铁/锰矿石-木头基质垂直流人工湿地处理含氮复合污染废水研究

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人工湿地因其具有良好的环境、经济和生态效益得到广泛应用。然而,在人工湿地处理低碳氮比废水、氮素与Cr(VI)/高氯酸盐复合污染废水方面仍缺乏系统性研究。湿地基质在人工湿地除污性能方面起关键作用,因此有必要优化人工湿地基质组合方式并提出针对含氮复合污染废水的有效控制措施。本文以铁矿石、锰矿石和木块为主要基质搭建三组串联垂直流人工湿地系统(TSVFCWs),分别为对照人工湿地(A-CWs:砂砾+砂砾)和强化人工湿地(BCWs:铁矿石+木块、C-CWs:锰矿石+木块),通过人工湿地系统的长期运行,研究了不同组合基质人工湿地对含氮复合污染废水(氮素与Cr(VI)/高氯酸盐)的处理效能,揭示了不同污染物在人工湿地系统中的分布和转化规律,阐明了铁/锰矿石和木块协同强化含氮复合污染废水净化的可能性和微生物机制。本研究主要得到以下结论:(1)氮负荷提升和盐度冲击对人工湿地脱氮效能和微生物群落有显著影响。铁矿石和木块的添加显著提高了串联垂直流人工湿地对COD、氨氮、硝氮等常规污染物的去除效果。在污染负荷提升阶段,B-CWs系统有较好的COD、氨氮和硝氮去除效果,而高负荷则对湿地系统的脱氮性能起抑制作用。随着负荷降低,B-CWs系统表现出了良好的恢复潜力。3%盐分胁迫降低了COD和氨氮的去除,但提升了硝氮去除效果,保持了相对好的脱氮效果。铁矿石投加导致硝化菌和自养反硝化菌大量富集,而木头芯片在异养反硝化和有机物降解中起关键作用。此外,反硝化菌在盐分条件下普遍存在,保证了优异的反硝化性能。可见,B-CWs拥有较好的脱氮性能和抗盐分冲击潜力。(2)低浓度Cr(VI)的投加对人工湿地脱氮性能影响较小,但高浓度Cr(VI)对脱氮产生显著抑制,且不可恢复。2mg/L Cr(VI)的加入B-CWs脱氮影响较小,而显著抑制了A-CWs和C-CWs去除性能。在低Cr(VI)浓度下,B-CWs可实现氮素和Cr(VI)的同步高效去除。当Cr(VI)浓度提升至10 mg/L时,三组湿地系统脱氮和除铬性能均出现下降趋势。继续将Cr(VI)浓度降低至5 mg/L、3mg/L、0 mg/L时,三组湿地系统脱氮性能仍未得到恢复。在整个Cr(VI)浓度降低阶段,B-CWs脱氮和除铬性能优于C-CWs,且均好于A-CWs。XRD和EDS进一步证实了铁矿石和木头表面含有大量结合态Cr,表明B-CWs拥有较好的除铬潜力。此外,铁矿石的投加显著提高了Proteobacteria,Chloroflexi和Firmicutes的相对丰度。综上,B-CWs可实现低浓度含氮含铬废水的同步去除。(3)高氯酸盐的投加显著抑制了人工湿地的硝氮去除,但对氨氮去除影响较小。当5 mg/L高氯酸盐加入时,人工湿地中硝氮和TN去除受到抑制。当进水中高氯酸盐浓度降低为1 mg/L后,硝氮和TN的去除率逐渐升高。整个运行过程中,人工湿地对硝氮的去除均优于对高氯酸的去除,可能由于较短时间内(<32天)系统中高氯酸盐还原菌群未能得到显著富集。此外,三组人工湿地对高氯酸盐的去除率均低于10%,其中B-CWs去除效果最优(9.5%)。可见,B-CWs可作为含氮含高氯酸废水净化技术,但短期运行(<32天)不足以富集充足的高氯酸盐还原菌,而高氯酸盐负荷的梯度增加策略可能有利于氮素/高氯酸盐复合污染的高效去除。
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