水平潜流芦苇人工湿地脱氮机理研究

论文摘要

人工湿地具有生态、高效、节能的特点,受到世界各国推崇,广泛应用于分散或非点源污水处理。随着对污水处理要求的提高,人工湿地也从最初主要用于处理污水中悬浮物和有机物逐渐向除磷脱氮方向发展。人工湿地有着公认的脱氮潜能,但实际运行的人工湿地脱氮效率较低,一般不超过50%。人工湿地脱氮因涉及微生物、基质（包括土壤、填料）、植物等等因素,其复杂性决定了人工湿地中氮的转换和去除机理还远不清晰。这就制约了湿地实际脱氮性能的改进。因此研究湿地生物脱氮作用的机制,特别是阐明根际微生态环境中,根系分泌物、植物、脱氮微生物三者耦合关系及调控机制,对正确预测和评估湿地脱氮效率、改进湿地脱氮性能具有重要意义。在各种人工湿地处理技术中,芦苇潜流人工湿地是应用最广的湿地类型。试验以芦苇潜流人工湿地为研究对象,人工配制以氨氮为唯一氮源的污水,探讨3种潜流人工湿地（空白湿地、芦苇湿地、根袋湿地）的运行效果,研究了湿地运行期各种污染物的沿程净化规律;采用根袋法区分湿地种根际与非根际环境,测定了芦苇根际土壤与非根际土体土壤ORP及土壤溶液中TOC的变化,检测了空白湿地与植物湿地中硝化细菌/反硝化细菌的数量与分布、湿地不同空间土壤硝化/反硝化强度;初步鉴定了芦苇根系分泌物中有机酸的类型及其对脱氮微生物性能的影响。实验结果表明:空白湿地、芦苇湿地和根袋湿地3种小型潜流人工湿地对水中污染物均有着较好的去除效果,对NH4+-N去除率分别为54.4%、77.6%和51.9%;对TN的去除率分别为56.2%、76.5%和51.8%;对TP的去除率分别为60.0%、69.5%、59.1%;对COD的去除率分别为67.5%、79.3%、76.8%。在HRT为5d,水位保持在35cm,进水C/N=5的运行条件下,空白湿地、芦苇湿地和根袋湿地对NH4+-N和TN的去除效果,分别达到了66.2%、94.2%、82.2%和67.2%、90.7%、76.1%。NH4+-N和TN去除具有沿程同步性,且在NH4+-N减少的同时,TN也有所降低,说明试验中存在同步硝化反硝化。从湿地沿程净化规律看,污染物的去除主要存在于湿地的前端,去除率达到总去除率的80～90%。根袋湿地前端的根际土壤ORP明显高于空白湿地和湿地土体土壤,差值分别为11～311mV、62～261mV,根际附近较高的氧化还原电位有利于硝化反应的进行;根际土壤与非根际土体土壤中TOC含量分别为21.3～54.6mg·L-1和6.65～12.0mg·L-1,根际附近较高的TOC含量能促进反硝化反应的顺利进行,因此试验中有植物的湿地对氮的去除要好于空白湿地。湿地中硝化强度存在明显的分层现象。芦苇湿地中上层土壤的硝化强度高于下层,沿程逐渐上升;空白湿地上层土壤硝化强度高于下层,沿程略有下降;植物根际土壤的硝化强度低于非根际土体土壤,芦苇湿地和根袋湿地硝化能力强于空白湿地,植物湿地中硝化强度与硝化细菌的空间分布之间没有明显的对应关系;反硝化强度在芦苇湿地中分层现象不明显,沿程基本不变;空白湿地中底层反硝化强度低于表层,沿程略有升高;根际土壤反硝化强度低于非根际土体土壤,3个湿地中,反硝化强度和反硝化细菌空间分布均存在较好的对应关系,其中以空白湿地的反硝化能力较高。利用高效液相色谱初步鉴定出芦苇根系分泌物含有草酸,根据试验结果和文献报导,选用草酸和柠檬酸研究根系分泌物中有机酸对湿地土壤中分离出的硝化细菌和反硝化细菌活性的影响,结果表明,培养基中添加不同弄得的草酸和柠檬酸,对硝化细菌均有抑制作用。相同培养基条件下,添加含碳量均为0.1mg·L-1草酸和柠檬酸,抑制率分别为37.5%和35.4%,且随着有机酸浓度增大,抑制率逐渐增大,当含碳量为3.0mg·L-1,抑制率增加至80.7%、85.5%。;反硝化细菌可以利用草酸和柠檬酸作为反硝化所需的碳源,培养基中添加相同含碳量的草酸和柠檬酸,C/N达到12.3,脱氮率分别为16.5%和93.0%,倾向于利用柠檬酸。根据试验结果,在芦苇湿地床人工湿地中,根际土壤ORP较高,TOC含量较多,但根际附近硝化强度较低,说明芦苇根际分泌物对硝化细菌存在一定的抑制作用,使硝化作用过程受阻;同时根际附近反硝化强度也较非根际低,不能缓解根系分泌物对硝化细菌的抑制作用,导致整个微生物脱氮途径不畅通。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 人工湿地污水处理技术的发展与应用
• 1 人工湿地的定义与分类
• 1.1 人工湿地的定义
• 1.2 人工湿地的类型
• 1.3 人工湿地的组成
• 2 人工湿地的发展与应用
• 3 人工湿地去除污染物的机理
• 3.1 人工湿地中有机物的去除
• 3.2 人工湿地中氮的去除
• 3.3 人工湿地中磷的去除
• 4 问题的提出
• 5 本课题的研究内容及意义
• 5.1 研究内容
• 5.2 研究意义
• 6 技术路线
• 参考文献
• 第二章 不同潜流人工湿地去除污染物的性能
• 1 材料与方法
• 1.1 试验装置
• 1.2 湿地运行
• 1.3 采样时间及方法
• 1.4 进水水质及测定方法
• 2 结果与分析
• 4⁺-N的去除效果'>2.1 不同湿地对NH₄⁺-N的去除效果
• 2.2 不同湿地对TN的去除效果
• 2.3 不同湿地对COD的去除效果
• 2.4 不同湿地对TP的去除效果
• 3 结论
• 参考文献
• 第三章 芦苇根际微环境对潜流人工湿地氮与COD去除性能的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 模拟人工潜流湿地系统
• 1.2 试验方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 潜流湿地对污染物的沿程去除性能
• 2.2 运行湿地中根际和非根际土壤环境差异性研究
• 3 结论
• 参考文献
• 第四章 不同潜流人工湿地土壤硝化和反硝化强度及硝化与反硝化微生物的空间分布
• 1 试验材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 硝化细菌计数方法
• 1.3 反硝化细菌计数方法
• 1.4 硝化强度试验
• 1.5 反硝化强度试验
• 2 结果与讨论
• 2.1 植物的影响
• 2.2 根际微环境的影响
• 3 结论
• 参考文献
• 第五章 芦苇根系分泌物初步鉴定及其对硝化反硝化细菌性能的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 芦苇根系分泌物中有机酸的鉴定
• 2.2 有机酸对硝化细菌的影响
• 2.3 有机酸对反硝化细菌的影响
• 3 结论
• 参考文献
• 全文结论
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