人工濕地污水處理系統(tǒng)N-,2-O的釋放與相關(guān)微生物研究.pdf

1、N2O不僅是一種重要的溫室氣體，還參與平流層中臭氧的破壞，大氣中N2O濃度不斷增加已成為影響自然生態(tài)系統(tǒng)、威脅人類生存的重大問(wèn)題。污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的N2O是大氣中N2O的重要釋放源，N2O既產(chǎn)生于硝化過(guò)程又產(chǎn)生于反硝化過(guò)程。人工濕地污水處理系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，硝化作用和反硝化作用可以同時(shí)進(jìn)行，因而也被認(rèn)為是N2O排放的一個(gè)重要源。由于人工濕地具有投資省、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、凈化效果較好等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。因此，積

2、極地研究人工濕地污水處理過(guò)程中N2O的產(chǎn)生過(guò)程并控制N2O釋放，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文采用靜態(tài)箱-氣相色譜法研究了潛流和表面流人工濕地污水處理系統(tǒng)N2O的空間和時(shí)間排放規(guī)律、特征，通過(guò)對(duì)植物、濕地結(jié)構(gòu)、進(jìn)水濃度、碳氮負(fù)荷、干濕交替等各種影響因素的研究，優(yōu)化氮的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，控制人工濕地污水處理系統(tǒng)中N2O的釋放。并構(gòu)建了人工濕地系統(tǒng)與N2O產(chǎn)生相關(guān)的微生物DNA文庫(kù)，采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)研究了與N2O產(chǎn)生相

3、關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu)，為從微生物種群結(jié)構(gòu)方面調(diào)控N2O的逸出提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　 (1)開(kāi)展了人工濕地系統(tǒng)N2O空間、時(shí)間排放規(guī)律和特征的研究工作。潛流、表面流人工蘆葦濕地和潛流、表面流空白濕地系統(tǒng)的N2O年平均通量分別為296.5、28.2、249.2和10.8μg·(m2·h)-1，總體上均表現(xiàn)為大氣N2O的排放源。潛流人工蘆葦濕地N2O的最高釋放量可達(dá)762.9μg·m-2·h-1±239.3μg·

4、m-2·h-1；潛流人工蘆葦濕地N2O的平均通量大大高于農(nóng)田、森林、草原和沼澤濕地的，而表面流人工蘆葦濕地N2O平均通量高于森林和草原，但低于其他生態(tài)系統(tǒng)。2種類型人工蘆葦濕地N2O通量均有較大的季節(jié)性和日變化特征，N2O的排放通量最高值出現(xiàn)在7月，1 d中的極大值和極小值分別出現(xiàn)在中午和凌晨。蘆葦?shù)纳L(zhǎng)情況和溫度對(duì)N2O通量有一定的影響。人工濕地進(jìn)水端N2O通量均高于出水端，進(jìn)水端的硝化和反硝化強(qiáng)度、硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量均高于出水端;

5、進(jìn)水端污水濃度較高，充足的碳、氮源促進(jìn)了硝化和反硝化過(guò)程，使得N2O釋放量較高。
　　 (2)對(duì)影響人工濕地N2O通量的各因素進(jìn)行研究。濕地結(jié)構(gòu)、植物種類、進(jìn)水濃度、碳氮負(fù)荷、水質(zhì)、干濕交替、溫度等因素均會(huì)影響N2O的釋放。潛流人工濕地N2O的年平均通量大大高于表面流人工濕地，潛流方式促進(jìn)了N2O的釋放。蘆葦本身直接或間接參與了N2O的排放，促進(jìn)了N2O的釋放。香蒲和水蔥系統(tǒng)的N2O年平均釋放量較高，蘆葦系統(tǒng)的年平均釋放量最低，

6、其次為茭白系統(tǒng)。以N2O形態(tài)釋放的氮占進(jìn)水總氮的0.33％(0.0033 kg N2O-N/kg TN)～0.65％(0.0065kg N2O-N/kg TN)。不同植物的濕地系統(tǒng)N2O季節(jié)變化規(guī)律不同，但6種植物濕地系統(tǒng)冬季N2O釋放量均最低。隨著進(jìn)水濃度的增加，N2O的年平均通量增加，但差異不顯著。進(jìn)水碳氮比對(duì)N2O的釋放有重要影響，進(jìn)水COD/N=20的系統(tǒng)，N2O釋放量顯著高于其他系統(tǒng)(p＜0.05)；當(dāng)進(jìn)水COD/N=5時(shí)，N

7、2O釋放量較低，而且有較好的污水處理效果。進(jìn)水COD/N=0的系統(tǒng)，即不添加碳源時(shí)，N2O釋放量也較高，且釋放規(guī)律與其他系統(tǒng)顯著不同，表明人工濕地系統(tǒng)中硝化過(guò)程可產(chǎn)生大量的N2O。亞硝態(tài)氮的積累和較低的pH值促進(jìn)了N2O的釋放。采用干濕交替操作的人工濕地放水后N2O的釋放量增加。溫度會(huì)對(duì)N2O產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)選擇表面流濕地類型、穩(wěn)定進(jìn)水碳氮負(fù)荷(控制進(jìn)水COD/N=5或10)、避免干濕交替、控制污水pH值、減少亞硝態(tài)氮的積累等措施可

8、以有效地控制N2O釋放。從N2O釋放和水質(zhì)凈化效果兩方面綜合考慮，蘆葦可以作為當(dāng)?shù)貥?gòu)建人工濕地污水處理系統(tǒng)優(yōu)先考慮的植物。
　　 (3)構(gòu)建了人工濕地系統(tǒng)中總細(xì)菌16S rDNA文庫(kù)。蘆葦人工濕地存在的微生物具有高度的多樣性，包含根際微生物、脫氮和固氮菌。構(gòu)建了人工濕地系統(tǒng)中amoA功能基因文庫(kù)，結(jié)果表明人工蘆葦濕地中的氨氧化細(xì)菌大多屬于Nitrosomonas sp.和Nitrosospira sp.，這兩類細(xì)菌與人工濕地污水

9、處理系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生相關(guān)。
　　 (4)開(kāi)展了人工濕地基質(zhì)微生物群落多樣性的研究工作。PCR-DGGE圖譜表明植物種類、進(jìn)水濃度、干濕交替對(duì)人工濕地系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的影響，微生物群落結(jié)構(gòu)之間的相似性較差。不同處理的濕地系統(tǒng)中，既存在共同的微生物種屬，也存在著各自獨(dú)特的微生物種屬。不同的引物擴(kuò)增的靶序列得到的微生物多樣性是不同的，采用引物對(duì)F357/R518得到的DGGE圖譜較F968/R1401的條帶豐富，多樣性