（环境科学专业论文）补充植物碳源对人工湿地脱氮作用的影响.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 函 壹p 。缉。易月口l 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 筠壹。绰。占月0 2 ，日 1 1 研究背景 1 1 1 引言 第一章绪论 水是人类赖以生存的自然资源，它滋润万物、哺育生命、创造文明，是地球 上一切生命赖以生存、人类生活和生产必不可少的基本物质。水覆盖地球表面 积的7 0 8 ，地球上的水总储量约为1 4 ，0 0 0 亿m 3 ，淡水占地球总水量的3 ， 而便于人们取用的淡水只占地球总水量的o 2 左右。因此，淡水是一种极为有 限的资源，水资源的可持续利用是经济和社会可持续发展极为重要的保证【l ，2 】。 随着人类社会的进步，人们对水资源的需求日益增长，然而养育人类的河流、 湖泊却遭受着污染与破坏。全世界每年排入水体的工业废水和生活污水达5 0 0 0 亿吨以上，造成了河流、湖泊的严重污染【3 j 。世界上许多国家和地区的淡水水体， 如美国的密西西比河和五大湖、俄罗斯的伏尔加河和乌拉尔河、英国的泰晤士河 等都遭受了破坏性污染，造成了周边环境的恶化和许多生物绝迹【4 5 6 】。 目前，我国的水环境问题十分严峻。一方面点源污染没有得到有效控制， 2 0 0 1 年，全国工业废水排放量为2 0 0 7 亿吨，城镇生活污水2 2 7 7 亿吨，而全国 污水处理率只有3 4 3 ，大量未经处理的废污水进入河流、水库、湖泊1 7 j ；另一 方面农业面源、城市面源污染加剧，导致河流、湖泊等水体富营养化加剧，据 调查显示，我国农业面源对河流、湖泊所产生的污染已经超过点源的污染量【8 ，9 】。 国家环保总局发布的2 0 0 6 年中国环境状况公报显示：2 0 0 6 年全国地表水总 体水质属中度污染。在国家环境监测网监测的7 4 5 个地表水监测断面中，i i i i 类，i v 、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。七大水系中， 珠江、长江水系总体水质良好，淮河、黄河水系属中度污染，松花江、辽河、 海河水系总体为重度污染【l 。 大量的污染排放引起了严重的污染问题，使得我国很多流域的生态环境遭受 了重创。其中分散型面源污染是量大、面广、控制较为困难得部分。目前对于分 散型面源污染的处理技术很多，如透水坝技术、人工湿地技术、生物膜强化净化 等。相对而言，人工湿地等生态技术具有因地制宜、投资少、运行管理简单、处 理效果好的特点，使得人工湿地技术在面源污染控制方面的应用越来越广泛【1 1 j 。 第一章绪论 1 1 3 人工湿地的应用 自从人工湿地污水处理系统于2 0 世纪7 0 年代初首次在西德1 1 4 j 投入使用后， 因其优越的性能，获得较快发展，并在全球特别是发达国家迅速推广开来。近十 年来英国、德国、法国、荷兰等人工湿地发展迅速，不仅成为中小城镇的主要污 水处理设施，而且也成为雨水处理的主要设施，以及工业废水重要的处理技术。 在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，早在1 9 8 9 年， 鉴于湿地保护政策，美国环保署( u s e p a ) 已将开发湿地保育纳入法案。在丹麦、 德国、英国各国至少有2 0 0 处人工湿地系统在运行，新西兰也有8 0 多处人工湿 地系统被投入使用【1 5 1 引。 由于人工湿地具有良好的构建适宜性和景观效果，已被广泛用于处理生活污 水【1 7 18 1 、农业径流【1 9 ，2 0 1 、暴雨径涮2 1 1 等。近几年来，应用人工湿地控制暴雨径流 【2 2 ，2 3 1 、城市污染河流【2 4 。2 6 】等水体中的营养盐逐渐受到重视。如中国科学院武汉水 生生物研究所在武汉东湖建立的复合垂直流人工湿地【2 。琨8 1 、就是将入湖污染物通 过体外的人工湿地进行处理的代表实例。m a t t h e wj c o h e n 等【2 9 】在美国佛罗罩达 州通过多级人工湿地系统处理暴雨径流，极大地提高了污染物的去除率，悬浮颗 粒物去除率提高了3 6 ，总磷去除率提高了2 7 。j p m a n i n 【3 0 】结合城市河流的 生态修复在河漫滩上构建人工湿地发挥对污染河水的净化功能和面源污染的削 减。s h u l l r e nj i n 矿u 等针对应用人工湿地净化污染河水时季节变化对氨氮的去除 效果进行了研究，发现温暖季节氨氮的去除效果要优于寒冷季节等。x r u a i l 【3 2 】 等利用潜流人工湿地和复合垂直流人工湿地小试模型对劣v 类的新沂河河水进 行了处理效果的比较试验，研究结果表明两种构型的人工湿地对新沂河污水都有 较好的净化效果。陈源高，李文朝【3 3 j 等利用复合湿地系统对窑泥沟污水中氮的去 除效果进行了试验研究，结果表明，复合湿地系统的脱氮效果十分明显。