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水平潜流人工湿地氮循环微生物效应及生态模型研究

作　者: 修海峰
导　师: 朱仲元；丁爱中
学　校: 内蒙古农业大学
专　业: 农业水土工程
关键词: 水平潜流人工湿地 氮素 微生物 PCR-DGGE 生态动力学模型
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文以水平潜流芦苇砾石床人工湿地系统为研究对象,以防治水污染为目的,开展了以下研究内容:水平潜流湿地氮去除速率及主控因素分析;水平潜流湿地氮形态分布及转化规律的研究;水平潜流湿地氮转化微生物沿程分布和种群分析;水平潜流人工湿地总细菌及氨氧化细菌多样性研究;特征脱氮菌种筛选、鉴定及生理生化特性分析;水平潜流湿地氮循环生态动力学模型研究。得出主要研究结论如下:（1）在平均水力停留时间3.85h的条件下,通过对水平潜流人工湿地氮素去除效率分析,水平潜流人工湿地系统表现出一定的除污能力,进水COD、NH4+-N、NO3--N、Org-N和TN浓度为分别7.812.7mg·L-1、0.0515.0mg·L-1、1.35.2mg·L-1、0.665.18mg·L-1、2.220.0mg·L-1,芦苇砾石床系统的年平均去除率为25.8%、10.0%、42%、31.2%和18.9%。季节变化对污染组分的去除效率影响非常显著,在寒季系统对COD、NH4+-N、NO3--N、Org-N和TN的去除效率有所下降,各组分的平均去除率约为11.2%、6.5%、31.0%、20.5%和15%左右。（2）季节变化对温度和污染负荷率两个因子的影响显著。进水温度在0.924.8℃之间变化时,各形态氮素的体积去除速率常数Kv与温度呈正相关,NH4+-N、NO3--N、Org-N和TN的Kv值分别为0.010.2d-1、0.030.3d-1、0.070.3d-1和0.020.15d-1;温度在20℃时的体积去除速率常数Kv20分别为0.0769、0.1673、0.1508和0.0732 d-1,说明该湿地系统对NO3--N、Org-N的消减速率较NH4+-N大。NH4+-N和Org-N的去除速率与负荷率呈对数正相关,当NH4+-N的负荷率为15gN·m-2·d-1时,其最大去除速率为1.02gN·m-2·d-1;当Org-N的负荷率为3.2gN·m-2·d-1时,其最大去除速率可达到0.36gN·m-2·d-1。（3）通过对16项进出水理化指标的主因素分析,确立了5个主因素,主因素1与进出水温度呈负相关,关系相对最为密切;主因素2和3分别与湿地进水NO3--N和NH4+-N负荷呈正相关;主因素4和5分别与进水DO和ORP关系最为密切,且均呈负相关。在16项进出水指标的分析中主因素的排列顺序是:温度>NO3--N负荷>NH4+-N负荷>DO>ORP,与5项出水指标主因素分析排列顺序略有不同,其主要原因是人工湿地作为一个独立的生态系统,影响因素比较复杂、具有不确定性,但温度作为主要的影响因素地位明显高于其它因素。（4）比较了根际与非根际的硝化/反硝化强度及呼吸作用强度,研究发现根际效应显著强于非根际。通过对氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌及反硝化细菌等四种脱氮种群的研究发现,氨化细菌的数量级在1081010cfu之间,其沿湿地空间位置（长度）数量分布无规律性变化;亚硝化细菌的数量级在103107MPN之间,从湿地进水端至尾端亚硝化细菌的数量逐渐减少,尤其在暖季变化显著;硝化细菌的数量级在105107MPN之间,其分布无显著变化,暖季时硝化细菌的数量是前端、中部高于尾端;反硝化细菌的数量级在104107MPN之间,湿地系统尾端数量略高于前端。（5）运用PCR-DGGE技术,比较真实的反应了水平潜流人工湿地系统中微生物种群结构及分布特征。水平潜流人工湿地中微生物种群多样性随着水流方向呈现先逐渐减少的趋势。通过湿地系统沿程COD与Shannon指数相关性分析,发现芦苇砾石系统沿程COD变化与Shannon指数相关性较好,不同季节湿地系统中微生物多样性的空间分布特征对处理有机物效能存在差异。对氨氧化菌群落结构多样性的研究表明:不同季节水平潜流人工湿地中氨氧化菌的时空变化显著,并分析得出了湿地系统的优势氨氧化菌种,可为系统氨氮去除途径的分析提供微生物学标识。（6）筛选出9株反硝化细菌均具有一定的脱氮能力,脱氮反应主要发生在菌体生长的对数生长期,脱氮速率随着生物量的增加逐渐加快。脱氮能力对比结果显示菌株DF2和DF3脱氮效率最高,均能在72h内将90%的TN去除,最终脱氮率维持在95%左右。特别重点考察了菌株DF2的脱氮特性,利用16SrDNA技术对菌株DF2进行了鉴定,通过与参比菌株的比较,确定了该菌株的系统发育地位,结果表明该菌株位于德克斯氏菌属,至今未发现类似的报道。（7）水平潜流人工湿地系统硝化与反硝化作用是氮元素转化的主要途径之一,其速率分别达到了0.791gN·m-2·d-1和0.823gN·m-2·d-1;其次植物对氮的吸收0.747 gN·m-2·d-1;沉淀和再生速率也分别达到了0.514gN·m-2·d-1和0.446gN·m-2·d-1;其它贡献的途径如植物腐败0.282gN·m-2·d-1和矿化0.0126gN·m-2·d-1。在整个系统氮转化和去除的主要途径递减顺序为反硝化、植物吸收、沉淀。其中,反硝化作用占总氮去除的60.7%、植物吸收占34.3%、沉淀作用占5.0%,模型在预测结果方面具有一定的准确性和合理性。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-11
插图和附表清单  11-15
1 引言  15-28
  1.1 氮素污染及水环境中氮去除技术  15-16
  1.2 人工湿地概述  16-20
