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污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻去氮能力和氮组分影响研究(二) ?

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-09-11  08:58:58

 

表 8 不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水底泥全氮含量随粉绿狐尾藻处理时间的变化1)/g·kg-1     

  2.5 粉绿狐尾藻氮积累对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水和底泥总氮去除的贡献率及底泥氮沉降对污水总氮去除的贡献率

  水体和底泥总氮的去除量随粉绿狐尾藻处理时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 9).氮浓度20 mg·L-1时, 7~21 d以NH4+/NO3-=1:0处理水体和底泥总氮的去除量最大, NH4+/NO3-=0.5:0.5处理去除量最小, 35 d时水体和底泥总氮的去除量NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮浓度100 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理在7~28 d水体和底泥总氮的去除量最小且小于氮浓度20 mg·L-1的处理, 不同NH4+/NO3-处理水体和底泥总氮的去除量在28 d时达到最大, 且以NH4+/NO3-=0.5:0.5处理总氮去除量最大, 35 d时水体和底泥总氮去除量NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5, 35 d时氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 水体和底泥总氮的去除量无显著差异; 氮浓度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 水体和底泥总氮的去除量随时间逐渐增加, 且在35 d时去除量最大, 且NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 去除量分别为氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-处理的2.01~2.84倍和1.74~2.93倍.粉绿狐尾藻对水体和底泥总氮的去除量因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同.


  表 9 不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水和底泥总氮的去除量随粉绿狐尾藻处理时间的变化/mg        

  粉绿狐尾藻氮积累对水体和底泥总氮去除的贡献率随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 10).氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻不同时期氮积累量对水体和底泥总氮去除的贡献率为23.9%~43.5%, 平均为34.1%, 7~35 d粉绿狐尾藻氮积累平均贡献率NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-处理, 粉绿狐尾藻不同时期氮积累对水体和底泥总氮去除的贡献率分别为23.8%~66.1%和32.0%~72.8%, 平均为43.9%和47.0%, 7~35 d粉绿狐尾藻氮积累平均贡献率NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1.由此说明, 粉绿狐尾藻氮积累是水体和底泥氮去除的主要途径, 其对水体和底泥氮去除的贡献率随污水氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的变化而不同.氮浓度为20 mg·L-1时, 7~35 d平均贡献率NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 粉绿狐尾藻氮积累均在0~7d对污水和底泥总氮去除的贡献率最大, 且7~35 d平均贡献率NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 较高氮浓度下铵态氮和硝态氮平衡更有利于粉绿狐尾藻从水体和底泥中吸取积累氮.河南化工废水处理


  表 10 粉绿狐尾藻氮积累对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水和底泥总氮去除的贡献率/%    

  底泥氮沉降对污水总氮去除的贡献率随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 11).氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 试验期间底泥向水体释放氮供给粉绿狐尾藻的生长, 底泥氮含量降低.氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 底泥氮沉降对污水总氮去除的贡献率均在0~7 d最大为35.4%~58.6%, 且均以NH4+/NO3-=0:1最大.氮浓度100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 7~35 d底泥氮沉降对水体总氮去除的平均贡献率为13.6%~23.5%, 且NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=0:1;氮浓度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 7~35 d底泥氮沉降对水体总氮去除的贡献率为16.1%~24.5%, 平均为21.3%, NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5.由此说明, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 试验初期水体中的氮易沉降进入底泥, 以NH4+/NO3-=0:1处理底泥的贡献率最大, 底泥氮沉降是试验初期污水氮去除的主要途径; 底泥氮沉降对水体总氮去除的贡献率随氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比变化而不同. 0~7 d粉绿狐尾藻的干物质氮积累快速增加和底泥氮沉降量增加量最大是其水体氮浓度迅速降低的主要原因.


