（环境科学专业论文）组合人工湿地脱氮微生物群落结构及脱氮机制研究.pdf

葱兰 表面流系统芦苇根际脱氮微生物数量为串联系统中最高 6 组合人工湿地系统沿程脱氮微生物分布与脱氮效率的相关性 对于复 合垂直流系统 总氮去除率与氨化菌及亚硝化菌之间呈现显著正相关 与反硝化 菌呈现显著负相关 系统较高的总氮去除率及其微生物结构特征 说明可能有其 它的脱氮机理存在 对于表面流和潜流系统 t n 去除率与反硝化菌相关性显著 说明该类湿地系统中脱氮的主要途径是通过微生物的硝化一反硝化作用来进行 关键词 组合人工湿地系统氨化菌亚硝化菌反硝化菌脱氮机制 a b s t r a c t 1 n h i sd i s s e r t a t i o nw 弱雒s i s 刚b yj i 锄g 跚p r o i n c i a l s p e c i a l f i l i l d w a t e rp o l l u t i 舢t i 彻锄d 呦衄l 铋t 一 吼q e c to nw a 衙p 0 1 l u t i o n 缸鼢t n l 锄t 璐i i l ge c o l o 酉c a lp c c s s 锚 o fs e 弱h o mw a t e r c 0 u 瞒e p r o j e c to ft h eh u a m e 砌v 盯 1 1 l ee x p 嘶m t sf b c u s e do nt l l e 仃e a n n 吼t e 伍c i c yo fp o l l u t e dr i v e r 张t e rb yc 伽b i i l 鲥0 n a lc o n s 仇l c t e dw e t l 锄d ss y s t 锄 c c w s w h i c h i sc o n s i s to fi n t e g m t e dv 鳅i c a ln o wc o m 劬c t e dw e t l a n d c w s u 而c cn o wc o 鹏缸1 l c t e d w e t l a i l d s c w 柚ds u b s u 觑en o wc o 蚰舡u c t e dw e t l a i l d s s c w a n dn l et i 锄p o m la n ds p a t i a l d i s 砸b u t i o no f d 铋i t r i f i c a t i o nm i c r o o 穆卸i s m si n c l u d i n ga m m o n i f y i n gb a c t 甜a n i t r i t eb a c t e r i a 锄d d 饥i t r i 蛳n gb a c 僦j aw e r ca l s oc o n c 锄e d i i lo r d e rt 0p r o v i d et h eb 舔i s 矗订t h ep r o c e s s 叩t i i l l i z a t i o n 锄di n c r e 嬲e m c i l to f n i 打o g 铋阍n o v a l r a t eo f c o n s 仃u c t e d w t l a n d n l e m i c r o o 唱弛i s mn i 仃o g 饥r 锄o v a lm e c h a n i s m so fc 响b i n a t i o n a lc o n s t n l c t e dw e n 觚d ss y s t 锄w e r e a l s od i s c u s s e db ym e a n so ft h ec l u s t e ra n a l y s i s t h em a i l lr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t i l en i 们g e i lr e m o v a le 箍c i e i l c yo fc c w si sh i g l l w h e nt h ea v e r a g ec o n c 即仃a t i o n so f i i l n u e n tf o rt n n h 4 n n 0 2 nw e r e2 3 8 5 m g l 1 6 5 7 m 班 6 3 5 m l i t s e f n u e n ta v e r a g e c o n c e n n a t i o n sw e r e5 2 1 m g l 3 4 m g l 1 4 5 m g l r e s p e c t i v e l y f o rt h eg o o dw a t e r n o ws 0 1 u b l e o x y g e nc o n d i t i o ni ns c w t 1 1 en i 仃o g e nr 锄o v a le 佑c i e n c yo ft h ec c w sw r h i c hi sc o n s i s to f c w s c w 锄ds s c w 张si m p r o v e d 2 t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fb i o d e i l i t r i f i c a t i o nm