造纸废水灌溉对黄河三角洲盐渍化湿地的影响研究

论文摘要

黄河三角洲具有大面积的滨海荒碱地、浅海和滩涂,面临着如盐渍化土地内扩、潮间带湿地萎缩和退化等危机,是典型的生态脆弱区。本文以黄河三角洲沾化县某湿地废水处理系统为例,利用造纸废水生物塘出水构建芦苇湿地处理系统,通过对废水、土壤（0-30cm）和芦苇的定期采样与室内分析,统计分析,和模拟实验等手段,开展了生物塘-芦苇湿地复合系统对造纸废水污染物的去除规律,及废水灌溉对盐碱化土壤的生态、生物及理化指标的修复研究。主要研究结果如下:（1）生物塘-芦苇湿地系统能有效去除造纸废水污染物复合系统能有效去除废水中有机物、氮、磷、硫酸盐,但受气温和灌溉模式影响明显。塘、芦苇系统对COD累积去除率为48%和31.5%;塘系统对TP、TN去除率为23.94%和21.10%,湿地对氮磷去除率为22.33%和21.11%,以w4、w1效果较好。塘系统对SO42-去除率为56.63%,湿地中w3去除率最高（40.24%）。（2）废水灌溉能有效降低湿地土壤盐分废水洗脱是土壤脱盐的主要动力,灌溉对土壤Cl-、Na+洗脱率分别占其总去除量的93.27%和96.05%,而植物吸收分别占6.12%和3.59%。与w0比,灌后土壤Cl-、Na+、可溶盐最大洗脱率分别为52.38%、46.57%和34.97%,这是保证生态系统修复成功的前提。气温、降雨和灌溉方式对洗脱效果有影响,洗脱时间越长,降雨量越大,土壤盐分下降越明显。但灌溉方式变化引起的土壤降盐效果差异不显著,对Cl-、Na+及土壤盐去除率最高的灌溉方式分别为w1、w2和w4,并不一致。废水灌溉还能有效降低芦苇内氯、钠含量。灌后芦苇内氯、钠含量分别比未灌溉w0下降了41.18-69.6%和29.9%-56.1%。从试验结果来看,各灌溉处理中以w4、w1综合脱盐效果最好。（3）废水灌溉能有效改善湿地生态系统结构和功能废水灌溉能提高湿地土壤氮、磷和有机质含量,灌后分别是w0的1.47、1.13和1.29倍,这使得反映土壤生物结构和功能的MBC/TOC和土壤呼吸强度均增加,平均值分别为w0的1.69和1.2倍,且w4、w1表现出较好的微生物活性。而对土壤造成危害的土壤硫酸根,灌后比w0下降了62.03%,以w3下降最明显。废水灌溉解除了芦苇缺水和盐分胁迫,微生物活性提高也增强了土壤养分的有效性,芦苇生长状况改善,株内平均氮磷含量分别是w0的1.16和1.44倍,平均株高比w0高6.34-11.01%,平均干生物量是w0的1.25倍（若8月收割,则为1.93倍）,而且灌后芦苇内硫含量升高,增强了对土壤硫的吸收去除。废水灌溉会减少湿地内植物多样性,杂草平均生物量仅为w0的52.18%,但对整个湿地系统而言,生物多样性包括土壤生物、动物（特别是鸟类）是增加的。（4）废水灌溉能提高湿地微生物和湿地酶活性废水灌溉后,土壤、植物根系和微生物形成了一个微生态系统。和w0相比,湿地微生物和酶数量均有提高,直接结果就是带来生物多样性的提高,对废水降解能力的增强,和湿地生态系统的修复。微生物和酶活性受气温、有机质和土壤供氧的影响,灌溉使细菌、纤维素分解菌、反硝化菌（DB）、特别是硫酸盐还原菌（SRB,最高为w0的3.24倍）等缺氧和厌氧性微生物增多;但放线菌和真菌增加不明显,甚至受轻微抑制。w0除放线菌和真菌水平较高外,其他微生物及酶含量均低于灌溉样地。灌溉方式也会间接影响有机质和供氧。w1和w4营养和供氧较好,其细菌、放线菌、真菌数量也较多,但SRB、DB数量较低;w1脱氢酶、磷酸酶、蔗糖酶、脲酶最高（分别为w0的3.28、1.69、2.14和1.50倍）,其次是w4、w2和w3。生态因子的改善,提高了湿地系统去除污染物的功能,实验表明:土壤微生物和酶与废水污染物去除率之间存在正相关,表现为:纤维素菌数量、纤维素酶、脱氢酶和蔗糖酶与废水COD去除率;反硝化菌数量与土壤脱氮;脲酶与废水TN去除率;磷酸酶与废水总磷去除率呈显著正相关。根据酶学、土壤微生物活性等指标确定w1为最优废水灌溉模式;其次为w4,考虑到w4对造纸废水处理及土壤脱盐的有效性,也是一种较好的推荐灌溉工艺。