  表 11 底泥氮沉降对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水总氮去除的贡献率/%      

  2.6 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻体内氮组分的影响

  粉绿狐尾藻体内蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 12).总体而言, 蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量均随污水氮浓度的升高而增加.氮浓度为20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻体内蛋白质和氨基态氮的含量无显著差异; 不同氮浓度处理, 蛋白质的含量以NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5时较高, 氨基态氮含量以NH4+/NO3-=1:0时最高, 硝态氮含量以NH4+/NO3-=0:1时最高, 且氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理蛋白质和氨基态氮的含量分别为氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理的1.42~1.72倍、2.21~3.35倍和6.07~13.10倍、6.75~30.20倍.综上所述, 粉绿狐尾藻体内蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量均随氮浓度的升高而增加, 且不同处理均表现为蛋白质含量>氨基态氮含量>硝态氮含量, 氮主要以蛋白质和氨基态氮的形式存在, 有利于粉绿狐尾藻的资源化再利用, 氮组分主要形态基本不受污水氮浓度的影响, 而受NH4+/NO3-比的影响.


  表 12 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻体内氮组分的影响1)       

  3 讨论3.1 粉绿狐尾藻生长特性对污水氮浓度和NH4+/NO3-比的响应

  本文结果表明, 粉绿狐尾藻的生长受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.不同处理粉绿狐尾藻的生物量均在0~7 d增长最快, 氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 不同时间的生物量均以NH4+/NO3-=1:0处理最大; 氮浓度200 mg·L-1时, 则以NH4+/NO3-=0.5:0.5处理最大, 且生物量均在21~35 d达到最大.粉绿狐尾藻的生物量在0~7 d增长最快, 这与前一阶段的试验结果一致, 可能与试验前对粉绿狐尾藻进行驯化处理, 植物体内营养元素大量缺乏有关.上述试验结果与刘少博等[21]的研究结果一致, NH4+水平过高会抑制绿狐尾藻的生物量的增长.在一定氮浓度下水生植物的生长速率随氮浓度的升高而增加, 不同水生植物对NH4+和NO3-表现出不同的偏好性, 其生长速率随NH4+/NO3-比的变化而不同, 且生物量达到最大的时间不同[22, 23].

  综上所述, 不同处理粉绿狐尾藻的生物量在0~7 d增长最快.氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 生物量均以NH4+/NO3-=1:0最大, 粉绿狐尾藻生长较快可能是将铵态氮作为主要氮源, 表现出对铵态氮较高的耐受性和喜好性; 氮浓度200 mg·L-1时, 生物量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大, 说明铵态氮和硝态氮的平衡更有利于粉绿狐尾藻的生长, 且不同处理粉绿狐尾藻生物量均在21~35 d达到最大.

  3.2 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻去氮能力的影响

  研究表明, 不同处理总氮均在7 d时能够达到较高的去除率为63.2%~96.7%, 且0~7 d去除速率最高, 去除速率随氮浓度的升高而增加; 0~7 d期间, 氮浓度20 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理总氮的去除率和去除速率最高, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=0:1处理总氮的去除率和去除速率最高.不同处理铵态氮在7d时的去除率为68.2%~96.4%, 同一氮浓度铵态氮的去除速率均以NH4+/NO3-=1:0最高. 7~35 d期间, 氮浓度为20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 铵态氮的浓度基本保持稳定; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理铵态氮在7~21 d仍具有较高的去除速率, 28 d时去除率分别为97.2%和89.5%, 随后铵态氮的浓度基本稳定在较低的水平.肖继波等[24]利用绿狐尾藻等水生植物构成的生态槽对铵态氮和总氮浓度分别为6.95~17.98 mg·L-1和7.50~20.00 mg·L-1污水的去除率分别为97.96%和69.63%;马永飞等[10]利用粉绿狐尾藻对氮浓度为100~400 mg·L-1的污水进行净化试验, 0~7 d总氮和铵态氮的去除速率最高, 且能达到较大的去除率; Liu等[25]利用绿狐尾藻对总氮和铵态氮浓度分别为458.1 mg·L-1和416.8 mg·L-1的原始和50%猪场对废水进行净化试验, 总氮和铵态氮的去除率均超过90%.