i c r o o 玛a n i s m so fc c w s t h ed o m i n a n t s p e c i e so fb i o d e n i t r i f i c a t i o nm i c r o o r g a n i s m si i ls c wa i l dt h ed o w n n o wc h a m b e ro fi v c wa r e a m m o n i 聊n gb a c t 翻aa n dn i t r i t eb a c t e r i a t h ed o m i n a n ts p e c i e si ns s c w 锄dt h ed o w n n o w c h a m b e ro f c wi sd 肌i t r i 研n gb a c t 嘶a t i l ev e n i c a ld i s t r i b u t i o nr c g l l l 撕t ri st h a tt h eb a c t 酣a l c o u n t so f 啪m o n i 蛳n gb a c t e r i aa n dn i 砸t eb a c t 谢ai nt l l e t o pl a y e r 0 l o c m a r eb i g g e rt h a nt l l e m i d d l ea n dl o w e r1 a y e r s 10 3 0 锄 a n dd e i l i 锄牺n gb a c t 丽ai so p p o s i t e 3 t h et 锄p o r a lm i c r o o r g a i l i s m sd i s t r i b u t i o ni nd i f i 研e i l ts e a s o n s a td i 毹r 跚t 甑p 嘶m e n t a l p o i n t s m eb a c 蜘a lc o u n to f 锄m o n i 蛳n gb a c t e r i ai ns p r i n gi sb i g g e rt 1 1 a nt h a ti ns u m m e ra n d 谢n t e r a n di tr e a c hm ep e a l o nm a y t h eb a c t 舐a lc o u n to fn i t r i t eb a c t 甜ai na u t l l m ni sb i g g e r t l l a i lt h a ti ns u m m e ra i l dw i n t 盯 a n di tr e a c ht h ep e a ko nn o v 锄b e r m eb a c t 两a lc o u n to f d e i l i t r i 蛳n gb a c t 甜ai ns u m m e ri sb i g g e rt h a nt h a ti nw i n t a n di tr e a c ht h ep e a l 0 na u g u e s t 4 t h em i c r o o r g a n i s m sd i s t r i b u t i o nu n d e rd i f i e r 饥th y 出a u l i cl o a d h l i i ll a b o r a t o r yt 船t m eb a c t 甜a lc o u n to f 锄m o n i 毋i n gb a c t e r i a 锄dn i t r j t eb a c t e r i ar e a c h e dt h ep e a l w h e nh y d r a u l i c 1 0 a dw a sf b mo 3m 3 m 2 d o 6m 3 m 2 d 0 9m 3 m 2 dt o1 5m 3 m 2 d w h e nt 1 1 eh lr e a c h e d2 0 m 3 m 2 d i t sc o u n tb e g a i ld e c r e 鹊e d t 1 1 eb a c t e r i a lc o u mo fd e n i 仃i 黟i n gb a c t e r i ar e a c h e d 1 ep e a k w h e nh li so 9m 3 m 2 d i 沁s u l t so fp i l o tt e s ti nw i n t e rw i m o u tp l a n t ss h o w e d 埴l a tt h eb a c t e r m c o u n to fc c w s 岫d e rt 1 1 eh y d r 鲫l i cl o a di s0 9 m 3 m 2 dw 私s i 鲥f i c i e n t l yh i 曲e rm a i lm a to f 1 5 m 3 m 2 d 5 1 1 1 em i c r o o r g a i l i 锄s p a l i a ld i 矧b 嘶0 ni n f l u e n c e d b yd i f f 舐n tp l 锄皓 1 1 h ed i 疏r e n tp l 舭t s h a dan o 劬1 ys i 印i f i c 枷e 仃e c to nt