植物—硫混养反硝化强化农田低污染水脱氮及其机理研究

发布时间：2020-08-18 20:47

【摘要】：农田低污染水是湖泊水体氮污染重要来源之一,针对农田低污染水C/N比低、N03--N占比高的特点,在表面流人工湿地微生态环境模拟装置中,采用静态试验方式,以洱海周边常见的12种水生植物作为异养反硝化植物碳源,并以硫单质为自养反硝化电子供体,提出了植物-硫混养反硝化强化农田低污染水脱氮工艺,同时与植物异养反硝化工艺进行比较,揭示其脱氮机理。主要结论如下:(1)根据植物碳源释放情况,按照C/N比5.0为界,将273 d试验期分为三个阶段:快速释放Ⅰ期(0-6d,C/N比5.0)、稳定释放Ⅱ期(7-117d,C/N比5.0)和衰减释放 Ⅲ 期(118-273 d,C/N 比5.0)。(2)12种植物异养反硝化装置在快速释放Ⅰ期有快速的NH4+-N、NO2--N、TP和COD积累,但随后在稳定释放Ⅱ期和衰减释放Ⅲ期得到有效去除和利用;装置内COD浓度、NO3--N去除率和反硝化速率均在快速释放Ⅰ期内达到峰值;稳定释放Ⅱ期时保持较高COD浓度、NO3--N去除率(47.2-95.3%)和反硝化速率(1.1-1.5 mg/L-d),其中苦草、茭草、黑藻、马来眼子菜和水葫芦相对较好;在衰减释放Ⅲ期,COD浓度降低,因碳源不足导致NO3--N去除率(28.2-78.7%)和反硝化速率(0.4-1.3 mg/L·d)稍有下降,其中纸莎草、芦苇、茭草、苦草和梭鱼草相对较好。(3)12种植物-硫混养反硝化装置在不同阶段有类似植物异养反硝化装置的NH4+-N、NO2--N、TP和COD积累及去除规律;其装置内COD浓度、NO3--N去除率和反硝化速率均在快速释放Ⅰ期内达到峰值;稳定释放Ⅱ期时保持较高COD浓度、NO3--N去除率(51.5-97.5%)和反硝化速率(1.1-1.5 mg/L·d),其中黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、芦苇、茭草、苦草和水葫芦相对较好;在衰减释放Ⅲ期,COD浓度降低,虽碳源不足但由于硫自养反硝化的补充,仍能维持较好的NO3--N去除率(54.2-96.7%)和反硝化速率(0.9-1.2mg/L·d),其中梭鱼草、芦苇、香蒲、纸莎草、茭草、水葫芦、苦草和黑藻相对较好。12种植物-硫混养反硝化装置pH为6.5-9.0,无显著差异(P0.05),pH在衰减释放Ⅲ期内有缓慢降低和硫酸根浓度在58 d后快速增高表明硫自养反硝化逐渐在脱氮过程中占主导。(4)12种植物异养反硝化装置和植物异养-硫混养反硝化装置内植物腐解袋混合物中硝酸还原酶基因(narG)、亚硝酸还原酶基因(nirS)和氧化亚氮还原酶基因(nosZ)数量均明显高于装置底部土壤中数量,表明植物碎段表面有利于反硝化菌的附着、其释放的碳源有利于反硝化菌的生长。且narG和nirS基因数量均明显高于nosZ。混养反硝化系统内narG和nirS总量基本上大于异养反硝化系统(narG:黄丝草除外;nirS:狐尾藻、黄丝草和纸莎草除外),仅水葫芦、黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、芦苇混养反硝化系统内nosZ总量大于其余其异养反硝化系统。(5)以苦草-硫混养反硝化装置(VSMD)和苦草异养反硝化装置(VHD)为例进行详细对比表明VSMD脱氮效能比VHD更高效稳定。预测间歇流状态条件下VSMD和VHD在稳定释放Ⅱ期和衰减释放Ⅲ期COD、NH4+-N和NO2-N出水浓度均满足《地表水环境质量标准》Ⅱ类水标准(请确认VHD是否也满足Ⅱ类水标准)。VSMD装置内narG和nirS基因总数大于VHD装置,而nosZ基因总数则小于VHD装置。(6)植物-硫混养反硝化强化农田低污染水脱氮工艺是可行的,可实现植物碳源异养反硝化和硫自养反硝化协同脱氮,在脱氮效能上比植物异养反硝化工艺更高效稳定,具有重要的研究与应用前景。考虑植物易得性,推荐芦苇、茭草和苦草等作为植物异养反硝化装置和植物-硫混养反硝化工程应用的优先植物碳源。
【学位授予单位】：中国环境科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

【参考文献】