生物炭對間歇曝氣濕地N2O排放途徑的影響

王清華，熊海峰，鄧朝仁，何璽，黃磊，4，陳玉成，4

1.西南大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072；4.農(nóng)村清潔工程重慶市工程研究中心，重慶 400715

人工濕地因凈化性能良好、運營成本低和生態(tài)友好等優(yōu)點,被廣泛用于受污水體治理[1]．然而,人工濕地在去除污染物的同時,會產(chǎn)生大量N2O溫室氣體,降低其環(huán)境和生態(tài)效益[2]．人工濕地釋放N2O與濕地填料、進水濃度等多種因素有關(guān)[3]．近年來,生物炭由于比表面積大、芳香化程度高等特點[4],被廣泛應(yīng)用于人工濕地以改善濕地內(nèi)部環(huán)境條件[5],強化污染物的去除和調(diào)控濕地N2O的排放[6]．研究表明,在人工濕地中添加生物炭可以為微生物提供良好的定植環(huán)境,改善微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性[7],提高amoA,hao,nirS和nosZ等硝化-反硝化相關(guān)酶的活性[8-9],降低N2O排放量．

盡管已有研究探明了生物炭對實現(xiàn)人工濕地N2O減排的重要作用,但N2O減排途徑尚不清晰．目前,區(qū)分N2O產(chǎn)生途徑的研究方法主要有抑制劑法和同位素示蹤法等．抑制劑法能有效阻斷氮轉(zhuǎn)化過程中某單一酶活性,量化N2O排放途徑[10]．Castro-Gonzalez等[11]采用抑制劑法評估了濕地旱/雨季硝化作用在脫氮作用過程中的占比;Starr等[12]發(fā)現(xiàn)天然濕地真菌反硝化速率比人工濕地高出30%．近年來,15N同位素標(biāo)記法因環(huán)境適宜性和對微生物影響小等優(yōu)點,被用于識別N2O來源和跟蹤氮素轉(zhuǎn)化[13]．Wang等[14]采用同位素示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)濕地中80%的氮通過硝化-反硝化進行循環(huán);Tortosa等[15]的同位素示蹤結(jié)果表明,濕地反硝化產(chǎn)生的N2O與人類活動和降雨量相關(guān)．將抑制劑法和穩(wěn)定同位素法聯(lián)用不僅可以甄別硝化和反硝化過程對N2O排放的貢獻,還能量化硝化過程中不同環(huán)節(jié)N2O的釋放量．本研究通過構(gòu)建室內(nèi)間歇曝氣生物炭濕地系統(tǒng),采用化學(xué)抑制劑耦合同位素特征值法,研究間歇曝氣人工濕地N2O的產(chǎn)排途徑,解析生物炭投加對濕地N2O排放的影響,以期為生物炭調(diào)控濕地N2O排放提供理論依據(jù)．

1 材料方法

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)建與運行

濕地裝置采用聚乙烯圓筒容器(圖1),填料以1～2 cm碎石為主,以未添加生物炭的濕地系統(tǒng)作對照(命名為CW),按30%體積投加比構(gòu)建生物炭濕地系統(tǒng)(命名為BW)．生物炭制備方法及物理性質(zhì)參考團隊前期Huang等[16]的研究．生物炭投加前經(jīng)2～3次水洗并去除表面污垢和雜質(zhì)后,選取粒徑約1～2 cm的生物炭投加至濕地內(nèi)部．系統(tǒng)中央設(shè)置直徑為5 cm的PVC穿孔管用于虹吸排水、取樣及各參數(shù)測定．為保證濕地植物生長,在裝置外側(cè)設(shè)置水浴加熱保溫系統(tǒng),以控制濕地溫度在(26±1) ℃．常規(guī)試驗設(shè)置2組反應(yīng)器,抑制劑與同位素試驗另設(shè)置6組反應(yīng)器,所有系統(tǒng)分別設(shè)置2個平行,共計16個濕地反應(yīng)器．

濕地植物馴化、污泥馴化和人工配水方法參考Liang等[8]的研究．反應(yīng)器均采用間歇進水,有效進水量10 L,水力停留時間24 h．曝氣方式為間歇曝氣,進氣量為0.4 L/min,采用電子流量計(AST10-DX,阿斯特,北京)控制,進水完成時刻記為“0”時刻,曝氣段和非曝氣段均為3 h,交替循環(huán)．