h es p a t i a ld i s t m u t i o no f 锄m o n 蛳n gb a c t e r i aa n dn 耐t e b a c t 喇ai 1 1i v c w 锄ds s c w 卸d 廿1 es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fi l i t r i t eb a c t e r i a 锄dd e i l i t r i 矽i n g b a c t e mi ns c w i nc o n s 协j c t e dw e t l 锄d ss e r i e s 廿l eb a c t e r i a lc o u n to f 锄m o n i 匆i n gb a c t e 血锄d n 耐t eb 鳅e r i ai nj 卜妇z 坫p 甜缸d 凇三加2 砌 铝研打嚣 j 胁 c 璎粥刀耙口r h i z o s p h e r ew e r eh i 曲e rm a n 铂嫩o tl 诚d p ep a l 的p h y l l n s n 醇t a r i ns n g i t t 的l i l y 伽瑚ns n l i c a r i a 弧az e p 鲰r 锄t h e sc 册d i d t h em i c r o o 曙m i s mi nt h e 尸锄r 口卵豇嚣r h i z o s p h e r eo fs c wi st l 屺h i 曲e s ti nt i l ec o n s 仃u c t e d v e 喧l a n d ss e r i e s 6 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb 咖e e nl o n 西t u d i n a l d i s t 曲u t i o no fd e n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i a 锄d e f j e i c i e n c y o fn i 打o g e nr e m o v a l f o ri v c w t h et n 锄d 砌o n i ar e m o v a le 伍c i e n c yw 够 p o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h eb a c t e r i a ic o u n to f 锄m o n i 黟i n gb a c t i r i aa 1 1 dn i 仃i t eb a c t e r i a 锄dw 鹤 n e g a t i v e l yc o l l r e l a t e dw i t ht h eb a c t e r i a lc o u n to fd e n i t r i 母i n gb a c t e r i a i t sh i 曲7 r nr e m o v a l e f e i c i e n c y a n dm i c r o o 唱锄i s m sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sd e m o n s 缸锄e dt h a tt h e r ep e r h 印s e x s i s t e di t sd e n i 仃i f i c a t i o nm e c h a n i s mi ni v c w f o rs c w 觚ds s c wt h et n 锄d 锄m o n i a r e m o v a le f f i c i e n c yw a sp o s i t i v e l yc o n e l a t e dw i t ht h eb a c t e r i a lc o u n to fd e n i t r i 匆i n gb a c t e r i a i t d e m o n s t r a t e dt h a tt h en i t r i f i c a t i o n 柚dd e n i t r i 矗c a t i o nr e a c t j o no f m i c r o d r g 锄i s m sa r et h em a i nw a y f o rd e n i t r i f i c a t i o nm e c h a n i s mi nt h e s es y s t e m s k e yw o r d s c o m b i n a t i o n a lc o n s t m c t e dw e t l a n d ss y s t e m a m m o n i 匆i n gb a c t e r i a n i t r i t eb a d e r i a d e n i t r i 矽i n gb a c t e r i a n i t r o g e nr e m o v a lm e c h a j l i s m 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已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 