(2006BAJ08B01-02)和国家高新技术研究发展计划(863)项目(2003AA601100-4)联合资助.2009-04-10收稿;2009-06-01收修改稿.杨竹攸,男,1984年生,硕士研究生;E-mail:[e-mail].**通讯作者;E-mail:[e-mail].(湖泊科学),2009,21(6)790氮素污染是城市水体水质下降的重要原因,往往会导致水体的富营养化.湖泊生态系统中氮素的循环是开放式循环,湖泊中来源于地表水、大气中的铵盐,在有氧环境中经过硝化作用,昀终生成硝态氮;而硝酸盐则在缺氧环境中通过反硝化作用生成氮气,散逸到大气圈.硝化作用和反硝化作用都能产生亚硝酸盐,不同来源的亚硝酸盐可参与硝化、反硝化、厌氧氨氧化[3].氮循环细菌在进行硝化和反硝化反应的同时,也会产生N2O、NO、NO2等气态中间产物,将氮素从水相中脱除进入气相.金山湖位于镇江市西北,紧靠金山寺,是镇江市重要的旅游资源,也是典型的城市湖泊.其周边无大型工业企业,湖泊主要污染来自于面源污染,其中包括:养鱼投放的大量饵料、湖区住户的生活污水以及部分倾倒入湖的生活垃圾.面源污染使得金山湖生态系统受到严重的威胁,尤其是使得湖水中N、P营养元素浓度急剧升高,水体富营养化情况严重,亟待治理.为了减轻金山湖富营养化程度,削减湖泊N、P污染,科技部实施了国家863“十五”重大科技专项——“镇江水环境质量改善与生态修复技术研究及示范”项目,对金山湖区水体修复进行示范研究.项目初期分离与筛选了金山湖土著脱氮菌种,采用固定化技术制备了载体,并对土著微生物进行了固定化,在实验室进行了净化模拟人工净化废水实验,取得很好的脱氮效果[4].项目执行前期,采用固定化微生物技术在金山湖区水体原位修复的应用使得水质得到了初步净化,氮磷污染物浓度逐渐下降.本实验在项目执行前期成果基础上,采用固定化微生物技术,对金山湖水体进行强化净化.实验主要研究固定化微生物载体投入金山湖示范工程区之后,湖水中各形态氮素的浓度变化,观测固定化载体对金山湖水体的脱氮效果.同时,实验还研究了整个净化过程中金山湖水体中N2O气体的排放规律,以期进一步说明固定化微生物载体修复水体的脱氮效果.1实验材料和方法1.1示范工程区背景概况金山湖示范工程区位于金山湖区的西北角,根据金山湖周边污染以及金山湖水体水质特征而建立,有效水体面积为27000m2,水深常年维持在1.0-1.2m之间.2004年4月至2005年9月的5次现场监测资料显示,湖区水质中COD浓度为25.6-107.2mg/L,NH4+-N浓度为0.8-2.23mg/L,TN浓度为0.88-3.95mg/L,TP浓度为0.77-2.23mg/L.经过项目前期治理,至2007年10月,湖区水质中NH4+-N浓度与TN浓度已分别下降至0.4mg/L和1.70mg/L.本实验从2008年3月开始,继续应用生态修复技术—固定化氮循环细菌技术对水体进行生态修复,研究水质净化过程中各形态氮素的浓度变化以及水体的N2O排放规律.1.2土著脱氮菌种采集、分离与筛选采集镇江金山湖中不同深度、不同位置的水样及底泥,接种至选择性培养基上,然后富集筛选出纯化的金山湖土著氨化、硝化、亚硝化以及反硝化细菌.1.3载体的制备将亲水性玻璃态单体甲基丙烯酸-β-羟乙酯(2-Hydroxyethylmethylacrylate(HEMA))、丙烯酸羟乙酯(2-Hydroxyethylacrylate(HEA))与蒸馏水按照一定的体积比混合均匀,用氮气充至饱和,在-78℃温度条件下,采用辐射剂量为1×104Gy的60Co-γ射线辐照制备形成生物相容性固定化聚合物载体[5].1.4菌种的固定化将辐射聚合后制备的固定化载体切成5mm见方的小块,用蒸馏水浸泡至充分膨胀.