最新研究進展——2011年上半年，我國科學家在國際頂級農林與環境科學領域期刊上發表文章的精選

最新研究進展
——2011年上半年，我國科學家在國際頂級農林與環境科學領域期刊上發表文章的精選

利用污泥堿性發酵液減少厭氧-好氧生物污水處理工藝的N2O和NO生成

陳銀廣 教授 同濟大學環境工程學院

我們報道了一種有效減少厭氧-好氧（低溶氧）工藝的N2O和NO生成的方法。與文獻報道乙酸等傳統碳源相比，利用活性污泥堿性發酵液作為模擬污水的碳源可以將N2O和NO的生成量分別減少68.7%和50.0%，并同時提高了總磷和總氮的脫除率。低溶氧階段會產生N2O和NO，利用污泥發酵液可以顯著減少由反硝化作用產生的N2O和NO。研究發現發酵液中的Cu2+和丙酸在減少N2O和NO產生中起重要的作用。反硝化酶活性分析表明發酵液引起亞硝酸鹽還原酶活性/NO還原酶活性的比例及NO還原酶活性/N2O還原酶活性的比例顯著地減少，這導致NO和N2O產生較少。熒光原位雜交分析表明在污泥發酵液反應器中與N2O產生相關的糖原累積細菌數量比乙酸反應器中低很多。編碼N2O還原酶的nosZ基因的定量檢測顯示使用發酵液提高了具有將N2O還原為N2能力細菌的數量。最后，我們證實利用污泥發酵液減少厭氧-低溶氧處理工藝的NO和N2O產生的方法可被用于城市污水處理。

——摘自《ENVIRON SCI TECHNOL》

圖1、厭氧-好氧處理工藝流程示意圖

表1、分批實驗中，污泥發酵液的主要有機物和Cu2+對NO和N2O產生的影響

短水力停留時間中溫消化污泥中的胞外生物有機物

趙慶良 教授 哈爾濱工業大學市政環境工程學院

實踐中，人們傾向于選擇在短水力停留時間的操作條件下進行厭氧消化。我們對短水力停留時間下運行的實驗室規模的中溫消化污泥中胞外生物有機物和懸浮有機物進行分析，水力停留時間被設為20、15和10天。親水性和疏水性酸組分是污泥胞外生物有機物的主要組成部分。當水力停留時間為10天時，厭氧過程的限制性因素為與胞外生物有機物有關的疏水性酸的水解率。而當水力停留時間為20天時，限制性因素變為與懸浮物中蛋白相關的親水性酸的水解率。當水力停留時間為20天時，提高水溶性親水有機物水解有助于提高消化反應器的性能。為了縮短消化段的水力停留時間必需提高親水性酸組分水解的效率。

——摘自《WATER RES》

圖2、連續攪拌厭氧反應器工藝流程示意圖

尿液中多環芳香族碳氫化合物的代謝物和精子DNA損傷的聯系：中國重慶地區人口的研究

曹佳 教授 第三軍醫大學軍事預防醫學院

多環芳烴是一類最常見的環境污染物，可能影響男性生殖功能，但相關問題的人群研究卻很有限。我們設計一項研究，旨在揭示男性人群中多環烴的環境暴露是否會影響精液質量、造成精子DNA損傷和精子細胞凋亡等問題。我們取得了中國重慶地區232名男性樣本，測量了尿液中四種多環芳烴代謝產物的水平，并分析精子質量，AnnexinV法檢測精子凋亡，彗星電泳法分析精子DNA損傷情況。我們發現尿液中2-羥基萘水平上升與彗星參數上升有關，這些參數包括尾部DNA的比例、尾的長度和尾的分布。尿液中1-羥基芘的水平僅與尾部DNA的比例有關。另外，尿液中四種多環芳烴水平的上升與AnnexinV的負精子計數下降之間存在顯著的聯系。然而，尿液中多環芳烴水平和人精液參數或精子形態之間無明顯聯系。我們研究數據顯示環境多環芳烴暴露的水平與精子DNA損傷上升有關，但與精液質量無關。這些發現表明暴露在多環芳烴下可能會擾亂精子DNA，因此會影響男性的生育能力。