天津市 外环河治理工程的核心为潜流人工湿地，并辅以沉床技术、浮床技术、曝气技术 等，处理后水质达到地表水环境质量标准类水体的要求1 3 训。天津泰达再生 水景观河流治理工程的核心为表面流人工湿地，并辅以生态砾石床等生态净化技 术，对河流氮磷污染的治理效果较好p5 | 。南水北调东线山东段新薛河的治理则采 用了表面流人工湿地，不仅净化了河水的水质、削减了面源污染，还增加了河流 入湖口的生物多样性和生态系统的稳定性，改善了景观效果【3 6 。 1 1 4 人工湿地的脱氮机理 湿地系统通过多种机理去除进水中的氮，这些机理主要包括植物摄取、基质 3 第一章绪论 进水中投加葡萄糖、甲醇、果糖等易于生物降解的有机物或直接投加城市污水， 提高进水碳氮比，促进反硝化。赵联芳、朱伟等【5 3 j 在镇江通过芦苇碎石床复合垂 直流人工湿地小试装置研究了人工湿地处理此类低碳氮比污水时的脱氮机理。研 究表明，人工湿地对于污水中氮的去除主要发生在表层3 0 处，湿地下部由于碳 源缺乏抑制了反硝化过程，基本不能发挥除氮的作用；对于硝氮浓度高的污水， 通过补充有机碳葡萄糖有效提高除氮效果。d o h u e t t 等【”j 在澳大利亚通过表流 芦苇床湿地，研究水力停留时问和有机碳源对脱氮除磷的影响。研究表明，以甲 醇作为有机碳源补充后，脱氮效率从1 6 提高到8 9 r 9 8 。y i n g f e n gl i n 等【5 5 l 采用表流小试湿地系统研究了不同碳氮比对脱氮效率的影响。研究表明，以果糖 作为有机碳源，改变投加量，调节碳氮比分别为1 2 、2 7 、3 5 和6 2 ，对于有植 物系统，当c o d ：n 3 5 时，湿地系统的硝氮去除率就得到显著的提高，对于 无植物系统，当c o d ：n 6 2 时，硝态氮的去除可达到9 0 以上。谭洪新、刘 艳红等【5 6 j 采用潜流+ 表流组合湿地对c n 比为1 的o 工艺出水进行深度处理， 以o 工艺进水的城市污水作为外加碳源，研究其对湿地脱氮除磷作用的影响。 研究表明，添加少量城市污水作为外加碳源后，c n 比提高到3 5 5 ，t n 、t p 面 积负荷去除率分别提高3 3 4 倍和2 1 3 倍，t n 去除率由2 5 5 提高到6 5 9 ；二 是在湿地填料中添加秸秆，作为碳源的储存库，通过秸秆分解释放出的有机碳源 改善湿地中碳源不足的状况，提高氮的去除率。t o d d l i n g e r s o l l 等1 5 7 j 针对高含氮 地下水危害健康的问题，在美国亚利桑那州采用潜流湿地，改变水力停留时间和 每周有机碳源加入量，研究其对人工湿地脱氮的影响。研究表明，以香蒲茎叶作 为有机碳源，脱氮效率可从8 提高到9 5 ，并提出适宜碳氮比为5 ：1 。 1 2 3 存在的问题 在富营养化控制同趋重要的形势下，脱氮功能是人工湿地不可或缺的重要方 面，在很多面源污水c n 比偏小的情况下，怎样保证人工湿地的脱氮效率是一 个重要的工程问题。向进水中投加葡萄糖，甲醇、果糖等有机碳源不经济且耗费 人力，向进水中投加城市污水可能引入其他污染物质，影响人工湿地系统净化效 果，恶化出水水质。所以研究植物有机碳源对人工湿地脱氮效率的影响具有非常 重要的意义。现有研究仅比较了补充前后的脱氮效率变化，而关于筛选什么样的 植物秸秆和如何补充植物碳源以及补充多少量的植物碳源缺乏系统研究。 7 河海大学硕士学位论文 1 3 研究目的、内容和意义 1 3 1 研究目的 针对低碳氮比污水碳源不足导致脱氮效果不佳的问题，补充符合经济、高碳、 低氮、长效、高效原则的碳源显得尤为重要。不同的碳源补充位置和补充量对人 工湿地脱氮作用的影响和脱氮机理需要深入研究。提出改进措施提高人工湿地对 低碳氮比污水的净化效果，使该项技术更具有适用性和推广性。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 研究植物原料有机物释放规律，分析植物有机碳源氮、磷的释放对出水水 质的影响，利用o l s o n 指数衰减模型预测植物碳源分解速率及释放周期，筛选出 符合经济、高碳、低氮、长效、高效原则的植物碳源。 ( 2 ) 研究补充植物秸秆作为有机碳源对人工湿地脱氮效果的影响；研究不同碳 源补充位置条件下有机物释放情况及其对脱氮作用的影响，在此基础上，改变碳 源补充量，研究不同碳源补充位置条件下有机物释放情况及其对脱氮作用的影 响。 ( 3 ) 研究补充植物秸秆作为有机碳源后人工湿地脱氮机理，明确植物碳源在人 工湿地污染物去除中的作用。 8 第一章绪论 1 3 3 技术路线 o 经济性、含碳高含氮低 通过查阅资料，初步筛选出相对含碳量高含氮量低的植物原料作为试验材 料。开展植物原料有机物释放试验，研究植物原料有机物释放规律及氮、磷的释 放对出水水质的影响，利用o l s o n 指数衰减模型预测植物碳源分解周期，筛选出 适宜的植物碳源。在释放试验基础上，研究补充植物碳源对人工湿地系统脱氮作 用的影响及适宜的碳源补充位置和补充量。研究人工湿地中沿程各形态氮浓度变 化情况，结合外界条件变化情况，分析系统脱氮机理。