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 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 垒亘硅溯年易月i 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 世纪以来 工业迅速发展 人口大量增加 地球自然资源被大规模开发 利用 在单一追求经济利益的驱动下 大量生产和生活废水 废弃物 有毒化学 物品不作处理排放水体 致使水体污染日益严重 1 1 1 9 9 8 年 联合国可持续发展 委员会呼吁联合国系统开展 淡水资源可持续发展 管理保护和利用 的定期评 价 对 淡水资源状况和潜在的问题进行全球范围的分析 2 0 0 3 年3 月1 6 日 至2 3 日在日本东京举行的第三次世界水论坛召开期间 联合国有关部门发表了 世界水发展报告 2 j 该报告是当今一份观点最全 数据最新并具有全球范围 大量丰富图片的水资源现状报告 报告指出 随着社会的发展 世界许多地方人 均用水不足的问题日益恶化 水资源正在因为世界人口增加 环境污染和气候变 化而逐步减少 全球水危机将达到空前的水平 我国处于经济起飞阶段 水体污染情况较为严重 全国9 5 万如河流 有 1 9 万k m 受到污染 0 5 万k m 受到严重污染 松花江 淮河 海河和辽河水系 污染较重 8 6 的城市河流受到不同程度污染 3 1 全国七大流域中 太湖 淮河 黄河流域都有7 0 以上的河段受到污染 海河 松辽流域污染也相当严重 污染 河段占6 0 以上 水利部门最新调查资料显示 2 0 0 5 年 4 现在废污水排放量 已超过8 0 年代初的一倍以上 年排废污水达6 0 0 亿吨 其中8 0 以上未经处理 直接排入江河湖库以及近海海域 使这些水域遭受到前所未有的大面积污染 其 直接后果是大自然终于开始报复人类了 北方城市的沙尘暴频繁发生 太湖的蓝 藻爆发 沿海的赤潮危机以及大量沿海 沿湖渔场的鱼类资源日益匮乏都在警示 我们污染水体治理已经到了刻不容缓的地步f 引 全球性水污染问题已对人类生存和经济发展构成越来越严重的威胁 防治水 体恶化 保护水资源 走可持续发展的道路己成为人类共同追求的目标 为了降 低水体污染带来的危害以及维护生态安全 越来越多的国家和地区都在进行污染 水体的修复工作 开发 研究和应用新型废水处理工艺和技术 已成为各国水污 染控制工程领域研究的重要课题 人工湿地系统正是顺应这一要求而发展起来的 一种简便有效的生态工程污水处理技术 6 第一章绪论 1 2 人工湿地概述 人工湿地最早由澳大利亚的m a c l i l e v 于1 9 0 4 年提出 是指模拟自然湿地人 工建造和监督控制的 工程化的沼泽地 利用自然生态系统中的物理 化学和生 物三重协同作用来实现对污水净化作用的人工生态系统 7 一 由于人工湿地类型 和功能的多种多样 国际上对其定义没有一致的规定 但综合起来看 国际上普 遍接受的是由美国著名的湿地研究 设计与管理学家h a m m e r 等人对人工湿地的 定义 一个为了人类的利用和利益 通过模拟自然湿地 人为设计与建造的饱和 基质 挺水与沉水植被 动物和水体组成的复合体 即指通过模拟天然湿地的结 构和功能 在一定地理位置 根据人们的需要进行人为设计和建造的湿地 9 人工湿地处理污水具有高效率 低投资 低运行费用等特点 坝 具体如下 1 人工湿地对污水处理效果较好 可缓冲水力和污染负荷的冲击 进行 有效可靠的废水处理 国外研究表明 在进水浓度较低的条件下 人工湿地b o d 5 的去除率可以达到8 5 9 0 c o d 的去除率可达8 0 以上 处理出水b o d 5 的浓度在1 0 m g l 左右 s s 小于2 0 m 1 1 对氮的去除率可达6 0 对p 的去 除率可达9 0 以上 1 2 2 人工湿地建造和运行费用低 易于维护 技术含量低 一般湿地系统 投资和运行费用仅为传统二级污水处理厂的1 1 0 1 2 对我国已建成的常规生 化二级污水处理厂投资分析表明 人工湿地的投资远远低于常规二级污水处理设 施 具体分析见表1 2 1 1 3 表1 2 1 人工湿地与其它工艺比较表 一称 式篇甏资怒嚣嚆电篙 一深圳某厂聂瓦曝百一五丽 磊石 蜀证 一 万矿一o 1 亨厂一一磊亨一 珠海某厂鼓风曝气 1 5 0 08 3 3 o 2 4 2 00 61 2 海南某厂鼓风曝气 5 7 45 7 40 21 0 2 40 2 81 2 白泥坑工程人工湿地4 2 91 3 80 2oo2 7 9 3 人工湿地可促进废水中植物营养素的循环 使废水中所含有的有用物 质以作物生产形式再利用 因此可产生直接和间接效益 如水产 畜产 造纸原 料 建材 绿化 野生动物栖息 娱乐和教育 14 1 例如 人工湿地系统处理污水 技术可使用于远离城市污水管网的居民小区 别墅区 旅游景区及中小城镇的污 2 第一章绪论 废水的治理 其显著的生态环境效应和较强的观赏性 可与大都市的风景园林建 筑相结合 建设集景观 娱乐和污水处理于一体的旅游景点 1 2 2 人工湿地类型及脱氮效果分析 从工程设计的角度出发 按照系统布水方式的不同 人工湿地可划分为表面 流人工湿地 s u r f a c ef 1 0 ww e t l a n d s f