（5）废水灌溉对系统金属离子迁移的影响微量金属离子大多是生物生长的必需元素,在湿地内会被微生物、植物、动物利用或者被吸附固定;实验表明:和w0相比,灌后土壤和芦苇内锌、锰含量有较大升高,但锰离子迁移能力比锌稍差;土壤、芦苇内铜、铬没有产生明显富集。钙、镁、钾是芦苇生长必需元素,既能促进土壤钠离子的洗脱,还能增加芦苇细胞内水势,增强抗旱、抗盐能力。和w0相比,灌后土壤Mg和K分别提高了3.93%和16.05%,钙没有明显变化。灌后芦苇穗、茎、根内K、Mg含量均小于w0;穗内Ca小于w0,叶内持平,而根、茎内高于w0,这表明,灌溉解除了干旱和盐分胁迫,使这些离子迁移到地上芦苇顶部的能力减弱。K对增加植株细胞水势作用明显,w0穗、叶、茎内K比灌溉处理分别高出17.94%、4.32%和3.04%,但根内K却比灌溉低3.27%。这说明,在受水分和盐分胁迫时,w0中K、Mg会沿着根-茎-叶-穗流动,并在穗内超量积累,以提高水势,抵抗缺水,而且K、Mg的转移能力要比Ca强。（6）湿地土壤代谢分泌物与抗盐碱胁迫机制对土壤内代谢产物类别和含量动态变化的研究能揭示根际微生态状况和抗盐碱的机理。液相色谱图表明:土壤提取液色谱中都有脯氨酸优势峰,9、11月份样品中还发现可能为草酸和丁二酸的峰。说明在抗胁迫机制中,脯氨酸、草酸都起着重要的作用。一般系统受胁迫越严重,脯氨酸含量越高（如w0、w4）,而灌溉减小了胁迫强度,因此连续灌溉后样品中脯氨酸含量有所降低（如w1、w2、w3）。研究还发现:10-11月份虽然受低温、干旱、盐分胁迫严重,但并未刺激脯氨酸的产生和积累,这是因为w0芦苇部分死亡,微生物活性也受影响的原因。这表明脯氨酸主要是由芦苇分泌的。土壤中pro的垂直分布特征是上层>中层>下层。总之,经过对生物塘-芦苇湿地系统处理造纸废水的研究,发现系统能有效去除废水中有机物,同时废水灌溉还极大的降低了土壤盐分,产生了一系列积极效应:系统内氮、磷、有机质增加;土壤微生物和酶活性增强;MBC/TOC及土壤呼吸强度提高;芦苇株高和产量增加,而杂草的多样性减少;同时也会影响系统内钙、镁、钾、锌、锰等离子迁移,改变系统受盐碱和缺水胁迫的现状和根际代谢状况,极大地改善了滨海盐碱生态系统现状。但修复程度也受到气温、降雨、营养和土壤供气等直接因素和灌溉方式等间接因素的影响,综合比较确定w1和w4为推荐灌溉模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0. 前言
• 1. 文献综述
• 1.1 黄河三角洲生态现状分析
• 1.1.1 黄河三角洲湿地概况
• 1.1.2 黄河三角洲生态植被演替规律
• 1.1.3 黄河三角洲生态植被分布特征
• 1.2 生物塘-芦苇湿地用于废水处理的研究进展
• 1.2.1 湿地污水处理技术的发展
• 1.2.2 湿地对废水中氮磷去除机制研究进展
• 1.2.3 湿地对废水中重金属去除的研究进展
• 1.3 废水灌溉对滨海土壤降渍压盐的效应分析
• 1.3.1 黄河三角洲水土盐现状与分布特征
• 1.3.2 黄河三角洲土壤盐碱化特点
• 1.3.3 灌溉对土壤盐渍化程度的影响
• 1.4 芦苇湿地微生物和基质酶研究进展
• 1.4.1 芦苇湿地微生物的研究进展
• 1.4.2 芦苇湿地酶的研究进展
• 1.4.3 芦苇湿地微生物和酶与废水净化的关系
• 1.5 芦苇湿地生态过程与生态修复研究
• 1.5.1 湿地根区好氧/厌氧界面形成及作用
• 1.5.2 湿地土壤碳循环生态过程及修复
• 1.5.3 湿地内氮循环生态过程及修复
• 1.5.4 湿地内磷循环生态过程及修复
• 1.5.5 芦苇湿地其他生态功能及指标的相关变化
• 1.6 湿地基质代谢产物分析研究
• 1.6.1 湿地土壤有机酸的代谢研究
• 1.6.2 湿地土壤胁迫条件下游离脯氨酸的代谢分析
• 1.7 实验区自然地理及课题研究概况
• 1.7.1 实验区相关自然地理状况
• 1.7.2 课题研究内容
• 1.7.3 课题技术路线
