不同价态硫素强化磷酸盐生物还原及其对人工湿地除磷影响的研究

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人工湿地技术对于实现污水深度除磷有着重要的意义,但是,由于其除磷过程过于依赖基质的表面吸附和化学沉淀,长期运行会失去除磷能力,限制了该项技术的可持续发展。已有研究表明,硫元素不仅可以通过自养反硝化强化人工湿地脱氮,还可促进磷酸盐生物还原过程,进而强化人工湿地的除磷效能。但是,现有研究中硫元素对人工湿地中磷转化过程的影响尚不明确。深入研究硫素强化人工湿地的运行效果和除磷机制,对促进人工湿地系统磷的生物循环,实现人工湿地技术的可持续应用,具有重要的科学意义和实用价值。本研究采取微观和宏观研究相结合的思路,以典型硫酸盐还原菌为研究对象,探究硫还原菌促进磷酸盐生物还原的关键要素及作用机制;搭建以不同价态硫素为改良基质的人工湿地,全面分析硫基人工湿地的运行效果;综合利用多种手段,揭示硫素强化人工湿地的除磷机理,为完善人工湿地磷循环理论体系、保障人工湿地持续稳定运行提供理论依据。主要结论如下:1.发现了典型硫酸盐还原菌的磷酸盐还原能力。以普通脱硫弧菌(Desulfovibrio vulgaris)为代表的硫酸盐还原菌能够还原磷酸盐并生成磷化氢,磷化氢的生成量与细菌丰度呈正相关,其产率在1~9×10-5mgP/d之间。磷酸盐还原与硫酸盐还原过程相伴发生,是一种共代谢现象,并且受到硫素价态的显著影响。2.揭示了不同价态硫素强化人工湿地的除磷特性。硫自养反硝化过程所产生硫酸盐可在一定程度上促进植物生长,进而增加对磷的吸收。黄铁矿人工湿地植物生物量比对照组提升85.07%,平均总磷去除率为相较对照组提升8.32%。但是,若积累的硫化物浓度过高,反而会抑制磷的植物吸收与基质吸附过程,导致硫磺人工湿地中平均总磷去除率仅为24.36%。3.明确了硫素对人工湿地磷酸盐生物还原的强化作用。相较对照组,黄铁矿和硫磺使人工湿地中气态磷化氢释放通量分别增加了 20.08%与164.04%,以出水溶解态流失的磷化氢分别增加了 12.17%与49.74%,以基质结合态形式留存于湿地中的磷化氢平均含量分别增加了 2.23倍与6.64倍,不同价态含硫基质的添加对于湿地系统内磷酸盐还原过程产生显著影响。4.解析了硫素强化人工湿地的除磷机制。硫素的添加使湿地系统内物种的多样性得到提升,特别是黄铁矿人工湿地与硫磺人工湿地中脱硫杆菌的相对丰度相较对照组提升2.24倍及1.93倍;并且,不同价态硫素均显著提升了湿地中生物可利用磷所占比例,从而促进了磷酸盐还原过程。代谢途径分析表明,硫酸盐还原过程增强了系统内NADH的活性,部分NADH参与到磷酸盐还原过程中并为该过程提供能量,实现了磷酸盐生物还原的强化。
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