纳米银胁迫下人工湿地除磷性能研究

发布时间：2020-04-01 02:52

【摘要】：纳米银(AgNPs)在生物医学、抗菌、微电子等领域显现出广阔的应用前景,不可避免地,其大量生产和使用使其以各种途径进入环境,进而存在潜在环境风险。纳米银暴露对植物、土壤微生物、污水生态处理效果等产生的不利效应已经被证实。但是,目前关于纳米银对人工湿地生态系统影响的研究尚未引起足够的关注。因此,明确纳米银暴露对人工湿地除磷性能的影响,探索人工湿地系统去除纳米银的潜力,对于构建能够综合、高效地处理含纳米颗粒污水的人工湿地具有相当重要的实际意义。以不同浓度AgNPs(50、200μg/L)胁迫下的黄菖蒲垂直流人工湿地系统为研究对象,以450d为研究周期,考察AgNPs暴露对湿地系统除磷效果、土壤磷酸酶活性、除磷微生物的影响以及AgNPs在湿地系统中的迁移归趋。结果显示,在AgNPs短期暴露下(0~140d),不同浓度AgNPs的暴露均抑制了人工湿地的除磷效果;在AgNPs的长期胁迫(261d~445d)下,湿地出水TP、SOP去除率随时间推移逐渐恢复。在本试验浓度范围内,AgNPs的长期暴露未对酸性磷酸酶的活性产生明显的抑制作用,但是改变了微生物的群落结构,相应的优势菌群发生明显变化。湿地沿程污染物迁移规律表明土壤层是包括AgNPs在内的各污染物的主要归趋,不同AgNPs暴露浓度下,黄菖蒲人工湿地均能高效地去除污水中的AgNPs。随着湿地运行时间的推移,AgNPs从土壤表层逐渐向土壤底层迁移,并且AgNPs浓度越高,其迁移力度越强。植物能将根系吸收富集的AgNPs向茎叶组织中转移,AgNPs的长期暴露会抑制黄菖蒲根系的生长。以AgNPs(100μg/L)胁迫下的无植物、黄菖蒲、花叶芦竹、伞莎草四组垂直流人工湿地系统为研究对象,考察450d的试验周期内各系统的除磷效果、土壤磷酸酶活性及AgNPs的迁移归趋。结果表明,AgNPs短期暴露(0~140d)对不同植物人工湿地除磷性能均产生了明显的抑制作用。在AgNPs的长期暴露下,无植物和伞莎草人工湿地的除磷效果仍受到了明显的抑制,而黄菖蒲和花叶芦竹人工湿地除磷效果逐渐恢复至原有水平。可见,AgNPs的长期暴露对湿地除磷的影响与植物种类关系密切。在AgNPs的长期暴露下,四组湿地的除磷效果从高到低依次为:花叶芦竹≈黄菖蒲伞莎草无植物。AgNPs的长期暴露下四组湿地磷酸酶活性强度排序依次为:花叶芦竹湿地黄菖蒲湿地无植物湿地≈伞莎草湿地。四组湿地均能够高效地去除污水中的AgNPs,植物种类对湿地去除AgNPs的能力无明显差异。在本试验AgNPs浓度(≤200μg/L)范围内,人工湿地在AgNPs的长期胁迫下能够保证良好的除磷效果,并且具备去除纳米颗粒的潜力,具有作为处理含AgNPs污水的水处理系统的可行性。
【图文】：

纳米材料,污水处理厂

纳米材料进入环境的方式多种多样，一旦进入环境之后，就会在复杂的环境中迁移和分布（如图1-1）。在纳米材料的合成运输、含有纳米材料消费品的生产、使用过程中，纳米材料可通过大气随干湿沉降进入陆地环境及自然水体，可通过工业或生活废水进入污水处理厂[24]，且仍有少部分纳米材料存在于污水处理厂出水，含有纳米材料的活性污泥与焚烧残渣可通过堆肥等途径进入土壤，在土壤中发生淋滤等迁移，部分可随淋溶水进入水环境[25,26]。纳米材料在多样的环境介质中存在丰富的转化行为，如物理转化（涂层变化、团聚、吸附）、化学转化、生物转化等。纳米材料的吸附是一个动态过程，Lowry等[27]在人工湿地模拟纳米材料迁移转化研究中发现，一部分纳米材料能够被浮游植物吸附，当吸附量累积到一定浓度时，又会解吸回到到水体中。Zhu等[28]研究结果显示

植物,除磷,净化作用,摄磷量

在湿地生态系统中的转化方式和主要的存储途径也存在差异，而且易受到环境和人类活动的影响。不考虑未防渗湿地系统与周围水体交换的磷量，磷在湿地系统中的形态转化如图1-2所示。图 1-2 湿地系统中的磷形态转化[54]注：①矿化；②植物及微生物吸收；③脱附及溶解；④吸附、沉淀及沉积；⑤产生磷化氢气体。关于人工湿地中磷的去除机理，，一般认为是植物的同化吸收[56]、微生物的正常同化和聚磷菌的过量摄磷[57]以及基质的吸附和络合沉淀作用[58]协同完成的。1) 植物作用人工湿地植物除磷分为直接净化和间接净化作用。直接净化作用是指植物同化吸收水体中的可溶性磷酸盐，将其合成为ATP、DNA和RNA等有机组分，通过收割植物以达到除磷目的。但是，植物对人工湿地除磷的贡献不大，多数植物对磷的吸收作用较弱。不同湿地植物对磷的摄入量差别较大，湿地中常见的浮水植物、挺水植物和沉水植物每年的摄磷量分别为350kg·hm-2·a-1、30~500kg·hm-2·a-1、小于100kg·hm-2·a-1[59]。Richardson等[59]人研究发现，植物生长期间吸收积累的磷在枯萎期会重新释放回水体中，释放量占吸收量的35%~75%。间接净化作用表现为植物发达的根系与基质交错成网为微生物的生长提供了场所
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】