  不同处理硝态氮在7 d时的去除率为86.2%~94.8%, 硝态氮的去除速率随氮浓度的升高而增加, 且均以NH4+/NO3-=0:1最高, 7 d后硝态氮的浓度基本保持稳定, NH4+/NO3-=1:0处理硝态氮的浓度有所上升, 但基本保持在较低的浓度范围内.高温季节尤其是夏季水体中的反硝化作用加强, 有利于硝态氮等的去除[26].金春华等[27]的研究表明, 凤眼莲对硝态氮的吸取速率高于铵态氮, 粉绿狐尾藻则表现出相反的趋势.

  综上所述, 粉绿狐尾藻对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水总氮、铵态氮和硝态氮均具有较高的去除率.粉绿狐尾藻处理7 d, 不同处理总氮、铵态氮和硝态氮均能达到较高的去除率, 且在此阶段去除速率最高, 去除速率随氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-的变化而不同, 同一氮浓度时NH4+/NO3-=1:0处理铵态氮的去除速率最高, NH4+/NO3-=0:1处理硝态氮的去除速率最高.试验初期氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻需要从水体和底泥中吸取大量的氮供给自身的生长需求; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比污水中氮的浓度较高, 氮主要通过粉绿狐尾藻的吸取利用和底泥的沉降去除.

  3.3 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻氮积累和底泥氮沉降释放的影响

  粉绿狐尾藻氮含量随氮浓度的升高显著增加, 同一氮浓度的不同NH4+/NO3-比处理氮含量在不同时间差异不大.试验前粉绿狐尾藻受驯化处理, 期间缺少营养物质的供应, 氮含量和积累量在0~7 d增长最快, 这与向速林等[28]的研究结果一致, 苦草在夏季试验初期生长旺盛, 期间对水体中氮的吸取能力最强.粉绿狐尾藻氮积累量随水体氮浓度和时间的增长而增加, 且因NH4+/NO3-的变化而不同.氮浓度为20 mg·L-1时, 氮积累量以NH4+/NO3-=1:0最大, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 氮积累量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大.氮浓度为20 mg·L-1时, 底泥向水体释放氮供给粉绿狐尾藻生长的需求; 氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 污水中的氮会通过沉降作用进入底泥. 7~35 d期间, 氮浓度为20 mg·L-1时, 粉绿狐尾藻氮积累对水体和底泥总氮去除的平均贡献率为32.1%~36.4%, 其中以NH4+/NO3-=0:1最高; 氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 平均贡献率分别为39.4%~46.5%和40.0%~52.4%, 其中均以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高.氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 底泥氮沉降对水体氮去除的贡献率均在0~7 d最大, 且以NH4+/NO3-=0:1处理最大, 随后植物逐渐从底泥中获取氮, 底泥氮含量随时间逐渐降低, 但整体而言底泥氮含量无显著变化. Zhao等和Gottschall等的研究表明植物对水体中氮的吸取受植物种类、氮浓度的因素影响.植物氮吸取量与水体氮浓度、植物自身氮含量和生物量有密切的关系, 余红兵等利用室内绿狐尾藻湿地系统处理200 mg·L-1、400 mg·L-1的高铵态氮废水, 废水中29.7%和12.7%的氮被植物吸取利用, 部分氮通过沉降作用进入底泥. Jampeetong等通过利用香根草等4种水生植物处理含有不同氮源的废水, 证明植物对铵态氮的吸取能力显著高于硝态氮.张贵龙等研究了狐尾藻对污水NH4+-N和NO3--N的吸取动力学特征, 证明水体铵态氮和硝态氮供应充足时, 狐尾藻能够平衡吸取水体中的铵态氮和硝态氮.水体铵态氮和硝态氮供应充足时, 紫萍对铵态氮的吸取能力高于硝态氮.魏岚等的研究表明, 水体强酸强碱的环境能促进底泥氮的释放, 水生植物能够维持水体pH稳定在中性范围内, 减少底泥氮的释放.综上所述, 粉绿狐尾藻氮积累和底泥氮沉降释放受氮浓度和NH4+/NO3-的影响, 试验初期粉绿狐尾藻氮含量显著增加随后保持稳定, 粉绿狐尾藻氮积累量随氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-的变化而不同.粉绿狐尾藻氮积累和底泥氮沉降对水体氮去除的贡献率因氮浓度和NH4+/NO3-的变化而不同, 铵态氮为氮源高于硝态氮为氮源的贡献率, 粉绿狐尾藻对铵态氮吸取能力高于硝态氮; NH4+/NO3-=0.5:0.5处理, 粉绿狐尾藻氮积累贡献率最高, 说明铵态氮和硝态氮平衡更有利于粉绿狐尾藻的氮积累.植物氮积累和底泥氮沉降是污水氮去除的主要途径.

