论文摘要
随着氮素污染的加剧和人们环境意识的增强,废水脱氮技术已引起世界各国的普遍关注。传统的废水脱氮技术大多存在诸如脱氮效率低、能耗大、基建投资高等缺点。近年来,国内外研究者积极开展高效脱氮“人工处理与自然处理并行”的生物―生态型废水处理新工艺的研发,其中生态土壤系统受到广泛关注。虽然在填料选择、系统设计、作物筛选及过程模拟等方面开展了大量的工作,但对于系统氮循环的动力学模型、N2O通量与氮素去除的相关性以及一些反应过程的机理还不太明确,需要进一步细致的研究。此外,生态土壤系统在实际运行的稳定性、可靠性及处理效率等方面还有待提高。本论文系统地研究了氮素的动力学行为、氨氧化菌分布特性及N2O通量。对比了芦苇、茭白和香蒲的栽种方式对系统污染物处理效能的影响,分析了N2O的产生机理及与氮素去除的相关性,建立了氮循环四维动力系统模型,并应用于生态土壤系统的设计和运行管理。在此基础上,建成了一定处理规模的生态土壤生活污水处理示范工程,并对其处理效能进行了考察。小试研究基质采用砾石和河沙,结果表明,植物生长期的TN去除率:单独栽种,芦苇床>茭白床和香蒲床;混栽情况下,P1（香蒲、茭白、芦苇）床>P3（茭白、芦苇）床>P2（香蒲、芦苇）床。植物床脱氮效率高于无植物床。芦苇床的氮循环过程研究结果表明,微生物作用是系统脱氮的主要途径,氮循环过程存在明显的季节差异:植物枯萎期,53%～80%的氮流出系统,植物生长期,进水所有形态的氮都参与了循环过程。数值模拟也有类似的变化趋势。N2O通量研究表明,生态土壤系统N2O排放通量受到季节、植物种类及栽种方式和进水负荷变化的影响。N2O-N转化率在0.2%～1.26%范围,对脱氮效率的贡献很小。比较单独栽种植物床,茭白床N2O排放量最大,排放峰值为2.2mg/m2/h。水生植物生长期,N2O排放量与进水负荷呈显著正相关。比较三种混栽系统,N2O年均排放通量的顺序为P1（香蒲、茭白、芦苇）床>P3（茭白、芦苇）床>P2（香蒲、芦苇）床。这表明茭白能够刺激N2O的排放。为了优化生态土壤污水处理技术,本研究运用多元线性回归手段,建立生态土壤系统的N2O通量预报模型。结果表明,混栽生态土壤系统模型拟合程度较好,所得的回归方程能够用来预报。在控制N2O排放方面,水温、系统排水量、水生植物种类、出水NH4+-N和TN浓度是生态土壤系统N2O通量的显著相关因子。FISH实验结果表明,植物生长期,氨氧化菌（AOB）主要分布在植物根区,数量是枯萎期的10～30倍。生态土壤系统ORP研究表明,系统表层ORP值较大,处于好氧状态,但是NH4+-N含量低,这是表层AOB数量少的重要原因。潜流式生态土壤系统在植物根区之下的基质部分缺少氧气,使得该区厌氧微生物活跃,不利于AOB的生长和增值,故而根区以下AOB数量呈递减趋势。可见,环境因素诸如ORP值和NH4+-N浓度影响AOB在生态土壤系统基质中的分布。而植物根系的发达状况对释氧能力影响很大,同时影响了AOB的空间分布。无植物床AOB数量明显低于植物床。生态土壤系统进水负荷低时,单独栽种和混栽系统,茭白的根际效应对AOB的影响均强于芦苇和香蒲,表明茭白根际环境更有利于AOB的生长,从而刺激硝化反应。生态土壤系统AOB的空间分布特性与系统N2O排放量结果相呼应,说明硝化作用可能对于N2O产生起到关键作用。现场示范工程以小试研究结果为依据,构建土壤–微生物–植物生态土壤系统处理太湖流域分散型村镇生活污水。为提高系统的复氧效率,采用的方法主要有三种:一,确立最佳渗滤介质配比。根据实地情况,选用河沙、炭化稻壳、炉渣、堆肥作为太湖夜潮土改良材料,并按一定的比例填充到生态土壤装置中,以改善土壤的通气透水性,得到适当的渗透速率和良好的团粒结构,为微生物提供有利的生存环境;二,利用植物的根系对系统内部进行复氧。在实际应用中,根据效果成本最优化原则,或混栽或单独栽种当地农作物,四季长青;三,采用竖管复氧的方式。示范工程采用地埋式结构,在布水管和集水管末端,与之水平的方向上设置导气管,通过导气管与地表相通,由自然供气复氧。现场示范工程的运行结果表明,BOD5、TN、TP和SS去除率分别为96%、78.6%、91.9%和97.5%以上,每年削减氮污染物:1.098×103 kg;磷污染物:69 kg。出水AGP试验表明,某污水处理厂出水的羊角月牙藻最大增值潜能高于本研究示范工程出水,说明生态工程处理系统对于预防水体藻类爆发具有优势。本研究采用分散规划的方法,构建地埋式生态土壤系统就地处理生活污水,是一项高效、低成本和免管理的生态处理工艺。此工艺的研究将大幅度提高农村生活污水处理的进程。对于合理设计和推广生态土壤系统在不同地区和条件下的应用具有重要的示范效应和借鉴价值。