通过对以上试验结果进行 分析归纳，总结出人工湿地碳源补充技术、补充碳源对脱氮作用的影响及脱氮机 理，为解决人工湿地碳源不足问题提供理论指导与技术支撑。 1 3 4 研究意义 通过本研究，论证以植物秸秆作为有机碳源的人工湿地系统净化低碳氮比污 9 第二章试验装置与方法 2 1 试验装置设计与方法 2 1 1 碳源筛选试验 2 1 1 1 试验装置 试验采用l 0 0 0 m l 玻璃广口瓶，碳源 原料采用相同材料同等质量纱布包扎。试 验装置如图2 1 1 所示。 2 1 1 2 试验材料与方法 碳源 图2 1 1 碳源筛选试验装置示意图 试验植物碳源原料有芦苇竿、玉米秸秆、稻壳和木屑，芦苇竿取自于河海大 学国家重点实验室表面流人工湿地，玉米秸秆和稻壳取自于河海大学江宁校区农 业试验基地，木屑取自于江宁木材市场，其中，芦苇竿和玉米秸秆仅取地上部分。 试验选用植物碳源原料元素分析见表2 1 1 。 表2 1 1 有机碳源原料的元素分析【5 8 ，5 9 1 结合试验植物碳源原料碳、氮元素含量，试验材料质量m 按以下公式计算。 设配水n 0 3 。- n 浓度为x m g l ，认为c n 比为8 时，碳源充足，取最小有机c 含 量4 0 0 m g ，设有机c 最低分解率为1 0 ，试验装置体积为1 0 0 0 m l ，则 m = x 木8 木( 1 0 0 0 ( 4 0 0 母o 1 ) ) 宰1 = 2 0 0 x m g 。由配水知m = 2 9 。 不同有机物料在培养前期( 0 3 0 d 左右) 的分解速率最快，此后便逐步下降， 在培养3 0 d 以后，分解速率变慢且随培养时间的变化幅度减小，同时，不同有机 物料问c 分解速率的差异也不甚明显【6 ，因此，本试验设定的培养时间为9 周。 一般认为所有的生物质都是由纤维素、半纤维素、木质素以及少量的提取物 组成的，纤维素、半纤维素、木质素的分解速度相差很大，稻壳表面坚硬，有致密 河海大学硕士学位论文 层，不利于水解过程的传质和扩散，且分解产物有可能堵塞微孔，导致水解率低【6 l 】， 木屑木质素含量较高，较难分解【6 2 j ，而秸秆相对木质素含量低，较易分解。本研 究中认为木屑、稻壳为难分解碳源( 试验把相对分解速率低的有机碳源原料定义 为难分解碳源) ，玉米秸秆、芦苇竿为易分解碳源( 相对分解速率高的有机碳源 原料定义为易分解碳源) 。试验采用碳源原料单一及难易分解相组合的方式进行 碳源原料的研究及筛选。 试验采用7 个1 0 0 0 m l 玻璃广口瓶，按玉米秸秆、芦苇竿尺寸不同分为a 、 b 、c 三组，尺寸分别为o 5 c m 、2 c m 、5 c m ，质量均为2 9 ，设1 个空白对照，在 适宜尺寸基础上，采用9 个1 0 0 0 m l 玻璃广口瓶，玉米秸秆、芦苇竿、稻壳、木 屑单一及木屑、稻壳按质量比1 ：1 与玉米秸秆、芦苇竿组合，组合质量均为2 9 。 每天换水，试验持续6 0 天，每5 天同一时间取样，测定t n 、t p 、高锰酸盐指 数、p h 值、温度等指标。试验根据低碳氮比污染河水水质配制全部为溶解态硝 氮的污水，n ：p = 1 0 ：1 ( m l ) ，氮采用n a n 0 3 ，磷采用k h 2 p 0 4 ，首次试验配水添 加活性污泥浸出液接种微生物，试验活性污泥为取自于南京市江心洲污水处理厂 的剩余污泥，活性污泥浸出液水质、首次配水水质和后续试验配水水质见表 2 1 2 。 表2 1 2 活性污泥浸出液及人工配水中污染物浓度 2 1 2 补充碳源的脱氮效果试验 2 1 2 1 人工湿地植物的筛选 1 ) 人工湿地植物的选择原则 植物对湿地系统有较大的影响，植物的筛选工作具有一定重要性。植物的筛 选主要从以下几个方面来考虑： ( 1 ) 去除污染物能力 净化能力是选择人工湿地植物需要考虑的重要因素。一方面植物要有较大的 生物量；另一方面植物对污染物吸收能力强，单位质量的污染物浓度要高。这就 要求植物必须有发达的根系，植株要大。主要原因：一是发达的根系可以分泌较 多的根系分泌物，为微生物提供良好的生存条件，促进根系的生物降解，提高湿 1 2 河海大学硕士学位论文 的土著物种，它的耐受能力强，易成活，繁殖能力强，且具有发的根系，适合做 人工湿地植物；水芹菜还具有一定的经济效益。 水芹菜( o e n a n t h eb e n 曲a l e n s i s ( r o x b ) k u r z ) ：多年生伞形科水芹属，高2 0 4 0 厘米，茎基匍匐，节上生须根，中空，圆柱形，具纵棱。基生叶三角形，叶 为1 2 回羽状复叶，小叶长6 2 5 毫米，生于下部的常卵形，生于上部的披针 形，先端渐尖，基部楔形，侧生小叶基部偏斜，边缘有钝齿；叶柄长2 7 厘米。 复伞形花序，顶生。花果期4 9 月。对环境条件的适应性较广，抗逆性强，喜 冷凉，较耐寒，适于冷凉、短日照季节生长，我国各地均有分布，多生于浅水沟 旁或低洼地方1 6 5 ，矧。 2 1 2 2 人工湿地填料的选择 本研究采用碎石为湿地填料，主要原因在于碎石是主要的人工湿地基质材 料，廉价，且对磷的去除效果较好。碎石的主要矿物成分为石英，颗粒粗细不均。 