硫化物对河道底泥反硝化脱氮效能的影响

李 生 来

(1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.青海省德令哈市水利局，青海 德令哈 817000)

1 实验材料与方法

1.1 研究对象

巴音河河道综合整治工程是提高河段防洪能力、改善区域生态环境、提高居民生活质量的重要工程。本研究中实验所需的底泥均来自青海省海西州巴音河，该河水动力条件较差，是典型的城市黑臭水体，且污水从排污口不断纳入水体。底泥的基本理化性质：底泥铁含量为19.68～21.41 g/kg，底泥酸可挥发性硫(AVS)含量为 122.74～133.24 μmol/g。

1.2 研究方法

(1)

(2)

(3)

设置培养组1～5来探究不同浓度硫化物对反硝化潜力的影响，不同S2-浓度梯度分别为0、50、75、100和175 mg/L；设置培养组6～10来探究碳氮比调控下不同浓度硫化物对反硝化潜力的影响，硫化物浓度分别为0、50、75、100和175 mg/L，且保持碳氮比均为8[6,7]。设置培养组12和13分别添加FeS和FeS2作为硫源进行培养，探究不同硫化物形态对反硝化潜力的影响。设置培养组14添加硝酸钙，培养组11和培养组15作为对照培养组，分别只添加硫化物和只添加培养液，探究不同氮源条件下硫化物对反硝化的影响。

2 结果与讨论

2.1 硫化物浓度的影响

硫化物浓度对底泥反硝化脱氮效能的影响如表1所示。与对照组相比，在第3个培养周期后50 mg/L的硫化物对反硝化过程显现出明显的促进作用，可能由于硫自养反硝化的富集需要一定时间。与之类似，75 mg/L的 硫化物对反硝化有明显的促进作用，可能是体系出现了硫自养反硝化过程，平均每个培养周期的第2天硝酸盐还原率可达98%以上；当硫化物浓度达到100 mg/L时，硝化过程受到抑制，表明高浓度硫化物对NO和N2O还原酶的活性存在明显的毒性抑制[22]。

表1 硫化物浓度对底泥反硝化潜力影响

注：T1～T5分别表示底泥培养组1～5硝酸盐还原率达到98%以上所需的天数；培养组2从第6个培养周期开始硫化物浓度增加到 175 mg/L。

不同硫化物浓度下培养底泥反硝化潜力的变化如图1所示。可以看出，低浓度硫化物对反硝化过程无明显影响，适宜浓度硫化物能够促进硫自养反硝化过程，高浓度硫化物会明显抑制反硝化过程，随硫化物浓度的增加，硝酸盐还原抑制率会明显升高。一个培养周期结束时硝酸盐抑制率约为24.82%，浓度约为7.14 mg/L。从第6个培养周期开始，硫化物浓度增加至 175 mg/L时对反硝化过程的抑制效果增强，硝酸盐还原抑制率约为36.72 %，硝酸盐的浓度约为10.28 mg/L，表明培养体系中硫自养反硝化和异养反硝化并存，同时该河道底泥对高浓度硫化物的耐受性较强。

图1 底泥反硝化潜力随硫化物浓度的变化曲线

硫化物浓度为100和175 mg/L的培养组中氨氮浓度分别为4.26和4.82 mg/L，亚硝氮浓度分别为4.34和3.05 mg/L，可能是高浓度硫化物会抑制反硝化过程导致硝酸盐不断积累，使其参与了异化硝酸盐还原成铵过程。

硫化物浓度低于75 mg/L时，随所添加硫化物浓度的增加，硫酸盐的平均浓度不断升高。硫化物浓度为50和75 mg/L时，硫酸盐平均浓度分别为260.78和330.97 mg/L。然而，继续增加硫化物浓度，硫酸盐浓度并没有升高，可能是由于高浓度硫化物未能促使硫自养反硝化的发生，导致硫酸盐不能通过硫自养反硝化反应生成并积累。另一方面硫化物浓度过高导致异养反硝化受到抑制，硝酸盐还原与硫酸盐还原之间的竞争减弱，硫酸盐还原过程占主导。

2.2 碳氮比调控的影响

碳氮比调控下不同硫化物浓度对培养底泥反硝化潜力影响的初步评定如表 2 所示。可以看出，碳氮比调控下，低硫化物浓度使得硝酸盐还原速率明显加快，高硫化物浓度会抑制硝酸盐的还原。前2个培养周期内，硫化物为50 mg/L时会明显抑制硝酸盐还原，但后期抑制作用消失。

碳氮比调控下底泥反硝化潜力变化，如图2所示，硫化物浓度大于50 mg/L时会出现氨氮的累积，平均浓度2.14 mg/L，可能是由于体系内存在异化硝酸盐还原成铵过程；硫化物浓度大于75 mg/L时，培养周期内反硝化过程均受到部分抑制。碳氮比调控下积累的亚硝酸盐能够被迅速还原，使得各培养组均

表2 碳氮比调控下硫化物浓度对底泥反硝化潜力影响的初步评定

培养周期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分别表示底泥培养组6～10硝酸盐还原率达到98%以上所需天数。

未出现亚硝酸盐的积累现象。

碳氮比调控下各底泥培养组硫化物与硫酸盐的变化存在明显差异，硫化物浓度为50 mg/L时，培养周期结束时硫酸盐浓度为195.48 mg/L。硫化物浓度大于100 mg/L时，培养周期结束时硫酸盐的平均浓度明显降低。