——摘自《ENVIRON HEALTH PERSP》

SBA-ANAMMOX工藝強化醫藥廠廢水的氮脫除

鄭平 教授 浙江大學環境與資源學院

圖3、水力停留時間為16小時，二號反應器在第二階段（SRB-ANAMMOX工藝建立，42-76天）和第三階段（氨濃度提高，77-170天）的性能表現

有效生物氮脫除是醫藥廠廢水處理的關鍵。我們利用厭氧氨氧化（AnaerobicAmmoniumOxidation，ANAMMOX）工藝處理生產硫酸粘桿菌素和吉他霉素的廢水。基于發光細菌和明亮發光細菌（T3突變）的細胞毒性分析表明醫藥廠廢水包含幾種相對光度為3.46% +/- 0.45%的毒素。在長期運行過程中，廢水中有毒污染物的累積毒性導致傳統ANAMMOX工藝的崩潰。我們將高效ANAMMOX反應器與序次生物催化劑（ANAMMOX顆粒）相結合開發出新型ANAMMOX工藝（SequentialbiocatalystadditionANMMOX，SBA-ANMMOX）。生物催化劑的添加速率為0.025gVSS/L·d，該工藝處理醫藥廠廢水的氮脫除率高達9.4kg/Nm3·d。出水的氨濃度低于50mg/L，符合中國醫藥廠廢水處理標準（GB 21903-2008）。SBA-ANAMMOX在富氨廢水處理的方面具有潛在的應用價值。

——摘自《WATER RES》

CFD模型優化全尺寸氧化溝的能量消耗和出水質量

楊家寬 教授 華中科技大學環境科學與工程學院

氧化溝的操作條件顯著影響能量消耗和污水處理廠的出水質量。基于計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）模型，我們提出了一個經實驗驗證的數學工具用于優化操作條件，主要考慮了兩個重要因素：流場和溶氧濃度分布。該模型可以預測裝備表面曝氣機和淹沒式葉輪的氧化溝的流態和氧氣傳質特點。在中國河南省平頂山市污水處理廠的兩個全尺寸Carrousel氧化溝對原操作條件和優化條件進行了性能測試和比較。我們設計了一個移動墻模型和一個扇模型分別用于模擬表面曝氣機和淹沒式葉輪。單位分析法預測溝內氧傳質。在暴氣區域，表面曝氣機被設為溶氧的來源。在直槽中，修正SOD-DO模型模擬氧氣消耗。我們得到了以下結果：（1）CFD模型表征全尺寸氧化溝的流態和溶氧濃度。預測流場值與實測值的差值為1.98+/- 4.28%，預測溶氧濃度值與測量值之間差值為-4.71+/- 4.15%。（2）表面曝氣機應該移至距曲線彎入口15m處，以減少由曲線彎墻處強烈撞擊引起的能量損耗。（3）在優化操作條件下，氧化溝內的溶氧濃度梯度更適于同步消化和反硝化。