尽管煤渣、粉煤灰这类基质磷素吸附容量很大，且磷素释放量很低，是很好的净 化磷素的基质材料，但是其碱性较大，不适合植物的生长【3 4 j ；土壤具有比表面积 大，吸附容量大的特点，除磷效果非常好，但是土壤的渗透系数小，容易发生淤 堵导致湿地系统失效。 2 1 2 3 人工湿地床的选型 综合各类人工湿地系统的优缺点，本研究选择了垂直流人工湿地系统，原因 在于垂直流人工湿地占地面积小，且硝化反硝化能力突出，要优于表面流与潜 流人工湿地系统。 2 1 2 4 试验装置的构建 试验装置为高4 0 c m 、直径1 5 c m 有机玻璃填柱，模拟垂直流人工湿地，填料 层高度为3 5 c m ，填料为5 m m 左右的碎石，实测空隙率n = 0 5 3 3 ，植物为水芹菜， 取自河海大学国家重点实验室表面流人工湿地，在柱底设置一个取样口。试验装 置示意图如图2 1 2 所示。 1 4 第二章实验装置与方法 2 1 2 5 试验材料与方法 卜卫衄一卜- 监哑一 图2 1 2 湿地单元试验模型 1 ) 不同碳源补充位置试验：以碳源筛选试验筛选出植物原料作为有机碳源， 试验采用4 个湿地单元模型，碳源补充量为1 5 k m 2 ，设3 个补充位置，分别为 距顶端o 、2 2 、3 5 c m 处，分别称为表层、中层和底层，设1 个空白对照，试验 时间为2 0 0 8 年3 月5 日2 0 0 8 年5 月1 4 日，试验期间平均温度为 1 7 2 ( 1 2 3 2 5 6 ) ，试验采用间歇运行方式，水力负荷为7 1 m m d ，每3 天进 水，间隔时间1 h 试验持续7 0 天，每1 0 天同一时间取样，测定t n 、t p 、高锰 酸盐指数、p h 值、温度等指标。 2 ) 适宜碳源补充量试验：在适宜碳源补充位置基础上，采用6 个湿地单元试 验模型，设5 个补充量，分别为1 5 k m 2 、1 2 5k g m 2 、1 ok m 2 、0 7 5k g m 2 和o 5k 咖z ，设1 个空白对照，2 0 0 8 年5 月1 6r 2 0 0 8 年7 月2 5 同，试验期间 平均温度为2 8 5 ( 2 1 1 3 7 6 ) 。为了实现连续流运行方式，设有一个容积为 4 0 l 的蓄水池，采用虹吸法，通过旋转止水夹控制流入和流出水量，水力负荷为 7 1 m 州d ，试验持续7 0 天，每1 0 天同一时间取样，测定t n 、t p 、高锰酸盐指数、 p h 值、温度等指标。试验装置示意图如图2 1 3 所示。 试验根据低碳氮比污染河水水质配制全部为溶解态硝氮的污水，碳源采用 c 6 h 1 2 0 6 ，氮采用n a n 0 3 ，磷采用k h 2 p 0 4 ，试验配水水质见表2 1 3 。 1 5 河海大学硕士学位论文 卜斗 图2 1 3 湿地单元试验模型 2 1 3 补充碳源的脱氮机理试验 2 1 3 1 试验装置 卜斗 图2 1 4 湿地单元试验模型 试验装置同碳源补充技术试验，沿程均布四个采样口，为了实现垂直流人工 湿地连续流的运行方式，设有一个容积为4 0 l 的蓄水池，采用虹吸法，通过旋转 止水夹控制流入和流出水量，试验装置示意图如图2 1 4 所示。 2 1 3 2 试验材料与方法 以碳源筛选试验筛选出的植物碳源作为有机碳源，在适宜碳源补充位置试验 和适宜碳源补充量试验基础上，采用适宜的碳源补充位置和补充量，采用连续流 运行方式，水力负荷分别为5 0 0 m m d 、3 0 0 i i l 】【1 1 d 、1 5 0 m m d ，7 5 m m d ，确定最佳 水力负荷后，通过测定沿程t n 、n 0 3 n 、n h 4 + - n 、n 0 2 。- n 、t p 、高锰酸盐指 数、p h 值、d o 、温度等指标，分析脱氮机理。试验持续6 0 天，每1 0 天同一时 1 6 第二章实验装置与方法 间取样。试验采用人工配水，c ：n ：p = 1 0 ：l o ：1 ( m g l ) ，碳源采用c 6 h 1 2 0 6 ， 氮采用n a n 0 3 ，磷采用k h 2 p 0 4 。 2 2 水质指标的测定方法与使用的主要仪器 ( 1 ) 高锰酸盐指数的测定【6 7 j 采用酸性高锰酸钾法。高锰酸盐指数是一个相对的条件性指标，其测定结果 与溶液的酸度、高锰酸盐浓度、加热温度和时间有关。因此，测定时必须严格遵 守操作规定，使结果具有可比性。 ( 2 ) t n 的测定1 6 7 】 采用过硫酸钾氧化，紫外分光光度法。t n 的测定干扰因素很多，在试验过程 中，必须保证试验药品的质量，同时采用合格的无氨水，注意比色管、移液管、 比色皿等试验仪器的干净和保证实验室的整洁也是十分重要的。t n 分析实验室 避免放置释放氨氮的物质，以防外部干扰。 ( 3 ) n h 3 一n 的测定1 6 7 j 采用纳氏试剂分光光度法。方法原理：碘化汞和碘化钾的碱性溶液浴氨反应 生成淡红棕色胶态化合物，此颜色在较宽的波长范围内具强烈吸收。通常测量用 波长在4 1 0 4 2 5 砌范围。 ( 4 ) n 0 3 。n 的测定1 6 7 】 采用酚二磺酸光度法。