稳定塘系统水质净化机理及效果研究

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我国水体环境持续恶化,湖泊河流生态与环境遭受严重破坏,恢复水质和生态环境是当务之急。稳定塘技术是一种常用于非点源污染治理的方式,构造简单且高效。本研究中,以提升稳定塘的污水去除效率为研究目标,采用室内模拟实验和野外采样实验相结合的手段,探究影响植物厌氧塘、沉水植物塘净化效果的因子,分析不同植物配置、碳氮比等改变时对水质净化的影响,同时设计吸收动力学实验解释植物吸收营养盐的吸收机理;并且,对巢湖旁路人工湿地示范工程中稳定塘的净水结果进行监测和分析,评价人工湿地稳定塘的净水效果;最后根据模拟实验结果对巢湖旁路人工湿地稳定塘提出优化改善建议,从而深入研究稳定塘污水有机物和氮、磷去除机制。  结果表明:  (1)利用粉绿狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)、水花生(Alternanthera philoxeroides)及两者混合的植物配置组合模拟厌氧塘,研究其对污水的净化效果,结果表明:①三组对有机物的去除率都很高,达80%以上,不存在显著性差异;对含氮废水(TN约20mg/L)有良好的降解效果,可降至10mg/L以下,总氮去除率顺序为:粉绿狐尾藻组(约70%)>粉绿狐尾藻+水花生组合、对照组(约60%)>水花生组(约50%);对磷的去除效果不稳定,粉绿狐尾藻组的总磷最高去除率可达62%,其余三组均低于50%。DNA高通量测序结果显示粉绿狐尾藻组的微生物多样性最高(11个门类),实验组均检出氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌、异养反硝化细菌和自养反硝化细菌,但是粉绿狐尾藻组的脱氮相关性细菌的序列数最多(3291个)。因此,粉绿狐尾藻相对于水花生而言更适合作为厌氧塘的植被主体。②以粉绿狐尾藻为厌氧塘覆盖植物,三种梯度进水碳氮比条件下厌氧塘对于有机物降解都较完全,第7d达到70%以上,高碳氮比去除效率高于低碳氮比;C/N=5.3实验组的总氮去除率最高,第五天时可去除44.60%的总氮,对于总磷具有40%的去除率。另外,DNA高通量测序结果表明门类数和碳氮比呈正相关性,C/N=10.36时微生物门类数最多,但是均匀度低,C/N=5.3实验组的物种丰富度最高,且检测到的细菌序列数最多(19153个)。因此,碳氮比设为5左右时,总体降解效果最佳。  (2)利用3种常见湖泊沉水植物苦草(Vallisneris spiralis)、轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)组成不同配置方式的沉水植物稳定塘,研究其对污水的净化效果,结果表明:①7种沉水植物组合中对氮、磷均具有一定的净化效果,其中苦草和轮叶黑藻组成的沉水植物塘组的净化效果最好,总氮、总磷的去除率分别为32.71%,22.13%。②利用苦草、轮叶黑藻组合构建沉水植物塘,进水设置低中高(1.89、5.93、12.09)三个系列的碳氮比探究对沉水植物塘净水效果的影响,结果显示三种碳氮比条件下(C/N=1.89,5.93,12.09),苦草黑藻植物塘的去污效果有所差异,当碳氮比为5.93时,对污染物的综合去除效果最佳,对氮、磷、有机物的去除率分别为81.34%,68.26%,88.65%。DNA高通量测序结果显示,C/N=5.93实验组的物种丰富度最高,C/N=12.09组检测到的氮循环细菌序列数最多,细菌序列数与碳氮比呈正相关性,推测添加碳源有利于氮循环细菌的生长和繁殖,提高植物沉水塘的去除效率。  (3)对沉水植物塘和厌氧塘的去除效果最优的植物苦草黑藻组、粉绿狐尾藻组的营养盐吸收动力学特征进行研究,结果表明:两组水草对营养盐的吸收速率均随着溶液中离子浓度的增加而增加,并逐渐饱和,吸收曲线都符合Michaelis-Menten动力学方程。苦草黑藻组合在水体中氮浓度较低时,植物有优先吸收硝态氮的趋势,表现出对硝态氮的吸收净化能力更高,水体中氮浓度越高,对铵态氮的吸收速率越表现为高于硝态氮的趋势;粉绿狐尾藻组不管氮素浓度高低,狐尾藻均表现为优先吸收铵态氮。  (4)2016年2月至2017年1月对于巢湖旁路人工湿地稳定塘进行采样分析,数据分析结果表明,旁路人工湿地稳定塘对南淝河进水污水具有一定净化效果,对总磷与CODMn的去除效果相对较高,对氮的去除效果一般。净水效果存在季节差异,温度是限制水体污染物去除率的主要因子。可通过添加碳源,增加水力停留时间,优化植物配置,加强场地管理来提高净化效率。
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