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 水質(zhì)的測定方法

1.3 N2O的采集與測定

N2O的采集方法根據(jù)已有研究基礎(chǔ)建立,具體方法參考文獻[18]．N2O質(zhì)量濃度采用氣相色譜儀(Agilent 7890A,美國)測定,氣相色譜設(shè)置參數(shù)詳見文獻[8]．N2O釋放速率和累計釋放量計算方法參考文獻[19]．

1.4 不同途徑N2O貢獻率

1.4.1 硝化和反硝化過程N2O產(chǎn)排貢獻

分別設(shè)置無抑制劑添加、添加0.1 g/L氯酸鈉、同時添加0.1 g/L氯酸鈉與0.01 g/L丙烯基硫脲3個處理組[20],分別命名為M1,M2和M3,待裝置穩(wěn)定運行后進行試驗．硝化過程和反硝化過程的N2O產(chǎn)排貢獻采用如下公式計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：CN2O為N2O釋放量,而NF和DD分別為硝化作用和反硝化作用．

1.4.2 NH2OH氧化和AOB反硝化途徑N2O釋放量

為進一步量化硝化途徑中NH2OH氧化和AOB反硝化N2O產(chǎn)排,在裝置穩(wěn)定運行后采集氣樣送樣至中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院進行同位素特征值(δ15Nbulk,δ18O)測定．同位素值采用同位素質(zhì)譜儀(IRMS,賽默飛,德國)配合痕量氣體濃縮系統(tǒng)(Delta V Plus-Precon,賽默飛,德國)測定,δ15Nbulk和δ18O的精度都在0.5‰以下．NH2OH氧化和AOB反硝化途徑對總N2O產(chǎn)量的相對貢獻采用如下公式計算[21]：

FNN=(1-FND)=(SPsample-SPND)/(SPNN-SPND)

(6)

式中：FNN為NH2OH氧化過程產(chǎn)生N2O所占比例(%);FND為AOB反硝化過程產(chǎn)生N2O所占比例(%);SP值為分子內(nèi)15N的位點偏好值(‰),其中SPNN對應(yīng)NH2OH氧化過程,SPND對應(yīng)AOB反硝化過程．SPNN和SPND分別取(33±4)‰和(-1±5.5)‰[21]．

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)通過Origin 9.1整理作圖,并由SPSS 24.0進行數(shù)據(jù)分析．所有試驗數(shù)據(jù)均采用平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差表示．對象之間的差異性分析采用One-way ANOVA(水平包括顯著p<0.05和極顯著p<0.01)．

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地運行效果

表1 濕地系統(tǒng)進水和出水水質(zhì)特征

2.2 N2O釋放量及其與污染物的關(guān)系

濕地系統(tǒng)N2O累積釋放量均在曝氣段呈上升趨勢(圖2)．進水3 h后,CW與BW的N2O釋放量出現(xiàn)明顯差異．總體來看,生物炭投加顯著降低了N2O排放;整個反應(yīng)周期內(nèi)(24 h),CW的N2O累積釋放量為18.91 mg/m2,而BW的N2O累積釋放量為12.60 mg/m2,較CW減少了33.37%．通常認為,微氧環(huán)境條件造成的不完全硝化和反硝化是人工濕地系統(tǒng)N2O釋放的主要原因．添加生物炭改善了濕地內(nèi)部DO環(huán)境,硝化作用更加徹底,減少了N2O的排放[25]．

字母A和B代表具有顯著性差異．圖2 典型周期內(nèi)N2O釋放量隨時間變化(a)和累積釋放量(b)