方法原理：硝酸盐在污水情况下与酚二磺酸反应，生 成硝基二磺酸酚，在碱性溶液中生成黄色化合物，进行定量测定。 ( 5 ) n 0 2 一n 的测定1 6 7 j 采用n 一( 1 一萘基) 一 x 河海大学硕士学位论文 ( 8 ) p h 的测定【6 刀 采用玻璃电极法。方法原理：以玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比 电极组成电池。在2 5 理想条件下，氢离子活度变化l o 倍，使电势偏移5 9 1 6 m v 。 1 8 第三章植物碳源的筛选 本章讨论了形态尺寸对玉米秸秆、芦苇竿有机物释放的影响，在此基础上， 讨论研究单一及组合形式下植物碳源有机物的释放情况及释放对出水水质的影 响，筛选出符合高碳低氮原则的植物碳源，结合o l s o n 指数衰减模型，验证植物 碳源的长效性。 3 1 植物碳源分解释放规律 3 1 1 形态尺寸对有机物释放的影响 本试验中，把单位质量( g ) 的植物碳源原料所释放出的有机物定义为有机物 释放量，用m 表示，则： 所：里丛 ( 3 1 1 ) 朋 其中c o 为高锰酸盐指数( m l ) ，v 为试验装置体积( l ) ，本试验中v = 1 ，m 为植 物碳源质量( g ) ，本试验中m = 2 。 图3 1 1 和图3 1 2 分别为不同形态尺寸玉米秸秆和芦苇竿有机物释放量随 时间变化情况，实验条件下，温度、溶氧、p h 值等外界条件基本一致，原料尺 寸的大小可能会影响有机物的释放。 b o b 0 邑 嘲l 轻 瀵 s 妄 忙 051 01 52 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 时问d 图3 1 1 不同形态尺寸玉米秸秆有机物释放情况 由图3 1 1 可以看出，不同形态尺寸玉米秸秆有机物释放规律相似，呈先急 1 9 河海大学硕士学位论文 剧增加后缓慢降低的趋势，同一时段不同形态尺寸的玉米秸秆有机物释放量差别 较小，尺寸为o 5 c m 的处理有机物释放量略高于其他两种尺寸。这说明，在试验 条件下，小尺度范围内形态尺寸的变化对玉米秸秆有机物的释放规律及释放量影 响较小。这与j u a na a l v a r e z 【6 9 】、v e s t e 曙a a m 【7 0 】的研究结果一致，破碎植物残体 并不促进其分解。 j b d 吕 蚓 辎 涎 霹 赛 忙 05l o 1 52 0 2 5 3 03 5 4 0 4 55 05 5 6 0 时间d 图3 1 2 不同形态尺寸芦苇竿有机物释放情况 由图3 1 2 可以看出，不同形态尺寸芦苇竿有机物释放规律也基本相似，呈 先逐渐增加后降低的趋势，且同一时段不同形态尺寸的芦苇竿有机物释放量差别 较小，尺寸为o 5 c m 的处理有机物释放量略高于其他两种尺寸。这说明，与玉米 秸秆相似，在试验条件下，小尺度范围内形态尺寸的变化对芦苇竿有机物的释放 规律及释放量影响也较小。可见，试验条件下，形态尺寸对植物秸秆有机物的释 放几乎无影响。 3 1 2 植物碳源有机物释放规律 图3 1 - 3 和图3 1 4 分别为组合和单一形式下单位质量( g ) 植物碳源单位时间( d ) 有机物释放情况，试验各种有机碳源原料有机碳、碳氮比、纤维素、半纤维素、 木质素含量不同，有机物的释放规律可能会不同。 第三章植物碳源的筛选 一 g 咖l 辎 涎 霉 嚣 忙 _ j 嘶 g 删 辎 漤 雾 幂 忙 2 0 1 5 l o 5 o 2 0 1 5 l o 5 o o5l o1 52 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 时间d 图3 1 3 组合及单一形式下植物碳源有机物释放情况 05l o1 52 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 时问d 图3 1 4 单一形式下植物碳源有机物释放情况 由图3 1 3 可以看出，各组合有机物释放量均介于单一形式二者释放量之间。 木屑+ 玉米秸秆和稻壳+ 玉米秸秆两个组合有机物释放量平均值分别为3 3 4 m g l 和3 4 7 m l ，介于单一形式下木屑、稻壳和玉米秸秆有机物释放量之间，但均 小于单一形式下有机物释放量的算术平均值4 4 0 m l 和4 7 6 m l 。两个组合有 机物变化规律均与玉米秸秆有机物变化规律相似；木屑+ 芦苇竿和稻壳+ 芦苇竿两 个组合有机物释放量平均值分别为1 6 9 m l 和2 8 1 m l ，介于单一形式下木屑、 稻壳和芦苇竿有机物释放量之间，但均小于单一形式下有机物释放量的算术平均 值2 6 1 m l 和2 9 5 m g l 。两个组合有机物变化规律均与芦苇竿有机物变化规律 相似。可见，组合形式下，植物碳源有机物释放量基本介于单一形式下二者之间； 2 l 第三章植物碳源的筛选 律相似；木屑+ 芦苇竿和稻壳+ 芦苇竿两个组合平均t n 浓度分别为6 4 3 m g l 和 5 2 4 m g l ，介于单一形式下木屑、稻壳和芦苇竿平均t n 浓度之间，但均小于单 一形式下二者的算术平均值6 8 2 m l 和5 9 0 m l 。