w 潜流型人工湿地 s u b s u r f a c ef l o w w e t l a n d s s f w 和垂直流湿地 v e n i c a lf l o ww e t l a j l d v f w 三种类型 1 5 1 7 1 1 表面流人工湿地 j 入迷水t l三 j眵 萝 鼍 篁t j孑 j 出水 j q j p 二 f 上 o 吗p 屯矿 嘶 黧 3 f i 7 糯赫盏 尹 二毫 袅囊 剃 c 0 蝠q 能翻函例v 啪 z 点l 已一t j i j t j 曩j u由西t 鬣 图1 1 表面流人工湿地系统示意图 表面流人工湿地根据植物种类的不同可以分为挺水型 浮水型 沉水型植物 人工湿地 废水在填料或土壤表面漫流 水深较浅 一般在0 1 0 6 m 它与自 然湿地最为接近 绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎 杆上的生物膜来 完成 因而不能充分利用填料及丰富的植物根系 具有投资省 操作简便 运行 费用低等优点 但占地面积较大 水力负荷较低 去污能力有限 溶解氧主要来 源于水体表面扩散 植物根系的传输 但传输能力十分有限 湿地系统运行受气 候影响较大 夏季有孳生蚊蝇的现象 产生不良气味 冬季有容易结冰等缺点 2 潜流人工湿地 帛爪 型 i 图l 一2 潜流人工湿地系统示意图 潜流人工湿地系统中水在填料床内部流动 一方面可充分利用填料表面 植 物根系上生长的生物膜和丰富的植物根系 表上层以及填料的截留等作用 以提 高其处理效率 另外 方面由于水流在地表下流动 故具有保温性较好 处理能 j 受气候影响小 甲生条件好的特点 与表面流人工湿地相比 潜流人工湿地的 上囊竹 一 寸审尹上参节辫攀 激震 第一章绪论 水力负荷大 对b o d c o d s s 重金属等污染物的去除效果好 而且很少有 恶臭和孳生蚊蝇现象 但其脱氮除磷效果不如垂直流人工湿地 3 垂直流人工湿地 进水 一 进水 进水 ll j l 叫lrlifi 基质 图1 3 垂直流人工湿地系统示意图 垂直流人工湿地系统的水流运动结合了表面流和潜流的特点 水流在填料床 中基本呈由上向下的垂直流动 水流流经床体后被铺设在出水端底部的集水管收 集而排出系统 垂直流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地 可用于处理 氨氮较高的污水 但构造比较复杂 且对s s 去除率不高 所以常在垂直流人工 湿地后连接水平潜流人工湿地 这种湿地系统单位面积处理效率高 占地面积小 但其建造要求较高 较容易滋生蚊蝇 4 复合垂直流人工湿地 复合垂直流人工湿地 i n t e r g a t e dv e n i c a lc o n s t m c t e dw e t l a i l d i v c w 由两个 或多个单元池组成 按各个单元池的水流方向分类 可分为下行池和上行池 水 流方向自上而下的 成为下行池 在压力的作用下 水流方向自下而上的 成为 上行池 废水进入下行池后 向下渗透 然后由下行池底部水平自行流入上行池 底部 并向上分别经过砾石层和沙层 被位于上行池沙层表面的集水管道均匀收 4 第一章绪论 集 最后通过出水管流入集水池 这种循环的水流方式确保了废水与湿地基质 植物根系的充分接触 有利于提高人工湿地的净化效果 5 人工湿地组合工艺 根据不同的污水特征 单个人工湿地技术特征及效率提高要求 可以将不同 类型的人工湿地进行组合 如将水平流和垂直流组合构成混合流人工湿地技术 将垂直流系统放在组合系统前端 输氧率高 处理效果较好 同时可以通过反硝 化去除总氮 将水平流系统前置于垂直流系统 先去除部分t s s 有效地防止了 堵塞 人工湿地也可与氧化塘等进行串联组合 1 8 1 将不同类型的人工湿地进行组 合 有利于提高系统的处理能力 如陈德耐1 9 等人研究了潜流湿地 下行流湿地 上行流湿地 好氧塘和兼性塘等不同组合工艺对污水的净化效果 发现下行流湿 地 上行流湿地 潜流湿地对t s s c o d b o d 5 的去除效果好 下行流湿地 氧化 塘对n h 4 n 的去除效果好 而单独的潜流湿地的处理效果比其它复合工艺都差 不同类型人工湿地系统对氮的去除效果比较见表1 2 2 表1 2 2 各种类型人工湿地对氮去除效率的比较 湿地类型 氮处理效果 表面流人 工湿地 潜流人工 湿地 表面流人工湿地对t n 的去除率都随着停留时间的增长而增大 无植物种 植湿地总氮的去除率达6 0 有植物种植湿地 芦苇 时达7 5 2 0 2 表面流人工湿地对氨氮以及凯氏氮的去除比潜流人工湿地效果更好1 2 到 氮 的去除率可达到6 6 嘣耶j 砾石潜流湿地脱氮效果最佳 总氮的去除率接近6 0 氨氮的去除率近 9 0 硝态氮去除率也超过了5 0 明显好于表面流湿地1 2 4 j 潜流人工湿地通过植物吸收能使t n 从1 0 m g l 降到1 m g l 氮的去除主要 通过反硝化途径睇引 垂直流人 垂直流湿地优于水平流 复合垂直流较单一垂直流效果好 间歇运行优于 工湿地 连续运行1 2 引 售厶乖古 复合垂直流人工湿地对各态氮都有较好的去除效果 总氮去除率为 薰言军嚣 4 3 6 3 硝态氮 亚硝态氮沿水流方向也逐渐减小 氮的去除主要发生在 i 下行池 而上行池因溶解氧低 有机碳不足和系统向水中释放氮的原因 