  3.4 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻体内氮组分的影响

  粉绿狐尾藻体内氮组分因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同.蛋白质、氨基态氮和硝态氮含量均随水体氮浓度的升高而增加, 其中蛋白质含量>氨基态氮含量>硝态氮含量, 且其含量因NH4+/NO3-比的变化而不同, NH4+/NO3-为0.5:0.5和1:0时蛋白质含量较高, NH4+/NO3-=1:0时氨基态氮含量最高, NH4+/NO3-=0:1时硝态氮含量最高.绿狐尾藻在富含氮的水体中营养价值较高, 干样中粗蛋白含量达17%, 穗花狐尾藻可溶性蛋白的含量随氮浓度的升高而增加, 蛋白质的含量是评价植物作为饲料的重要指标, 是水生植物进行资源再利用的重要途径; 铵态氮和硝态氮供应不同时, 紫萍植物组织中铵态氮和硝态氮的流动速度和流通量不同; 凤眼莲组织中硝态氮的含量随培养液中硝态氮的浓度和比例的升高而增加.水生植物吸取硝态氮需要多种酶的协同作用才能转化为氨基酸和蛋白质, 因此以硝态氮为主要氮源的处理粉绿狐尾藻体内氨基酸和蛋白质的含量相对较低.由此说明粉绿狐尾藻体内氮组分受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响, 氮主要以蛋白质和氨基态氮的形态存在, 具有较高的营养价值, 且硝态氮的含量较低, 为其资源化再利用提供了有利条件.

  4 结论

  (1) 粉绿狐尾藻的生物量受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.不同处理粉绿狐尾藻的生物量均在第1周增长最快, 且生物量均在第3~5周达到最大.氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 生物量以NH4+/NO3-=1:0最大, 氮浓度200 mg·L-1时, 生物量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大.

  (2) 粉绿狐尾藻的去氮能力和效果受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.不同处理总氮、铵态氮和硝态氮的去除速率均在第1周最大, 且均能达到较高的去除率, 铵态氮的去除速率以NH4+/NO3-=1:0最高, 总氮和硝态氮的去除速率以NH4+/NO3-=0:1最高.氮浓度为20 mg·L-1时, 不同NH4+/NO3-比处理总氮、铵态氮和硝态氮浓度7 d后基本保持稳定; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 21 d后总氮、铵态氮基本保持稳定, 硝态氮浓度7 d后基本保持稳定.

  (3) 底泥氮和粉绿狐尾藻氮积累受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.氮浓度20 mg·L-1时, 底泥能够向水体释放氮; 氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 水体中的氮会沉降进入底泥, 且以第1周沉降量最大; 粉绿狐尾藻氮积累对水体和底泥总氮去除的贡献率随氮浓度的升高而增加, 铵态氮为氮源氮积累贡献率高于硝态氮, 且以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高.氮含量在第1周增长显著, 且均表现为水上部分高于水下部分, 且其比值均以NH4+/NO3-=1:0最高, 随氮浓度升高和铵态氮比例的降低而减小.河南化工废水处理

  (4) 粉绿狐尾藻体内氮组分受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.粉绿狐尾藻体内蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量随污水氮浓度升高而增加, 蛋白质含量均以NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5较高, 氨基态氮含量以NH4+/NO3-=1:0最高, 硝态氮含量以NH4+/NO3-=0:1最高, 且蛋白质含量>氨基态氮含量>硝态氮含量, 氮主要以蛋白质和氨基态氮的形态存在, 有利于资源化再利用.(来源:环境科学 编辑:马永飞)



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