木屑+ 芦苇竿组合t n 浓度变 化规律与单一形式下芦苇竿t n 浓度变化规律相似，而稻壳+ 芦苇竿组合t n 浓 度变化不稳定。可见，组合形式下，水中t n 浓度基本介于单一形式下二者之间； 变化规律基本与t n 浓度较小者相似。 一、 基 型 装 z h o5l u1 52 02 53 u3 54 u4 55 05 56 0 时间d 图3 1 6 单一形式下水中t n 浓度变化规律 由图3 1 6 可以看出，单一形式下，水中t n 浓度变化规律差别较大，但试 验前1 0 天各碳源原料t n 浓度都出现不同程度的降低。分析认为，可能是因为 碳源原料所释放的有机物一定程度上为反硝化作用提供了碳源，原水中部分硝氮 通过反硝化作用被去除，而碳源原料尚未开始释放大量的氮，被去除的氮的量大 于碳源原料释放的氮，使得t n 浓度降低。之后，玉米秸秆处理中t n 浓度急剧 上升，而后缓慢降低，说明玉米秸秆氮和有机物的释放规律相似，主要集中在试 验前1 0 天，且释放量较大；芦苇竿处理中t n 浓度在试验1 5 天时达最大值，之 后缓慢降低，且t n 浓度低于其他植物原料液；稻壳处理中t n 浓度在试验l o 天后缓慢上升，试验2 0 时达最大值，之后缓慢降低；木屑处理中t n 浓度随着 时间的变化逐渐降低，但t n 浓度大于稻壳和芦苇竿，芦苇竿、稻壳和木屑处理 中t n 浓度均小于1 0 m l 。这表明，玉米秸秆氮的释放量较大，主要集中在试 验前1 0 天，释放周期短；稻壳和木屑氮的释放量小于玉米秸秆，芦苇竿氮的释 放量较小，单一形式下，各处理中t n 浓度依次为：玉米秸秆 木屑 稻壳 芦苇 竿。 单一及组合形式下，水中t n 浓度基本呈缓慢降低的趋势，平均t n 浓度依 次为：玉米秸秆 木+ 玉 木屑 稻+ 玉 木+ 芦 稻壳 芦苇竿 稻+ 芦，在试验周期 河海大学硕士学位论文 内，组合形式较单一形式没有体现出优势。 3 1 4 植物碳源的释放对水中t p 的影响 图3 1 7 和图3 1 8 为组合和单一形式下水中t p 浓度变化规律，以进水t p 浓度l m l 作为水平线。 一、 一 邑 瑙 袋 詈 3 2 5 2 1 0 5 0 o5l o1 52 02 53 03 54 04 5 5 0 5 56 0 时间d 图3 1 7 组合形式下出水t p 浓度变化规律 由图3 1 7 可以看出，各组合t p 浓度均介于单一形式二者之间。木屑+ 玉米 秸秆、稻壳+ 玉米秸秆、木屑+ 芦苇竿和稻壳+ 芦苇竿四个组合平均t p 浓度分别 为1 0 5 m l 、1 1 3 m l 、o 6 5 m l 和o 8 9 m l ，与单一形式下二者的算术平均 值差异较小，变化规律与单一形式下浓度较大者变化规律相似。 二一、 。 b o 基 越 蠖 凸一 h o5l o1 5 2 02 53 03 54 04 5 5 05 5 6 0 时间d 图3 1 8 单一形式下出水t p 浓度变化规律 2 4 第三章植物碳源的筛选 由图3 1 8 可以看出，单一形式下玉米秸秆处理中t p 浓度在整个试验周期中 都高于其他处理，稻壳次之，木屑最小，芦苇竿和木屑t p 浓度均低于空白。玉 米秸秆处理中t p 浓度在试验前1o 天急剧增加，之后缓慢降低，但浓度仍然大 于l m l ，表明玉米秸秆磷的释放量大，释放周期短；稻壳处理中t p 浓度在整 个试验时问内稳定在1 m g l 左右，试验5 0 天时略有增大，之后降低；芦苇竿处 理中t p 浓度在试验前1 0 天略有增大，之后缓慢降低，且t p 浓度在试验2 0 天 后低于空白；木屑处理中t p 浓度在整个试验周期中都呈下降趋势，t p 浓度低 于空白。随着试验的进行，芦苇竿和木屑处理中逐渐出现褐色沉淀物质。分析认 为，一部分磷可能会通过沉淀物质的吸附作用被去除。玉米秸秆释放了大量的磷， 稻壳次之，而芦苇竿和木屑磷的释放量较少，单一形式下，各植物碳源出水t p 浓度依次为：玉米秸秆 稻壳 芦苇竿 木屑。 单一及组合形式下，t p 浓度基本呈先升高后缓慢降低的趋势，平均t p 浓 度依次为：玉米秸秆 稻+ 玉 木+ 玉 稻壳 稻+ 芦 芦苇竿 木+ 芦 木屑，在试验 周期内，组合形式较单一形式没有体现出优势；在单一形式下，玉米秸秆有机物、 氮、磷的释放量均较大，释放时间短；稻壳和木屑有机物的释放量均较小，氮、 磷的释放量较大；芦苇竿有机物释放量仅次于玉米秸秆，且氮、磷释放量较小， 较符合高碳低氮的原则。 3 2 植物碳源的长效性 3 2 1 植物碳源分解过程及机理 枯落物分解是由枯落物基质质量、土壤、气候和生物等环境因子综合作用下 的复杂的降解、碎化和溶解过程1 7 乙乃j 。 凋落物的分解既有物理过程，又有生物化学过程，一般由淋溶作用( 凋落物中 可溶性物质通过降水而被淋溶) 、自然粉碎作用( 主要由腐食动物的啃食完成， 但非生物因素如土壤干湿交替、冻融作用亦可使枯叶破碎) 、代谢作用( 由腐生 微生物的活动把复杂的有机化合物转化成简单无机化合物) 等共同完成。