    1.2.1 人工湿地的定义  16
    1.2.2 人工湿地基本构成要素  16-17
    1.2.3 湿地主体脱氮作用研究现状  17-20
  1.3 人工湿地微生物多样性研究  20-21
  1.4 水平潜流人工湿地模型研究进展  21-24
    1.4.1 衰减方程  21-22
    1.4.2 一级动力学模型  22-23
    1.4.3 Monod 动力学模型  23-24
    1.4.4 生态动力学模型  24
  1.5 选题的依据  24-25
  1.6 研究的目的、意义及技术路线  25-26
    1.6.1 研究的目的及意义  25-26
    1.6.2 研究的技术路线  26
  1.7 本文的主要研究内容及创新点  26-28
    1.7.1 主要研究内容  26
    1.7.2 本文创新点  26-28
2 试验材料与方法  28-37
  2.1 试验场地  28
  2.2 试验方法与材料  28-32
    2.2.1 试验装置  28-29
    2.2.2 试验材料  29-30
    2.2.3 试验期间进水水质  30-32
  2.3 分析方法  32-37
    2.3.1 水质理化指标的测定  32
    2.3.2 湿地基质样品的采集  32-33
    2.3.3 湿地基质酶活性的测定  33-34
    2.3.4 湿地基质微生物数量的测定  34-35
    2.3.5 硝化/反硝化强度及呼吸强度的测定  35-37
3 水平潜流人工湿地氮转化机理研究  37-86
  3.1 水平潜流人工湿地氮去除影响因素研究  37-58
    3.1.1 水平潜流人工湿地除氮效率分析  37-41
    3.1.2 季节变化对氮素去除速率的影响  41-48
    3.1.3 温度和污染负荷对氮素污染物去除速率双因素影响  48-49
    3.1.4 潜流湿地进出水水质指标主因素分析  49-58
  3.2 水平潜流人工湿地生境因素及氮素形态分布研究  58-73
    3.2.1 pH 和 DO 时空变化规律及对氮去除的影响  59-62
    3.2.2 COD 的时空变化规律及对氮去除的影响  62-64
    3.2.3 水平沿程各形态氮素分布规律  64-65
    3.2.4 水平沿程各形态氮素平衡分析  65-70
    3.2.5 水平沿程硝化作用需氧量分析  70-72
    3.2.6 水平沿程脱氮作用需有机碳量分析  72-73
  3.3 水平潜流湿地酶活性及微生物生理群时空动态特征  73-84
    3.3.1 芦苇砾石床基质酶活性的时间动态分布  73-76
    3.3.2 脱氮细菌种群的时空动态分布  76-77
    3.3.3 脱氮种群数量的时空分布规律及除氮效率分析  77-81
    3.3.4 硝化-反硝化强度时空分布规律  81-83
    3.3.5 呼吸作用强度时空分布规律  83-84
  3.4 本章小结  84-86
4 水平潜流人工湿地微生物多样性的研究  86-101
  4.1 引言  86
  4.2 材料与方法  86-91
    4.2.1 基质样品的采集  86
    4.2.2 试验试剂与仪器  86
    4.2.3 实验方法  86-91
  4.3 结果与讨论  91-99
    4.3.1 基质样品总DNA 的提取  91-92
    4.3.2 PCR 扩增结果  92-93
    4.3.3 DGGE 结果分析  93-99
  4.4 本章小结  99-101
5 脱氮细菌的筛选鉴定及生理生化特性分析  101-120
  5.1 引言  101
  5.2 反硝化菌的筛选  101-103
    5.2.1 实验仪器与试剂  101
    5.2.2 反硝化细菌的分离和富集  101-102
    5.2.3 反硝化菌的脱氮性能考察  102-103
  5.3 结果与讨论  103-118
    5.3.1 反硝化细菌的筛选  103
    5.3.2 反硝化细菌的生理生化特性分析  103-105
    5.3.3 优势反硝化菌种的筛选及脱氮能力测试  105-113
    5.3.4 周质 NAR 亚基基因(napA)的扩增  113-114
    5.3.5 反硝化菌株的鉴定  114-118
  5.4 本章小结  118-120
6 水平潜流人工湿地氮循环生态动力学模型  120-132
  6.1 引言  120
  6.2 概念模型  120-121
  6.3 模型的构建  121-125
    6.3.1 质量平衡方程  121
    6.3.2 反应过程及速率方程  121-125
  6.4 模型的源程序  125
    6.4.1 模型计算方法(Runge-Kutta 法)  125
    6.4.2 模型程序化实现  125
  6.5 模拟结果分析  125-131
    6.5.1 模型的率定  125-127
    6.5.2 模型参数优化  127-128
    6.5.3 模型的验证及检验  128-130
    6.5.4 氮质量平衡及权重分析  130-131
  6.6 本章小结  131-132
7 结论与展望  132-135
  7.1 本文主要结论  132-134
  7.2 进一步开展工作的设想和思路  134-135
致谢  135-136
参考文献  136-146
附录  146-157
作者简介  157

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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