垲 脱氮效果不明显 2 7 2 8 1 拥 t 组合人工湿地对氮的去除效果相比单个湿地系统得到明显提高 t n 去除 一品翁一 率可达8 0 以上 n h 4 n 去除率可达9 1 以上 亚硝氮去除效率达8 5 以上 对各形态氮有较好的综合去除效果f 2 9 1 3 人工湿地脱氮机理 人工湿地的脱氮机理一直是人们关注的焦点 湿地中氮主要以有机氮和无机 氮两种类型存在 其中无机氮又由氨态氮 亚硝态氮以及硝态氮三种形式存在 5 第一章绪论 含氮化合物是生物生长的最基本的营养盐 人工湿地中主要的无机氮为n h 4 n 0 2 和n 0 3 可能出现的含氮气体为n 2 n 2 0 n 0 2 n 2 0 4 n h 3 l 州j 人工湿地中不同形式的氮之间存在着相互转变 从无机物变成有机物 从有 机物再变成无机物 人工湿地中氮的转变见表1 3 1 3 表1 3 1人工湿地中各种形式氮的转变 作用转变 挥发作用 氨化作用 硝化作用 硝化 氨化作用 反硝化作用 n 2 的固定 植物 微生物吸收 氨的吸收 有机氮的吸附沉降 厌氧氨氧化作用 n h 4 n h 3 有机氮一氨氮 氨氮一亚硝酸盐氮一硝酸盐氮 硝酸盐氮 氨氮 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮 n 2 n 2 0 n 2 一氨氮 有机氮 氨氮 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮 有机氮 氨氮 气体n 2 这些转变形式中起主要作用的为 氨的挥发作用 氨化作用 硝化作用 反 硝化作用 植物的吸收作用以及厌氧氨氧化作用 1 氨的挥发作用 氨挥发是一个物理化学过程 该过程的发生与p h 有关 r e d d y 和p 删c k 指 出 当p h 7 5 时 氨的挥发是可以忽略的 当7 5 p h 9 3 时 氨的挥发作用较显著f 3 2 s t o w e l l 指出在 氮的去除中氨的挥发速率可高达2 2 9 n m 2 d 3 3 1 2 氨化作用 氨化作用指将有机氮转变成氨的过程 其本质过程是氨基酸的分解过程 包 括不同类型的脱氨基反应 氧化脱氨基反应过程见式 1 1 在土壤层发生的脱 氨基反应见式 1 2 3 4 1 氨基酸一亚氨基酸一酮酸一n h 3 1 1 氨基酸一饱和酸一n h 3 1 2 氨化作用的速度与温度 p h c n 比 可获得的营养物质等因素有关 有 氧时利于氨化 而厌氧时氨化速度降低 据报道 氨化作用的最佳温度范围为 4 0 6 0 p h 范围为6 5 8 5 f 3 5 氨化作用的速度通常高于硝化作用 速度范 围为0 0 0 4 0 5 3 9 n m 2 d 3 6 3 7 1 3 硝化作用 6 第一章绪论 硝化作用指将氨氧化成亚硝酸盐氮 再进一步氧化成硝酸盐氮的过程 p a u l 和c l a r k 3 8 指出硝化过程通过两种微生物群落的两步反应来实现 一种微生物群 落将氨氧化成亚硝酸盐氮 另一种将亚硝酸盐氮氧化成硝酸盐氮 反应分别见式 1 3 1 4 及 1 5 m 4 1 5 0 2 一n 0 2 2 旷 h 2 0 1 3 n 0 2 加 5 0 2 一n 0 3 1 4 n h 4 十 2 0 2 一n 0 3 2 h h 2 0 1 5 硝化作用与温度 p h 水的碱度 无机碳源 湿度 微生物种群 氨的浓 度 d o 等因素有关 每将1 9 氨氧化成硝酸盐氮需要消耗4 3 9 0 2 和7 1 4 9 碱 以 c a c 0 3 计 在纯培养物中硝化反应发生的最佳温度为2 5 3 5 在土壤中最佳 温度为3 0 4 0 亚硝化茵最低生长温度为5 硝化菌最低生长温度为4 2 7 硝化反应的最佳p h 范围为6 6 8 o 捌 速度范围为0 0 1 2 1 5 9 n m 2 d 平均 速度为0 4 8 9 n m 2 d 3 6 1 4 反硝化作用 反硝化作用指将硝酸盐氮 亚硝酸盐氮 氧化氮 氧化亚氮的形式转变成氮 气的过程 从生物化学的角度来看 反硝化作用是一个细菌过程 气态含氮化合 物作为最终产物 反应见式 1 6 6 c h 2 0 4 n 0 3 一6 c 0 2 2 n 2 6 h 2 0 1 6 这个反应是不可逆的 仅发生在缺氧或厌氧状态下 e h 3 5 0 1 0 0 1 1 1 v 反硝化过程中 含氮气体的产生见式 1 7 1 8 m 4 c h 2 0 4 n 0 3 4 h c 0 3 2 n 2 0 2 h 2 0 1 7 5 c h 2 0 4 n 0 3 一h 2 c 0 3 4 h c 0 3 2 n 2 2 h 2 0 1 8 实际上从硝酸盐氮到n 2 的生物化学过程可由式 1 9 表示 2 n 0 3 一2 n 0 2 一2 n o n 2 0 n 2 1 9 反硝化影响因子有 0 2 e h 土壤湿度 温度 p h 反硝化菌群 土壤类 型 有机物质 氮的浓度等 每反硝化1 9 硝酸盐氮成氮气 需要消耗相当于 2 8 6 9 b o d 的有机物并产生3 0 9 碱 以c a c 0 3 计 可能发生反硝化的最小碳氮 质量比为1 最佳反硝化p h 范围为6 o 8 o 在p h 5 时 反硝化作用仍在进行 但反应速度缓慢 当p h 4 时 反硝化作用可以忽略 反硝化作用在6 0 6 5 时 7 第一章绪论 