淋溶作 用是处于湿润环境的新近凋落物质量损失的一个重要过程。凋落物通过土壤动物 粉碎后，不仅增加了凋落物表面积，而且为微生物生长繁殖提供了能量和养分。 随后，凋落物碎屑在分解者( 主要为真菌、细菌、放线菌) 及各种酶系统作用下 发生生物降解【7 引。 凋落物分解过程中先后出现分解速率较快和较慢2 个阶段，具有较明显的时 2 5 河海大学硕士学位论文 间模式【_ 7 5 】。初期出现较快分解速率，与水溶性物质和易分解的碳水化合物的快速 淋失和降解有关，n 、p 、s 等元素的浓度对此阶段分解速率起着主要影响作用。 随着分解继续，木质素等难分解物质不断累积( 达到4 5 5 1 ) ，凋落物的进一 步分解受抑制，分解速率明显减慢【7 6 】。此外，凋落物分解还存在空间异质性，这 与根系、水分、土壤动物等在土壤空间上的分布差异有关，例如沼泽森林落叶分 解就快得多。分解大多数发生在凋落物富集的土壤表面( 即有机质层) ，该层温度 和湿度变化大，分解主要受真菌影响；而矿质土壤温度和湿度较为稳定，且全土 中养分缺乏，微生物活性低。 3 2 2 影响植物碳源分解的因素 影响枯落物分解速率的因素包括生物因素和非生物因素m 7 引。 3 2 2 1 非生物因素 非生物因素主要包括气候和基质质量。其中气候主要表现在温度、湿度、降 雨和蒸散量等方面，气候在大尺度上是影响凋落物分解的基本因素，常用 a e t ( a c t u a le v a p o t 姗s p i r a t i o n ) 作为指标1 7 9 j ，a e n s 对凋落物分解与a e t 问的相 关性进行了回归分析，发现凋落物分解与a e t 一般呈指数关系，热带地区a e t 对凋落物分解的影响最为显著。凋落物分解速率呈现明显的气候地带性，与其不 同生境中温度、湿度等变化紧密相关。温度是影响枯落物分解的外部最重要因素 之一，大量研究观测到随温度的升高枯落物的分解速率明显增加的结果瞵2 。 气候除了对凋落物分解产生直接影响外，还通过影响凋落物质量、微生物和土壤 动物的活动而间接调节凋落物的分解速率，总之气候对凋落物分解的影响作用是 多重的【_ 7 4 l 。水分通过淋溶作用直接影响凋落物的分解速率，也可能通过影响微生 物分解者而影响凋落物的分解速率。凋落物质量只在局部区域尺度上起作用。 在同一气候带内因a e t 变化较小，凋落物质量对分解则起主要作用。s w i r 等将凋落物的化学属性称之为“基质质量( s u b s t r a t eq u a l i t y ) ”，基质质量指枯落物 本身的物理化学性质，它是制约枯落物分解的内在因素，定义为凋落物的相对可 分解性，依赖于构成组织的易分解成分叫、p 等) 和难分解有机成分( 木质素、纤 维素、半纤维素、多酚类物质等) 的组合情况、组织的养分含量和组织的结构， 其中基质c 的性质是控制凋落物分解的主要化学因素【8 3 1 。在外界环境一致条件 下，n 、p 和木质素浓度、c n 、c p 、木质素与养分比值是常见的凋落物质量指 标，其中c 瓜比和木质素n 比最能反映凋落物分解速率【8 4 ，8 5 1 。不同植物残体的分 解速率与其初始全n 含量呈正相关，与初始木质素含量、木质素与n 含量之比呈 第三章植物碳源的筛选 负相关1 8 6 1 。 3 2 2 2 生物因素 在生物因素中，底栖动物和微生物在凋落物分解中起了关键作用，其中底栖 动物中的撕食者对凋落物的撕裂所造成的机械破碎是引起凋落物干重损失的主 要因素之一【8 7 8 9 l ，分解过程中，微生物首先侵入死有机体，经过初步分解形成 粗腐屑，成为某些动物和其他微生物的食料，动物将枯枝落叶腐屑分解成碎片， 增加微生物有效利用面积，其排出物为微生物的活动增加了蛋白质、生长物质， 从而刺激微生物的生长，加速了枯枝落叶的分解。 3 2 3o l s o n 指数衰减模型及芦苇竿分解速率 枯落物分解是一个时变过程，分解过程中的枯落物残留量必然是时间的函 数。o l s o n 在1 9 6 3 年提出枯落物分解遵循指数衰减模型【9 0 】： x x o = e 。k ( 3 2 - 1 ) 其中x o 为枯叶初始重量( k g ) ，x 为经时间t 后的枯叶残留量( k g ) ，k 为枯叶腐解 系数，t 为分解时间。由模型( 1 ) 可以得出经时间t 后的枯叶残留量为： x = x o e k ( 3 2 2 ) 在实际应用中，多用y = a e 埘来描述，式中y 为重量残留率( ) ，a 为拟合参数，k 即为年腐解系数，通常又称为分解系数( g g a - 1 ) 。试验2 0 天、6 0 天、1 1 0 天时 各植物原料重量残留率见表3 2 。1 。 室! ：兰：! 堕塑堕整重量堕宣奎垫查( 丝! b 寸间( a ) 0 ( o d )0 0 5 5 ( 2 0 d )o 1 6 4 ( 6 0 d )0 3 0 1 ( 11 0 d ) 木屑 lo 9 6 40 9 3 50 8 9 2 稻壳1o 9 4 2o 8 5 30 6 8 2 玉米秸秆10 8 5 40 7 2 3o 6 0 2 芦苇竿 l0 9 310 8 3 50 7 8 5 结合o l s o n 指数衰减模型，对各植物原料重量残留率进行回归分析，通过 回归方程可计算出各植物原料分解5 0 和9 5 所需时间，结果见表3 2 2 。