再用人工合成废水浸泡,28℃振荡24h并交换3次.加入经活化培养进入对数生长期的氨化、硝化、亚硝化和反硝化细菌培养液各200ml,28℃振荡24h、静置48h,使氨化、硝化、亚硝化和反硝化细菌交替在有氧条件及厌氧条件下吸附于固定化载体表面,并通过增殖进入多孔载体内部使之固定.1.5原位修复实验方法在呈四方形的示范区内布设2个面积为64m2生态浮岛,分别放置于湖面两侧,浮岛上引种景观植物香蒲,浮岛下方20-30cm处悬挂一个固定化氮循环细菌释放装置,将5kg固定化氮循环细菌载体放置于特制的具有网眼的装置中,使得固定化细菌载体能够充分接触水体,令其中附着生长的脱氮微生物充分扩散至示范工程水体,对水质进行强化净化.为了保证整个实验过程示范水体中脱氮微生物的数量维持在较高水平从而保证水体的脱氮效果,本实验使用的载体每个月用重新负载好微生物的载体更换一次.杨竹攸等:固定化氮循环细菌修复城市湖泊水体脱氮效果及N2O排放791在湖面的4个方向设置4个水样及气样采集点(图1),用以采集水样和气样进行水质检测和气体分析.同时,选取示范工程附近生态状况以及污染情况相类似,但未放置生态浮岛和微生物载体的水体作为对照,采集水样和气样用于对比.此外,在金山湖旁边未经生态工程修复的,有共同氮、磷污染源来源的水体取样检测水质指标以提供对照.2008年3月份,对照水体经过水质检测,结果是NH4+-N浓度为0.47-0.62mg/L,NO3--N浓度为0.32-0.41mg/L,总氮浓度为1.4-1.7mg/L,与同期金山湖水质指标相类似.1.6水质测试项目与方法氨氮采用纳氏试剂分光光度法,硝酸盐氮采用酚二磺酸分光光度法,亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,总氮采用过硫酸钾氧化、紫外分光光度法[6].1.7N2O气体收集装置及收集方法N2O气体是硝化反硝化过程的重要中间产物,其产生过程同时受到硝化作用与反硝化作用的影响[7].本实验N2O气体排放通量观测采用密闭静态箱法.气体采样装置由顶部密封的有机玻璃柱状筒箱体和中通的塑料底座两部分组成.箱体规格为50cm×50cm×80cm,箱体顶部开有3个小孔,分别为采气孔、风扇接线口和箱内温度计插口,顶部安装有搅拌小风扇,由12V蓄电池供电,以保证采样时箱内气体混合均匀.底座规格为52cm×52cm×120cm,上部内缘加密封槽(宽4cm,深4cm)[8].采样地点选择在离生态浮岛微生物载体悬挂处5m左右的开放水体.采样时,先将底座固定于采样点的底泥中,根据水深调整插入深度,以使底座上缘与水面基本等高.开启箱顶的小风扇混合箱内气体,将密闭箱放置于底座上缘的密闭槽内,在槽中灌水水封以保证其密闭,此时用真空瓶及采样针通过箱体的采样孔采集第1个气样.之后每隔10min采1次气样,1个采样点共采集4个气样用以分析.有研究表明[9],N2O排放的日平均值出现在09:00和19:00时,但是排放的规律并非固定不变,通常气温决定了其排放的模式.为尽可能保证样品具有很好的全天代表性,样品采集设在上午9:00-10:30.1.8N2O气体测定方法收集于真空瓶的气样中N2O气体的浓度用带ECD检测器的气相色谱仪(岛津GC-12B)测定,柱温65℃,检测器温度300℃.以95%氩气+5%甲烷作为载气,流速40ml/min.CH4和N2O