圖3 典型周期內(nèi)CW(a)和BW(b)中和N2O通量的動態(tài)變化

2.3 生物炭濕地中N2O減排途徑

2.3.1 硝化和反硝化過程

通過對比兩組濕地系統(tǒng)典型周期內(nèi)硝化和反硝化作用N2O釋放量可以發(fā)現(xiàn)(圖5),在反應(yīng)前期,N2O釋放主要以硝化作用為主;在反應(yīng)中期,N2O產(chǎn)生途徑則逐漸以反硝化作用為主;在反應(yīng)后期,反硝化作用表現(xiàn)出弱匯．反應(yīng)初期濕地DO和有機物充足,硝化作用占主導(dǎo)地位,隨著有機物不斷消耗,異養(yǎng)反硝化作用不完全,導(dǎo)致N2O釋放[30]．反應(yīng)后期處于非曝氣階段,部分N2O以溶解態(tài)存在,并通過反硝化作用轉(zhuǎn)化成N2,表現(xiàn)出N2O弱匯．

對比CW和BW,在曝氣段和非曝段硝化作用的N2O釋放量分別為0.33～1.83 mg/m2和0.05～0.87 mg/m2,反硝化作用的N2O釋放量分別為-0.22～2.68 mg/m2和-0.36～1.17 mg/m2．生物炭作為一種疏松多孔的富碳材料,不僅能改善濕地內(nèi)部環(huán)境條件,還能為后期異養(yǎng)反硝化作用提供碳源,促進N2O轉(zhuǎn)化為N2而被消耗[31],因此生物炭能在整個周期內(nèi)有效降低硝化和反硝化過程的N2O排放量．

圖5 濕地系統(tǒng)典型周期內(nèi)CW(a)和BW(b)不同途徑N2O釋放量

2.3.2 NH2OH氧化和AOB反硝化途徑

為進一步明確生物炭對硝化過程中N2O減排途徑的作用,采用SP值法作為反映指標(biāo),區(qū)分N2O的產(chǎn)生途徑[32-33]．圖6為CW和BW中N2O的同位素特征值(δ18O,δ15Nbulk和SP)．除19.5 h外,CW的δ18O值δ略高于BW,但無顯著差異(p>0.05)．隨著反應(yīng)的進行,15Nbulk不斷升高;15Nbulk值與δ18O的變化趨勢類似,總體來看CW的15Nbulk值高于BW．值得注意的是,生物炭濕地的SP值為2.251‰～26.273‰,顯著高于對照濕地(0.505‰～21.080‰),且曝氣段SP值顯著高于非曝氣段,說明兩組濕地N2O排放特征存在區(qū)別,曝氣段與非曝氣段的N2O產(chǎn)生機制也可能不同．

一般將δ18O和δ15Nbulk,δ18O和δαN之間斜率(k1和k2)大于1作為判別N2O還原對SP影響的依據(jù)[34-35]．?dāng)M合得到CW和BW的k1和k2均小于1,說明N2O還原對SP值影響不顯著．因此,采用SP值法可以較好地區(qū)分濕地硝化過程中NH2OH氧化和AOB反硝化途徑．

根據(jù)SP值計算N2O的產(chǎn)生途徑可以發(fā)現(xiàn)(圖7),在曝氣段,兩種濕地系統(tǒng)NH2OH氧化途徑與AOB反硝化途徑N2O累積釋放量相當(dāng),NH2OH氧化和AOB反硝化對N2O的產(chǎn)生均有重要作用;在非曝氣段,N2O釋放主要以AOB反硝化途徑為主,主要是因為低DO質(zhì)量濃度限制了NH2OH氧化．BW中NH2OH氧化和AOB反硝化的N2O累積釋放量分別為2.21,2.22 mg/m2,較CW分別減少了29.40%,47.12%．

圖7 CW(a)與BW(b)中NH2OH氧化和AOB反硝化產(chǎn)生N2O的累積釋放量變化

3 結(jié)論

2) N2O釋放主要集中在曝氣階段,在整個周期投加生物炭顯著降低了濕地N2O的釋放速率;與對照濕地相比,生物炭濕地N2O排放量減少了33.37%．

3) 投加生物炭能為后期脫氮過程提供碳源,有效降低硝化和反硝化過程中N2O的排放量,減排率分別為39.51%和67.06%,對硝化和反硝化外的其他途徑無顯著影響．

4) 在間歇曝氣人工濕地中,生物炭可以通過影響曝氣段NH2OH氧化和AOB反硝化,實現(xiàn)硝化過程N2O減排,減排率分別為29.40%和47.12%．