反应最迅速 在低于该温度时 反应速度迅速下降 在温度低于5 时 反硝化 作用仍然存在 3 9 反硝化作用速度范围为o 0 3 1 0 2 舭2 d 3 6 5 厌氧氨氧化作用 厌氧氨氧化作用即在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体 将氨氮氧化为氮气的生物反应过程 这种反应通常对外界条件 p h 值 温度 溶解氧等 要求比较苛刻 但这种反应由于不需要氧气和有机物的参与 因此对 其研究和工艺的开发具有可持续发展的意义 以往大量的研究揭示了水一沉积物界面的氮循环过程主要有氨化 硝化和反 硝化 但很早以前人们发现了一些n 2 产生的异常现象h 1 1 1 9 9 5 年m u l d e r 等 4 2 在 研究生物反应器反硝化过程时发现了氨可以直接作为电子受体进行反硝化 并称 其为厌氧氨氧化过程 d e 研a a f 等 4 3 1 又通过实验证实了该过程是在微生物的 作用下进行的 这种微生物 锄a m m o x 菌 在微生物分类系统中属于 讹刀咖叼 c p 砒s 目心 在实验室发现了这种新的氮循环过程后 研究者开始探 索存在这一现象的更广泛的环境空间 此项研究的开展对于进一步探讨湿地生态 系统中氮的生物地球化学循环规律具有重要的理论意义 6 植物吸收作用 氮的吸收涉及到一系列生物过程 这些过程将无机氮转变成有机化合物 用 来构成细胞和纤维 植物对氮的去除主要体现在三个方面 1 吸附作用 无机 氮作为营养元素被植物吸收用于生长 通过收割的形式被去除 2 提供碳源 植物死亡腐烂后的有机碳为反硝化作用提供了碳源 3 植物根系为微生物提供 载体 同时也创造了适宜微生物生长的环境 植物吸收氮的能力受植物数量及植 物纤维中氮含量的影响 不同的植物类型和种类对氮的吸收潜能有差异 浮水植 物的对氮的吸收量为2 0 0 0 6 0 0 0 k g n 1 1 n 1 2 a 1 挺水植物对氮的吸收潜能为 1 0 0 0 2 5 0 0 k g n l l i i l 2 a 1 而沉水植物对氮的吸收潜力相对较低 吸收潜能 3 时 才能认为系统反硝化作用需要的碳源充 足 当c n 5 时 可以获得较好的反硝化效果 6 3 1 2 温度 温度变化不仅影响湿地系统中微生物的代谢速率 而且还影响到其它重要的 环境因子 如营养循环和初级生产等 这些因子往往会影响到微生物群落的结构 和功能畔 硝化 反硝化作用受温度影响随季节的改变而变化 当温度 4 0 时 硝化菌活性降低 在夏季几乎能达到完全反硝化 当季节温度 1 5 时 反硝化作用明显受到限制 6 5 1 3 溶解氧 由于湿地系统中溶解氧状况可为好氧 微好氧 兼性厌氧和厌氧环境 为微 生物提供相应的生境 人工湿地系统中溶解氧浓度随水力波动会有变化 在植物 根区附近存在好氧环境 但往往根区提供的氧还不足以创造高氧化条件 6 6 在潜 流式系统中 好氧过程主要发生在近根部和根表面 在垂直流系统下行池中 由 于供氧充分 微生物主要为好氧性的硝化菌和亚硝化菌为主 而在潜流式系统中 由于供氧不充分 微生物以反硝化菌为主 硝态氮会被立即还原 阻碍了亚硝酸 l o 第一章绪论 盐和硝酸盐的积累f 6 7 当水中d o o 2 m g l 反硝化作用受到抑制 6 8 1 4 氧化还原电位 湿地系统中介质的氧化还原性质是影响碳氮磷生物地质循环的重要因素 6 9 通常用氧化还原电位来表征土壤等介质的氧化还原性质 根据氧化还原电位 人 工湿地一般可分为3 个区 7 0 即表层的弱还原区 中层的中等还原区和底层的强 还原区 溶解氧浓度为1 5 2 5 m g l 的水层被认为是弱还原区 介质层溶解氧 浓度逐渐降低 0 2 0 c m 和2 0 5 0 c m 的介质层分别为中等还原区和强还原区 7 1 1 由于相对较高的溶解氧和氧化还原电位 湿地水层微生物的氨化 硝化一反硝化 作用显著 是氮去除最活跃的区域 介质层由于溶解氧和氧化还原电位较低 氮 的去除效率相对较低 7 2 1 5 p h 值 湿地环境的p h 值影响着微生物的代谢 以氮循环为例 当p h 值在6 5 8 5 时有利于好氧和厌氧微生物对含氮有机物的氨化作用的发生 p h 值 8 o 氨氮 主要以氨的形式挥发去除 p h 6 0 时硝化细菌的活性显著下降 p h 5 o 时硝 化作用基本可以忽略 反硝化产生的气体是湿地处理被关注的一个问题 反硝化 产生的n 2 0 和n o 是温室气体 通常在酸性条件下产生 当p h 6 o 6 5 时产 生的n 2 0 明显增多 占到气体产物的5 0 7 3 1 根据研究人员的统计分析 7 4 1 湿 地系统的p h 保持在6 0 以上 反硝化产生的气体就以n 2 为主而不是n 2 0 或n o 6 植物 湿地植物包括挺水植物 沉水植物和浮水植物 对湿地净化及微生物的影响 主要包括以下几个方面 提供氧气 污染物降解所需氧气主要来自大气自然复氧和植物输氧 研究表 明 硎水生植物的输氧速率远比依靠空气向液面扩散的输氧速率大 植物的输氧功 能对人工湿地降解污染物耗氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量 根系向土壤 中传送的氧使得根系周围形成了良好的微生物生长环境和硝化反硝化环境 吸收污染物质 水生植物可直接吸收利用污水中的氮 磷等营养物质供其生 