以芦 苇竿为例，图3 2 1 为芦苇竿重量残留率随时间的指数回归分析可以看出，芦苇 竿重量残留率与分解时间相关性较好。图3 2 2 为芦苇竿重量残留率与时间在整 个分解周期的关系曲线，本研究试验时问为1 1 0 天，即为o 3 0 1 年，图3 2 1 的 指数回归方程在图3 2 2 中可用虚线部分表示。 河海大学硕士学位论文 表3 2 2 植物原料重量残留率随时间的指数模型 相关系数半分解时间5 所需的时间 植物原料回归方程 分解系数 ( r )( a )( a ) 木屑v = 0 9 9 2 3 e 3 5 9 8 x o 9 7 8 90 3 5 9 81 9 0 58 3 0 5 稻壳v = 1 0 1 2 6 e 。1 2 5 1 8 1 o 9 8 0 41 2 5 1 80 5 6 42 4 0 3 玉米秸秆v = 0 9 6 4 3 e 。1 6 2 1 6 。0 9 7 7 91 6 2l60 4 0 51 8 2 5 芦苇竿v = o 9 8 0 2 e 国7 9 5 5 。o 9 5 3 3 0 7 9 5 5 o 8 4 63 7 4 1 褂 跚 锻 岫1 删 封卜 粹 救 2 0 o oo 0 5o 1o 1 5o 2o 2 5o 30 3 5 时问( a ) 图3 2 1 芦苇竿分解重量残留率指数回归分析 笺 o o 3 l2345 分解时间( a ) 图3 2 2 芦苇竿分解重量残留率指数回归曲线示意图 - o 7 9 5 5 x 由表3 2 2 可见，植物原料重量残留率为5 0 时，芦苇竿所需分解时间为0 8 4 6 年，木屑所需分解时间是芦苇竿的2 倍，玉米秸秆与稻壳所需分解时间差别较小， 约是芦苇竿的l 2 ；植物原料重量残留率为5 时，芦苇竿所需分解时间为3 7 4 1 年，木屑所需分解时间大于芦苇竿的2 倍，玉米秸秆所需分解时间最短。 2 8 第三章植物碳源的筛选 枯落物时间衰减模型是一种反映生态系统尺度下枯落物分解状况的模型。在 该模型中，只是考虑了枯落物分解随着时间变化的过程，而未注意分解过程中环 境条件的变化对分解的影响，所以其模拟的结果与真实情况仍然有一定的误差。 综合考虑各植物原料有机物释放情况、释放对水质的影响情况和分解周期， 芦苇竿较符合高碳、低氮、长效性原则，芦苇竿是较适宜的植物碳源。 3 3 本章小结 本章针对形态尺寸对植物碳源有机物释放的影响、单一及组合两种不同形式 对植物碳源有机物释放和对水质的影响、植物碳源的长效性进行了研究，结果证 明芦苇竿符合高碳、低氮、长效的原则，是较为适宜的植物有机碳源。 1 ) 不同形态尺寸玉米秸秆及芦苇竿有机物释放规律基本相似，且同一时段 不同形态尺寸有机物释放量差别较小。在试验条件下，形态尺寸对植物碳源有机 物的释放无影响。 2 ) 单一及组合形式下，植物碳源平均有机物释放量依次为：玉米秸秆 芦苇 竿 稻+ 玉 木+ 玉 稻+ 芦 稻壳 木+ 芦 木屑；水中n 寸浓度基本呈缓慢降低的趋 势，平均t n 浓度依次为：玉米秸秆 木+ 玉 木屑 稻+ 玉 木+ 芦 稻壳 芦苇竿 稻+ 芦；水中t p 浓度基本呈先升高后缓慢降低的趋势，平均t p 浓度依次为：玉 米秸秆 稻+ 玉 木+ 玉 稻壳 稻+ 芦 芦苇竿 木+ 芦 木屑，组合形式下，出水有 机物、t n 、t p 浓度均基本介于单一形式下二者算数平均值之间，在试验周期内， 植物碳源的组合对有机物的释放无影响，组合形式较单一形式没有优势。 3 ) 玉米秸秆有机物、氮、磷的释放量均较大，释放时间短；稻壳和木屑有 机物的释放量均较小，氮、磷的释放量较大；芦苇竿有机物释放量仅次于玉米秸 秆，且氮、磷释放量较小，较符合高碳低氮的原则。 4 ) 理论上芦苇竿半分解时间为o 8 4 6 a ，分解9 5 所需分解时间为3 7 4 l a ， 综合考虑各植物原料有机物释放情况、对水质的影响情况和分解周期，芦苇竿较 符合高碳、低氮、长效性原则，芦苇竿是较适宜的植物碳源。 2 9 第四章补充植物碳源后人工湿地脱氮效果研究 本章主要研究补充芦苇竿对人工湿地系统脱氮作用的影响，在明确补充芦苇 竿作为有机碳源能一定程度上提高人工湿地系统脱氮效果的基础上，讨论不同补 充位置对人工湿地脱氮作用和有机物释放情况及其对出水水质的影响，综合分析 得出适宜的碳源补充位置。在此基础上，研究不同碳源补充量对系统脱氮作用和 出水水质的影响，综合分析得出适宜的碳源补充量。 4 1 补充植物有机碳源后的脱氮效果 图4 1 1 比较了补充植物有机碳源前后人工湿地脱氮效果。可以看出，补充 芦苇竿作为有机碳源后，t n 去除率显著提高，平均去除率由1 5 提高到8 1 。 试验1 0 天后t n 去除率上升至8 4 ，之后基本稳定在8 4 左右。未补充碳源时， 实验初期t n 去处率达6 0 ，但之后一直维持在1 0 左右。试验结果说明，在本 次试验配水条件下，不补充碳源时脱氮的效果明显偏低