水平潛流人工濕地氮循環(huán)微生物效應(yīng)及生態(tài)模型研究.pdf

1、本文以水平潛流蘆葦?shù)[石床人工濕地系統(tǒng)為研究對象，以防治水污染為目的，開展了以下研究內(nèi)容：水平潛流濕地氮去除速率及主控因素分析；水平潛流濕地氮形態(tài)分布及轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究；水平潛流濕地氮轉(zhuǎn)化微生物沿程分布和種群分析；水平潛流人工濕地總細(xì)菌及氨氧化細(xì)菌多樣性研究；特征脫氮菌種篩選、鑒定及生理生化特性分析；水平潛流濕地氮循環(huán)生態(tài)動力學(xué)模型研究。得出主要研究結(jié)論如下：
　　(1)在平均水力停留時間3.85h的條件下，通過對水平潛流人工濕地氮素

2、去除效率分析，水平潛流人工濕地系統(tǒng)表現(xiàn)出一定的除污能力，進(jìn)水COD、NH4+-N、NO3--N、Org-N和TN濃度為分別7.8~12.7mg·L-1、0.05~15.0mg·L-1、1.3~5.2mg·L-1、0.66~5.18mg·L-1、2.2~20.0mg·L-1，蘆葦?shù)[石床系統(tǒng)的年平均去除率為25.8％、10.0%、42%、31.2%和18.9%。季節(jié)變化對污染組分的去除效率影響非常顯著，在寒季系統(tǒng)對COD、NH4+-N、NO

3、3--N、Org-N和TN的去除效率有所下降，各組分的平均去除率約為11.2%、6.5%、31.0%、20.5%和15%左右。
　　(2)季節(jié)變化對溫度和污染負(fù)荷率兩個因子的影響顯著。進(jìn)水溫度在0.9~24.8℃之間變化時，各形態(tài)氮素的體積去除速率常數(shù)Kv與溫度呈正相關(guān)，NH4+-N、NO3--N、Org-N和TN的Kv值分別為0.01~0.2d-1、0.03~0.3d-1、0.07~0.3d-1和0.02~0.15d-1；溫度在

4、20℃時的體積去除速率常數(shù)Kv20分別為0.0769、0.1673、0.1508和0.0732 d-1，說明該濕地系統(tǒng)對NO3--N、Org-N的消減速率較NH4+-N大。NH4+-N和Org-N的去除速率與負(fù)荷率呈對數(shù)正相關(guān)，當(dāng)NH4+-N的負(fù)荷率為15gN·m-2·d-1時，其最大去除速率為1.02gN·m-2·d-1；當(dāng)Org-N的負(fù)荷率為3.2gN·m-2·d-1時，其最大去除速率可達(dá)到0.36gN·m-2·d-1。
　　

5、(3)通過對16項進(jìn)出水理化指標(biāo)的主因素分析，確立了5個主因素，主因素1與進(jìn)出水溫度呈負(fù)相關(guān)，關(guān)系相對最為密切；主因素2和3分別與濕地進(jìn)水NO3--N和NH4+-N負(fù)荷呈正相關(guān)；主因素4和5分別與進(jìn)水DO和ORP關(guān)系最為密切，且均呈負(fù)相關(guān)。在16項進(jìn)出水指標(biāo)的分析中主因素的排列順序是：溫度>NO3--N負(fù)荷>NH4+-N負(fù)荷>DO>ORP，與5項出水指標(biāo)主因素分析排列順序略有不同，其主要原因是人工濕地作為一個獨立的生態(tài)系統(tǒng)，影響因素比較

6、復(fù)雜、具有不確定性，但溫度作為主要的影響因素地位明顯高于其它因素。
　　(4)比較了根際與非根際的硝化/反硝化強度及呼吸作用強度，研究發(fā)現(xiàn)根際效應(yīng)顯著強于非根際。通過對氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌等四種脫氮種群的研究發(fā)現(xiàn)，氨化細(xì)菌的數(shù)量級在108~1010cfu之間，其沿濕地空間位置(長度)數(shù)量分布無規(guī)律性變化；亞硝化細(xì)菌的數(shù)量級在103~107MPN之間，從濕地進(jìn)水端至尾端亞硝化細(xì)菌的數(shù)量逐漸減少，尤其在暖季變化顯

7、著；硝化細(xì)菌的數(shù)量級在105~107MPN之間，其分布無顯著變化，暖季時硝化細(xì)菌的數(shù)量是前端、中部高于尾端；反硝化細(xì)菌的數(shù)量級在104~107MPN之間，濕地系統(tǒng)尾端數(shù)量略高于前端。
　　(5)運用PCR-DGGE技術(shù)，比較真實的反應(yīng)了水平潛流人工濕地系統(tǒng)中微生物種群結(jié)構(gòu)及分布特征。水平潛流人工濕地中微生物種群多樣性隨著水流方向呈現(xiàn)先逐漸減少的趨勢。通過濕地系統(tǒng)沿程 COD與 Shannon指數(shù)相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)蘆葦?shù)[石系統(tǒng)沿程 C

8、OD變化與 Shannon指數(shù)相關(guān)性較好，不同季節(jié)濕地系統(tǒng)中微生物多樣性的空間分布特征對處理有機物效能存在差異。對氨氧化菌群落結(jié)構(gòu)多樣性的研究表明:不同季節(jié)水平潛流人工濕地中氨氧化菌的時空變化顯著，并分析得出了濕地系統(tǒng)的優(yōu)勢氨氧化菌種，可為系統(tǒng)氨氮去除途徑的分析提供微生物學(xué)標(biāo)識。
　　(6)篩選出9株反硝化細(xì)菌均具有一定的脫氮能力，脫氮反應(yīng)主要發(fā)生在菌體生長的對數(shù)生長期，脫氮速率隨著生物量的增加逐漸加快。脫氮能力對比結(jié)果顯示菌株D

9、F2和DF3脫氮效率最高，均能在72h內(nèi)將90%的TN去除，最終脫氮率維持在95%左右。特別重點考察了菌株DF2的脫氮特性，利用16SrDNA技術(shù)對菌株DF2進(jìn)行了鑒定，通過與參比菌株的比較，確定了該菌株的系統(tǒng)發(fā)育地位，結(jié)果表明該菌株位于德克斯氏菌屬，至今未發(fā)現(xiàn)類似的報道。
　　(7)水平潛流人工濕地系統(tǒng)硝化與反硝化作用是氮元素轉(zhuǎn)化的主要途徑之一，其速率分別達(dá)到了0.791gN·m-2·d-1和0.823gN·m-2·d-1；其次