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《山东大学》 2009年
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人工湿地污水处理系统N_2O的释放与相关微生物研究

吴娟  
【摘要】:N_2O不仅是一种重要的温室气体,还参与平流层中臭氧的破坏,大气中N_2O浓度不断增加已成为影响自然生态系统、威胁人类生存的重大问题。污水处理过程中产生的N_2O是大气中N_2O的重要释放源,N_2O既产生于硝化过程又产生于反硝化过程。人工湿地污水处理系统内连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态,硝化作用和反硝化作用可以同时进行,因而也被认为是N_2O排放的一个重要源。由于人工湿地具有投资省、运行管理简单、净化效果较好等优点,近些年来得到了广泛应用。因此,积极地研究人工湿地污水处理过程中N_2O的产生过程并控制N_2O释放,具有重要的现实意义。 本文采用静态箱-气相色谱法研究了潜流和表面流人工湿地污水处理系统N_2O的空间和时间排放规律、特征,通过对植物、湿地结构、进水浓度、碳氮负荷、干湿交替等各种影响因素的研究,优化氮的迁移转化过程,控制人工湿地污水处理系统中N_2O的释放。并构建了人工湿地系统与N_2O产生相关的微生物DNA文库,采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)研究了与N_2O产生相关的微生物群落结构,为从微生物种群结构方面调控N_2O的逸出提供了基础数据。主要研究内容及结果如下: (1)开展了人工湿地系统N_2O空间、时间排放规律和特征的研究工作。潜流、表面流人工芦苇湿地和潜流、表面流空白湿地系统的N_2O年平均通量分别为296.5、28.2、249.2和10.8μg·(m~2·h)~(-1),总体上均表现为大气N_2O的排放源。潜流人工芦苇湿地N_2O的最高释放量可达762.9μg·m~(-2)·h~(-1)±239.3μg·m~(-2)·h~(-1);潜流人工芦苇湿地N_2O的平均通量大大高于农田、森林、草原和沼泽湿地的,而表面流人工芦苇湿地N_2O平均通量高于森林和草原,但低于其他生态系统。2种类型人工芦苇湿地N_2O通量均有较大的季节性和日变化特征,N_2O的排放通量最高值出现在7月,1 d中的极大值和极小值分别出现在中午和凌晨。芦苇的生长情况和温度对N_2O通量有一定的影响。人工湿地进水端N_2O通量均高于出水端,进水端的硝化和反硝化强度、硝化和反硝化细菌数量均高于出水端;进水端污水浓度较高,充足的碳、氮源促进了硝化和反硝化过程,使得N_2O释放量较高。 (2)对影响人工湿地N_2O通量的各因素进行研究。湿地结构、植物种类、进水浓度、碳氮负荷、水质、干湿交替、温度等因素均会影响N_2O的释放。潜流人工湿地N_2O的年平均通量大大高于表面流人工湿地,潜流方式促进了N_2O的释放。芦苇本身直接或间接参与了N_2O的排放,促进了N_2O的释放。香蒲和水葱系统的N_2O年平均释放量较高,芦苇系统的年平均释放量最低,其次为茭白系统。以N_2O形态释放的氮占进水总氮的0.33%(0.0033 kg N_2O-N/kg TN)~0.65%(0.0065 kg N_2O-N/kg TN)。不同植物的湿地系统N_2O季节变化规律不同,但6种植物湿地系统冬季N_2O释放量均最低。随着进水浓度的增加,N_2O的年平均通量增加,但差异不显著。进水碳氮比对N_2O的释放有重要影响,进水COD/N=20的系统,N_2O释放量显著高于其他系统(p<0.05);当进水COD/N=5时,N_2O释放量较低,而且有较好的污水处理效果。进水COD/N=0的系统,即不添加碳源时,N_2O释放量也较高,且释放规律与其他系统显著不同,表明人工湿地系统中硝化过程可产生大量的N_2O。亚硝态氮的积累和较低的pH值促进了N_2O的释放。采用干湿交替操作的人工湿地放水后N_2O的释放量增加。温度会对N_2O产生一定的影响。通过选择表面流湿地类型、稳定进水碳氮负荷(控制进水COD/N=5或10)、避免干湿交替、控制污水pH值、减少亚硝态氮的积累等措施可以有效地控制N_2O释放。从N_2O释放和水质净化效果两方面综合考虑,芦苇可以作为当地构建人工湿地污水处理系统优先考虑的植物。 (3)构建了人工湿地系统中总细菌16S rDNA文库。芦苇人工湿地存在的微生物具有高度的多样性,包含根际微生物、脱氮和固氮菌。构建了人工湿地系统中amoA功能基因文库,结果表明人工芦苇湿地中的氨氧化细菌大多属于Nitrosomonas sp.和Nitrosospira sp.,这两类细菌与人工湿地污水处理系统中N_2O的产生相关。 (4)开展了人工湿地基质微生物群落多样性的研究工作。PCR-DGGE图谱表明植物种类、进水浓度、干湿交替对人工湿地系统中微生物群落结构产生了明显的影响,微生物群落结构之间的相似性较差。不同处理的湿地系统中,既存在共同的微生物种属,也存在着各自独特的微生物种属。不同的引物扩增的靶序列得到的微生物多样性是不同的,采用引物对F357/R518得到的DGGE图谱较F968/R1401的条带丰富,多样性好。在利用DGGE分析人工湿地基质样品时采用引物F357/R518是比较适宜的。对于芦苇湿地系统和保持淹水的湿地系统,nosZ的DGGE图谱在变性剂浓度为40%~42%之间条带丰富,且亮度高,表明在系统内对应的反硝化优势种属多,且数量丰富。由于nosZ是反硝化过程中氧化亚氮还原酶对应的功能基因,说明这类湿地系统内存在大量的还原N_2O的微生物,将系统内产生的N_2O还原为N_2,所以这类湿地系统中N_2O年释放量低。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X703

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【参考文献】
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