圖4、氧化溝結構示意圖

圖5、兩個操作條件下氧化溝水平剖面的流態，a原操作條件，b優化操作條件

——摘自《WATER RES》

水田中地表水和土壤的溶解性有機碳和溶解性氮對CO2富集的響應

張衛建 研究員 中國農業科學院作物科學所

日益增加的證據表明，溶解性有機物在C和N由陸地生態系統向周圍水生態系統流失的過程中起主要作用，并對CO2富集異常敏感。然而，至今仍缺乏生態系統尺度下CO2對溶解性有機物影響的直接證據，尤其在濕地系統中。因此，我們同時調查了華東水田地表水和土層中溶解性有機碳含量和溶解性氮含量。CO2水平上升顯著增加了地表水中溶解性有機碳和溶解性氮的含量，平均分別為18.0%和14.3%。CO2水平上升也增加了土壤中溶解性有機碳的含量，但降低了溶解性氮的含量。0-1cm土層的土壤-水界面的溶解性有機碳和溶解性氮的含量比5-15cm土層的平均分別高22.4%和47.5%。此外，土壤孔隙中水比地表水含有更高的溶解性有機碳和溶解性氮。由于水稻種植地區的復雜的排水體系和暴雨徑流，基于預測氣候模式，地表水中CO2引起的溶解性有機碳和溶解性氮的含量上升可能導致C和N從水田流失至周邊水生態系統。

——摘自《AGR ECOSYST ENVIRON》

Acidithiobacillusferrooxidans培養中Cl離子馴化對氧氫氧化鐵和細胞形態的影響

郭榮 教授 揚州大學化學化工學院

Acidithiobacillusferrooxidans是一種非常重要的用于生物浸礦和煤脫硫的化能自養菌，在A. ferrooxidans存在的富鐵酸性硫酸鹽廢水中，氧氫氧化鐵因其可有效清理重金屬而被廣泛的研究。我們研究了固定相中細胞的形態和元素組成。并且，在有/無0.2M Cl離子（NaCl/ FeCl2）的條件下，研究了A. ferrooxidans在含0.15M鐵離子的改進9K培養基上培養所產生的氧氫氧化鐵的動力學變化。研究結果顯示，細胞形態和元素攝取受Cl離子馴化的影響很小，而主要與培養基有關。進而，在細菌培養最適pH值范圍內（2.9+/- 0.1to2.6+/- 0.1），典型斯沃特曼礦物首先沉淀出來。由于成功地降低了pH值，部分斯沃特曼礦物可以轉化為菱形黃鉀鐵礬。然而，與高濃度硫酸鹽培養相比，在低硫酸鹽和高Cl離子濃度的培養過程中，黃鉀鐵礬出現在第5-4天的停滯期，這可能的原因是硫酸鹽攝取受到影響和出現Cl離子適應期。

——摘自《ENVIRON SCI TECHNOL》

圖6、a固定相細胞形態的場發射環境掃描電子顯微鏡圖像，b場發射環境掃描電子顯微鏡檢測細胞的對應能量色散譜

伴隨氧腐蝕納米級零價鐵的亞砜和三價砷的氧化中高鐵離子自由基（Fe4+）在Fenton反應中作為活性中間體的證據

馬軍 教授 哈爾濱工業大學市政環境工程學院

先前的研究表明氧氣通過Fenton反應腐蝕零價鐵，可導致多種有機和無機化合物氧化。然而，該過程氧化劑的本質是高鐵離子自由基，還是羥自由基，仍然是一個有爭議的問題。在這里，我們重新評估了在空氣飽和水中納米級零價鐵氧化過程中這兩種氧化劑的相對重要性及其在三價砷氧化中的作用。研究顯示，Fe4+可以通過兩個電子轉移步驟與亞砜類物質（如二甲基亞砜，甲基苯基亞砜，甲基-P-甲苯亞砜等）反應生成相對應的砜，這與羥自由基參與反應的生成產物明顯不同。利用這些亞砜作為探針化合物，在寬pH范圍內納米級零價鐵氧化體系羥自由基不能產生砜類產物，氧化產物的組成表明支持了Fe4+參與反應的觀點。在空氣飽和水中，三價砷可以完全或部分被納米級零價鐵體系氧化。在酸性pH下，增加液相的高鐵離子自由基和/或羥自由基的清除劑可以淬滅三價砷氧化，但當pH升高時該方法卻不起作用，這表明在近中性條件下錯雜鐵表面反應對于三價砷氧化的重要性。

——摘自《ENVIRON SCI TECHNOL》