与非碳氮比调控培养组相比，一个培养周期结束时，碳氮比调控下培养组的硫酸盐浓度总体偏低。虽然体系内硫酸盐还原会与硝酸盐还原2者之间存在基质竞争，但碳源在一定程度上会促进硫酸盐的还原过程。

图2 碳氮比调控下底泥反硝化潜力的变化曲线

2.3 硫化物赋存形态的影响

硝酸钙及硫化物形态对底泥反硝化潜力的初步评定如表3所示。可以看出，与不添加硫化物的对照组相比，底泥培养组添加FeS和FeS2时硝酸盐的还原率无明显变化，表明FeS和FeS2对反硝化没有明显的促进作用。与之相反，在第3个培养周期开始，添加Na2S溶液培养组的硝酸盐还原速率有明显提高，可能是游离态硫化物对反硝化过程有促进作用。硝酸钙的添加可促进硝酸盐的还原，与添加KNO3和Na2S溶液的培养组相比，硝酸钙作为氮源时硝酸盐还原速率有所增加。

硫化物赋存形态对培养底泥反硝化潜力的变化曲线如图3所示，可以看出，一个培养周期结束时，添加Na2S溶液的培养组中硫酸盐的平均浓度为259.21 mg/L，而添加FeS和FeS2的底泥培养组中硫酸盐浓度低于添加Na2S溶液的培养组，硫酸盐的平均浓度为87.84 mg/L。可能FeS和FeS2以矿物或晶体

表3 硝酸钙及硫化物形态对底泥反硝化潜力的评定

注:培养组1为不添加硫化物，培养组3、12和13分别添加Na2S溶液、FeS溶液和FeS2溶液，培养组14添加Na2S溶液和硝酸钙；T1、T3和T12～T14分别表示底泥培养组1、3和12～14硝酸盐还原率达到98%以上所需天数。

的形式存留，因而硫酸盐浓度始终维持在较低水平。一个培养周期结束时，添加硝酸钙和Na2S的培养组与添加Na2S溶液和KNO3的培养组无明显差异，硫酸盐平均浓度约为258.94 mg/L。

2.4 底泥硫自养反硝化潜力评定分析

表4 底泥培养组值的变化

图3 硫化物赋存形态对培养底泥反硝化潜力的变化曲线

表5 培养组硫自养反硝化速率的变化 meq/g VSS h

2.5 反硝化细菌群落结构的响应规律分析

陶厄氏菌属和假单胞菌属是底泥样品中主要的反硝化细菌，反硝化培养组底泥硫细菌属水平如图4所示。

图4 反硝化培养组底泥硫细菌属水平

可以看出，不同底泥样品反硝化细菌属水平的组成存在较大差异。对照培养组底泥中的优势硫自养反硝化菌为硫针菌属与硫杆菌属，分别占0.96%和2.83%；非碳氮比调控底泥中硫针菌属和硫杆菌属为优势硫自养反硝化菌，分别占5.82%和25.81%，同时发现，非碳氮比调控的培养组硫杆菌属的相对丰度远高于对照培养组，表明该体系中硫自养反硝化活性较高，与电子平衡分析结果吻合。碳氮比调控培养组底泥中的优势硫自养反硝化菌为硫杆菌属和陶厄氏菌属，分别占1.13%和1.93%，表明碳氮比调控有利于陶厄氏菌属的生长。

通过荧光定量PCR对底泥中微生物结构的响应变化进行探究，进而分析硫化物对底泥反硝化潜力的影响机制。底泥氮硫代谢关键菌群丰度响应如表6所示。

表6 底泥氮硫代谢关键菌群丰度响应 Copies/g dry sediment

可以看出，碳氮比调控和非碳氮比调控培养组底泥中的细菌数量分别增加了约1.18倍和1.46倍；反硝化细菌数量分别增加了约4.57倍和22.48倍。表明长时间培养过程使得反硝化活性得到了显著提升，但非碳氮比调控组培养组底泥中反硝化细菌的增加幅度明显高于碳氮比调控组。可能是由于碳氮比体系内硫自养反硝化菌和异养反硝化菌存在激烈的竞争，导致反硝化菌的增长受限。

非碳氮比调控培养组中的硫酸盐还原细菌数量由2.189×106Copies/g dry sediment降至1.452×106Copies/g dry sediment；而碳氮比调控培养组中硫酸盐还原菌数量则增至2.915×106Copies/g dry sediment，表明碳源的添加有利于硫酸盐还原菌的生长。

非碳氮比调控的培养组nirs基因丰度比远高于碳氮比调控组，表明较低碳氮比有利于硫自养反硝化细菌增殖。另外，碳氮比调控的培养组底泥dsrB基因丰度比明显高于非碳氮比调控组，表明碳氮比调控有利于硫酸盐还原过程，体系中硫异养反硝化菌和自养反硝化菌的竞争能够为硫酸盐还原细菌提供有利的生长条件。

3 结 论

硫化物对氮素削减过程的影响往往被屏蔽，以巴音河底泥为对象，详细研究了硫化物对氮素削减过程的影响，较为深入地分析了硫化物、碳氮比调控、硫化物形态对底泥反硝化潜力变化的影响和反硝化细菌群落结构的响应规律，揭示了反硝化过程的影响机制，该研究可为改善“黑臭”提供指导借鉴，有着重要的现实意义。

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