• 2. 废水灌溉后湿地对造纸废水的处理效果
• 2.1 引言
• 2.2 实验设计与方法
• 2.2.1 实验系统设计及运行
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 实验设备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 系统对废水TS、VS 的去除情况
• 2.3.2 复合系统对废水COD 去除情况分析
• 2.3.3 湿地系统对废水BOD5 的去除情况
• 2.3.4 复合系统对TN、TP 的去除情况
• 2.3.5 废水中氯离子、硫酸根的变化分析
• 2.4 本章小结
• 2.4.1 复合系统对废水处理效果
• 2.4.2 对复合废水处理系统的说明
• 3. 废水灌溉对湿地系统盐分去除的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 土壤采样及预处理
• 3.2.2 植物采样及预处理
• 3.2.3 测定方法
• 3.2.4 主要仪器
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 构建湿地前芦苇土壤及植物的背景值
• +及可溶性盐含量的影响'>3.3.2 灌溉参数对土壤Cl-、Na⁺及可溶性盐含量的影响
• 3.3.3 灌溉过程中芦苇植株内Cl、Na 的迁移变化
• 3.3.4 湿地内氯、钠离子的物质平衡分析
• 3.4 本章小结
• 4 废水灌溉对湿地系统结构和功能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 测定方法
• 4.2.1 待测样品的采集与前处理
• 4.2.2 指标测定方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 系统氮磷含量的动态变化
• 4.3.2 造纸废水灌溉对土壤有机质的效应
• 4.3.3 造纸废水灌溉对土壤生物活性的效应
• 4.3.4 造纸废水灌溉对系统硫酸根的影响
• 4.3.5 造纸废水灌溉对芦苇株高、生物量的影响
• 4.3.6 废水灌溉对湿地内植物种类及数量的影响
• 4.3.7 基质微生物的数量及分布
• 4.3.8 湿地基质微生物生理群与污染物去除相关性分析
• 4.3.9 湿地酶活性动态变化测定
• 4.3.10 湿地酶活性变化与造纸废水污染物去除率相关性分析
• 4.3.11 对不同造纸废水灌溉芦苇湿地处理工艺的综合评价
• 4.4 本章小结
• 5. 废水灌溉对湿地系统内主要离子迁移的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 锌、锰离子迁移
• 5.3.2 铜、铬离子在系统内的迁移
• 5.3.3 不同灌溉条件下芦苇湿地内钙镁钾离子的变化特征
• 5.4 本章小结
• 6. 废水灌溉对湿地内根际代谢物的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 标准样配制方法
• 6.2.2 色谱条件
• 6.2.3 土壤样品的处理方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 有机酸（氨基酸）标样的色谱图
• 6.3.2 风干土壤样品有机酸及Pro 的测定
• 6.3.3 湿地土壤提取液内pro 定性与定量化研究
• 6.3.4 芦苇盐碱土壤及湿地抗胁迫机制的探索
• 6.4 本章小结
• 7. 结论
• 7.1 生物塘-芦苇湿地系统对废水的处理效果
• 7.2 对于湿地土壤灌溉脱盐的影响分析
• 7.3 灌溉对芦苇湿地土壤生态指标的改善
• 7.4 灌溉能提高湿地微生物和酶活性
• 7.5 灌溉后的系统金属离子的迁移变化
• 7.6 对湿地土壤提取液代谢分泌物的研究
• 7.7 研究结论与创新点
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及发表的学术论文