铁铝泥对富营养化湖泊沉积物脱氮过程的影响及其机制研究

According to the strategic demands of our country regarding “ecological civilization construction” and basing on the principle of “dealing with waste by waste”, this study aims to investigate the characteristics and mechanisms of sediment denitrification in eutrophic lake with the effect of drinking water treatment residuals (DWTR) and to assess the edge effects of lake geo-engineering. The study will be carried out based on both laboratory and in situ experiments by using various physical-chemical and molecular biological techniques, including isotopic tracing and high-throughput sequencing. The change characteristics of nitrogen’s migration and transformation, the quantitative effect on sediment denitrification, the responses of microbial community, and the application of the denitrification mechanisms will be performed respectively. The final purpose of this study is to qualitative and quantitative understand the effect of DWTR on sediment denitrification, to reveal the driving mechanisms of DWTR denitrification in sediment, to obtain a microorganism-modified DWTR with the capability of simultaneous removal of phosphorus and nitrogen, and then to provide theoretic and technical supports for lake eutrophication control, promoting DWTR recycling.

本项目紧跟国家关于“生态文明建设”的战略需求，秉承“以废治废”的理念，立足于湖泊地球工程的边缘效应，系统研究给水厂铁铝泥对富营养湖泊沉积物脱氮过程影响及其机制。项目将联合室内模拟和野外原位实验，运用同位素示踪、高通量测序等物化及分子生物学技术手段，从氮归趋的变化特征、脱氮影响的定量分析、微生物群落的响应、以及脱氮机制的应用四个方面依次开展研究，以期定性定量的掌握铁铝泥对沉积物脱氮过程影响，揭示铁铝泥在沉积物中脱氮的驱动机制，获得可同步脱氮除磷的微生物改性铁铝泥，进而为湖泊富营养化治理提供理论与技术支撑，推动铁铝泥的资源化。

本项目紧跟国家关于“生态文明建设”的战略需求，秉承“以废治废”的理念，立足于湖泊地球工程的边缘效应，借用高通量测序技术、宏基因组技术、表面积全孔分析技术、同步辐射技术和化学提取等，系统研究给水厂铁铝泥（DWTR）对富营养湖泊沉积物脱氮过程影响及其机制。首先，基于批量吸附实验和底泥培养试验，系统评估了DWTR负载镧提升磷吸附能力的特征。发现当负载量为5%时，镧可在确保DWTR原有慢平衡吸附特征和安全性的前提下，显著提高DWTR对磷的快吸附能力，促进“初期快吸附-后期慢平衡”固磷特征的实现。其次，将DWTR分别作为悬浮基质和底泥覆盖材料，基于364 d连续流动实验，开展了DWTR用于天然地表水同步脱氮除磷研究。发现DWTR可保持长时间稳定磷吸附能力，并表现出积极的微生物效应，进而实现同步脱氮除磷。再次，根据DWTR产生及资源化的潜在过程，基于是三个水厂的样本，分别比较了脱水后新鲜DWTR、好氧培养180 d后DWTR和排泥水（DWTS）中微生物群落特征。发现不同水厂DWTS中的微生物群落具有显著差异。然而，脱水处理被证明趋向于降低不同DWTR微生物群落之间的异质性，连续的烘干处理进一步促进了具有多种潜在功能微生物的富集。再次，基于活性污泥接种，采用三种不同氨氮浓度进行氮功能菌富集研究，揭示了DWTR积极氮转化作用的内在驱动机制。发现氮和铁循环微生物群落之间耦合作用主导着不同氮水平下DWTR中富集的功能性微生物群落结构特征，促成了DWTR的高氮转化能力。最后，基于藻沉降培养试验，系统研究了DWTR中铁稳定机制与微生物效应。发现有机质是稳定DWTR中铁、促进DWTR中铁表现积极微生物效应的关键原因。本研究将为湖泊富营养化治理提供理论与技术支撑，推动铁铝泥的资源化。