长发育 同时还能吸附 富集一些有毒有害物质 7 5 j 维持系统的稳定 在炎热的夏天 茂密的植物覆盖阻挡了阳光对水面的直射 第一章绪论 阻止了水体温度过高 保护了水中各类功能性微生物的正常繁殖 也阻止了水面 藻类的过度繁殖 在冬季 植物地上部分死亡 但其根系附近各类微生物的数量 基本上保持在较高的水平上 保证了湿地系统在冬季仍有较高的处理效率 7 6 j 影响湿地水力条件 植物根系对湿地容水体积的占用及基质上下层水流通道 的沟通 改善了湿地水力流动状况 还可以加强人工湿地系统内的水力学传输 7 有利于均匀布水 延长系统实际水力停留时间 7 8 a b i s s y 7 明在对半干旱地区两种 沉水植物净化废水效果的比较研究中发现 有植物系统维持了基质的孔隙度 而 无植物系统湿地冬天发生了堵塞 而且即使较板结的土壤 在2 5 年内 经过 植物根系的穿透作用 其水力传输能力可与砂砾碎石相当 s 0 为微生物提供附着场所 人工湿地水生植物的根系常形成一个网络状的结 构 并在植物根系附近形成好氧 缺氧和厌氧的不同环境 为各种不同微生物的 吸附和代谢提供了良好的生存环境 8 l 植物根系的生长对湿地系统内微环境的改 变有显著影响 植物根系的生长不仅能增加湿地内溶解氧的传输 更能通过根分 泌物影响系统中微生物的特性进而影响系统的处理效果 8 2 植物根系为微生物提 供了理想的生存环境 根分泌物种类繁多 数量各异 不仅有糖 有机酸 氨基 酸等初生代谢产物 还有酮酚和胺等次生代谢产物以及一些不知名的代谢物 8 3 1 这些代谢物作用于根际 一般指根 土界面不足1 i m n 到几i 啪范围的根区土壤 周围环境 产生根区效应 根际微生物是聚集在根际土壤 以根际分泌物为主要 营养的一群微生物 根分泌物为土壤微生物提供了大量的营养和能源物质 根际 微生物不仅种类和数量远高于非根际土壤 而且其代谢活性也比非根际微生物 高 植物的存在使人工湿地系统中的微生物如硝化细菌 反硝化细菌的数量显著 增加1 8 4 j 因此 研究植物对人工湿地中微生物数量的影响至关重要 1 5 主要研究内容和技术路线 1 5 1 遗壤酬良据 微生物的硝化 反硝化作用是人工湿地脱氮的重要途径之一 近年来 国内 外学者对单一人工湿地系统微生物的时空分布及其脱氮相关性方面开展了大量 的研究 但由于湿地系统的多元性 湿地组合工艺的多样性及其处理污水成分的 复杂性 进一步系统的开展湿地微生物的时空分布及其脱氮效率研究 对于优化 1 2 第一章绪论 湿地系统结构 提高污水处理效率具有重要的理论意义及实践价值 论文选题来源于江苏省省级污染防治专项 淮河入海水道南泓污染生态处理 工程项目 淮河入海水道与苏北灌溉总渠平行 西起洪泽湖二河闸 东至滨海 县扁担港入黄海 全长1 6 3 5 k m 位于淮阴 盐城2 市境内 经过清浦 淮安 阜宁 滨海4 县 区 南水北调工程实施后 淮河入海水道受纳了徐州市 宿 迁市 淮安市原排入京杭运河的城市污 废 水及污水处理厂尾水 污染负荷远 远超过了淮河入海水道的纳污能力 污染河水严重加剧了入海口及近岸海域环境 污染 为解决大运河淮安段水质污染问题 淮安市制定的 南水北调东线工程淮 安段 大运河控制单元 治污方案 建设了淮安市里运河截污 清安河导流工程 淮安市城市尾水全部排入清安河 并经清安河入流淮河入海水道 论文以清安河污染河水为研究对象 针对无机氮超标现状 采取复合流 表 面流一潜流多级串联组合人工湿地系统处理污染河水 研究多级串联组合人工湿 地系统对污染河水的处理效率及主要脱氮微生物氨化细菌 亚硝化细菌 反硝化 细菌的时空分布特征 利用统计学软件 进行了相关性分析 聚类分析及主成份 分析 探讨了组合人工湿地微生物作用下的脱氮机制 以期为人工湿地工艺优化 及脱氮效率提高提供依据 1 5 2 研究内容及技术路线 论文在阅读了国内外大量文献的基础上 构建了垂直流 表面流 潜流多级串 联组合人工湿地小试装置 在小试装置及两套相同的野外中试系统上 开展了主 要脱氮微生物氨化细菌 亚硝化细菌 反硝化细菌的时空分布特征及多级串联组 合人工湿地微生物作用下脱氮机制的研究 主要研究内容以下 1 污染河水水质监测 资料收集 文献阅读 清安河河水水质监测与分析 确定污染河水主要处理目标 人工湿地处理技 术特征 处理效率及应用分析 2 多级串联组合人工湿地系统小试实验装置及中试系统构建 多级串联组合人工湿地小试系统构建 包括 试验装置 基质及植物选取 多级串联组合人工湿地中试系统建设 包括 系统构建 基质 植物选取及其工 程建设 3 多级串联组合人工湿地系统脱氮微生物群落分布特征研究 第一章绪论 组合人工湿地系统脱氮微生物时 空分布特征研究 通过小试及中试系统 开展系统各单元脱氮微生物的优势菌群 脱氮微生物垂向分布特征及随季节变化 的分布特征研究 不同水力负荷影响下的脱氮微生物分布特征研究 通过小试及中试系统 对 水力负荷影响下的系统脱氮微生物数量分布特征进行研究 植物影响下的微生物分布特征 分析植物种类及不同配置方式下植物根际脱 氮微生物分布特征 研究植物系统对脱氮微生物分布影响 4 沿程脱氮微生物分布与脱氮效率的相关性研究 分析系统水流沿程方向上总氮 氨氮 亚硝氮的净化效率及氨化细菌 硝化 细菌及反硝化细菌的分布特征 采用数据统计学分析手段 分析系统总氮 氨氮 亚硝氮净化效率与氨化细菌 硝化细菌及反硝化细菌分布的相关性 具