研究稻草填料碳源释放、脱氮效果及动力学研究

发布时间：2020-10-09 23:39

　　生态修复技术因成本低、管理方便、环境友好等优点而被国内外广泛研究和应用。但是随着我国人口数量和密度不断增加使我国人均耕地面积锐减,从一定程度上限制了人工湿地、稳定塘等占地面积较大的生态修复技术的应用,而生态浮床因有限的生物量导致生物净化效果较差。本项目结合了人工湿地和生态浮床的优点,组建了湿地式稻草基质生态浮床,并应用该生态浮床系统进行脱氮特性研究和机理探讨。本论文的创新点主要有三个:(1)将稻草作为植物生长基质、生物反硝化碳源和微生物吸附界面,强化植物生长、改善生物反硝化碳源和微生物数量,强化了水体的脱氮过程;(2)自然选择条件下,利用微生物将稻草中的纤维素物质水解为有机物,强化脱氮过程;(3)利用微生物种群分析、红外光谱分析、液相色谱分析等表征手段研究了稻草分解的微观机理。主要从以下几个方面进行了详细研究。首先,对稻草秸秆作为生物反硝化碳源的可行性和效果进行了研究,研究内容包括:(1)稻草、海藻酸钠包埋稻末球和海藻酸钠包埋稻草等3种碳源形式下碳源释放效果(以CODcr计),并确定稻草为最优碳源释放形式;(2)接种纤维素菌与否、溶解氧、温度和p H值等环境因子对稻草内碳源释放速率影响,其中接种纤维素菌与否和温度对碳源释放速率影响较大,而溶解氧、p H值对碳源释放速率影响不大。研究结果显示,稻草作为生物反硝化碳源是可行的。其次,利用摇瓶实验研究了稻草进行生物反硝化效果以及时间、水温、补充液体碳源等条件对生物反硝化的影响;探讨了稻草填充床脱氮效果和特性,稻草填充床脱氮率达到了90%以上;掌握了批式和连续流条件下,以传统生态浮床为对比组,稻草基质生态浮床和空心球基质生态浮床脱氮特性,特性如下:(1)水体交换时间为2天,稻草基质生态浮床对TN,NH4+-N,NO3--N的平均去除率分别为76.94%,93.50%,93.18%,而且发现,稻草基质生态浮床系统中的大型水生植物生长速率、同化吸收效果、干物质含量和重要植物生物酶(抗胁迫作用酶和叶绿素)相比于空心球基质生态浮床具有明显优势,最差的为无基质传统生态浮床。(2)连续流条件下(水力停留时间为24h),TN,NH4+-N,NO3--N平均去除率分别为72.21%,88.88%和80.41%。表征了稻草表面微生物SEMs、稻草浸出液成分分析、稻草表面微观结构变化和稻草基质表面微生物种群表征,证实了稻草释放碳源强化生物脱氮的微观层面机理。其机理是:稻草表面亲水性基团(—OH,—COOH,—NH2)在相关微生物(Delftia acidovorans SPH-1,Chitinophaga pinensis DSM 2588)水解作用下,释放出各种易利用的有机物,并在其表面形成不规则的断裂结构。最后,构建了稻草基质中COD释放效果、不同基质生态浮床脱氮特性和水生植物生长情况等动力学模型。结果表明:稻草基质中COD释放动力学符合一次线性方程(y=kx+b)。而对于不同基质生态浮床TN,NH4+-N,NO3—N演变特性均符合分数动力学(a1),R2介于0.956和0.999之间;稻草基质生态浮床的TN,NH4+-N,NO3--N去除速率常数(k*)和水生植物生长动力学常数(k*)也明显高于空心球基质生态浮床和无基质传统生态浮床。不同基质生态浮床TN,NH4+-N,NO3--N去除动力学方程为:(?)此外,研究了低温条件下(4.3-9.2℃),稻草基质生态浮床脱氮特性。研究结果显示:稻草基质生态浮床能使TN从1.32-2.97 mg/L下降到0.05-0.66 mg/L,而陶粒基质生态浮床仅能使TN从1.32-2.97 mg/L下降到0.05-1.32 mg/L,出水NH4+-N和NO3--N没有明显差异,但是陶粒基质生态浮床出水NO2--N积累浓度明显高于稻草基质生态浮床。通过研究表明,稻草作为生态浮床基质显示出较为明显的优势,具备了强化生物脱氮的潜力(成功掌握了常温和低温效果)。但是也存在以下问题值得后续研究:(1)稻草中的水溶性物质在使用过程不断释放而容易引起二次污染;(2)掌握稻草中碳源释放途径和精确的调控方法,对稻草应用于生态浮床系统意义较大;(3)如何实现稻草基质生态浮床系统脱氮效果的稳定性和持久性仍然值得深入研究。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X171.4
【部分图文】：

卫星遥感监测,图片,富营养化

口数量不断增加、工农业进程不断加快和人类环保意识仍然较生产和生活过程中向环境排放大量的废物，而水体成为这些废一，当这些废物浓度和数量超过水体的自净能力和环境容量后、水质质量和使用价值等方面将严重受损，其后果包括水体生人类健康等，从而使社会、经济和生态环境的可持续发展受到纪 60 年代末，富营养化问题在全世界范围爆发，全球范围内 30库遭受不同程度影响。如：西班牙的 800 余座水库中，至少 1状态，在南美、南非、墨西哥及加拿大都有大量的富营养化的3 中国环境状况公报》显示：长江、黄河、珠江、松花江、淮河七大流域的国控断面中，Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例达0.2%。在监测的 60 个湖泊（水库）中，富营养化状态的湖泊（]。资料显示，我国有超过 66%和 22%的湖泊出现富营养化和超 1-1 为 2010 年江苏省太湖蓝藻卫星遥感监测图片。其中水体中、硝酸盐等）和磷浓度超标是水体产生富营养化的主要成因之

示意图,浮床,水质净化,示意图

对于水底森林系统而言，对水体的透明度、溶对于异位修复生物反应器（系统）而言，生态而地表水体中引起富营养化的物质中主要是有和病原微生物等等[13, 22, 23]度和复杂度来说，氮素污染物是较难的，特别是中研究的热点和重点领域[24]。艺(Ecological floating beds)工艺净化机理原理基于无土栽培技术，就是把植物种植于可以泡沫板，竹子等）之上，通过基质（如海绵，物的根系伸入污染水体之中，通过植物根系的净化作用来去除水体中的氮、磷以及大的颗粒浮床具体机理有如下：

组合式生态浮床还具有提高水体可生化性的能力。运用组合式生态浮床把原先可生化性较差的湖水 B/C 由 0.18 提高到 0.87。图1-3 组合式生态浮床（摘自李先宁, 等. 2010）Figure 1-3 An integrated ecological floating bed (from Li X. N., et al., 2010)但是组合式生态浮床也有其自身的缺点，主要有以下两个方面：①生物膜中硝化菌数量不占优，使脱氮效果受到限制。污水中氮的去除方式一方面是通过植物和基质的吸收，另一方面则是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成。其中，通过反硝化作用将硝态氮和亚硝态氮转化为氮气排出的方式是主要的脱氮方式[47]。因此，反硝化细菌在浮床系统中占有重要作用。在大多数自然水生生态系统中，如浮床和天然湿地，由于反硝化细菌的生长速度缓慢，短期的脱氮效果是有限的[48]。②受水体影响较大，反硝化细菌大都是异养菌种，其生命活动需要外来的碳源，如果水体中可以作为反硝化细菌的碳源物质有限，这就会大大制约反硝化进程。1.4.3 加强型生态浮床为了提高脱氮除磷效率

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