【摘 要】
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随着乡村振兴战略的实施,农村经济得到迅速的发展,但农村生态环境问题依旧严峻。自然径流和蒸发是农村生活污水处理的主要方式,这不仅危害当地居民的身体健康和生活环境,还会对周围地区的地下水、河流、湖泊等水体造成污染。人工湿地技术,因其成本低、易于操作和管理等优点,被广泛应用于处理村镇生活污水。但传统人工湿地易受到温度、溶解氧(DO)和微生物群落等多种因素的影响,导致湿地系统脱氮效能不佳及水质净化效果不稳
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随着乡村振兴战略的实施,农村经济得到迅速的发展,但农村生态环境问题依旧严峻。自然径流和蒸发是农村生活污水处理的主要方式,这不仅危害当地居民的身体健康和生活环境,还会对周围地区的地下水、河流、湖泊等水体造成污染。人工湿地技术,因其成本低、易于操作和管理等优点,被广泛应用于处理村镇生活污水。但传统人工湿地易受到温度、溶解氧(DO)和微生物群落等多种因素的影响,导致湿地系统脱氮效能不佳及水质净化效果不稳定。研究表明,在适宜的强度下,磁场有利于微生物的生长代谢,并能提高酶活性。因此,基于磁场对微生物的影响,积极开展磁场强化人工湿地系统处理生活污水的效能与机制的研究,有助于人工湿地技术在生活污水处理中的实践应用。本研究通过构建磁场-人工湿地耦合系统,探究了磁场的施加与人工湿地去污效果的关系,确定磁场-人工湿地耦合系统的最佳磁场参数;在最佳磁场参数下,考察了磁场-人工湿地耦合系统在不同温度下的去污性能以及氧化亚氮(N2O)排放特征,分析了湿地中污染物的迁移转化规律;明确了磁场对植物、微生物抗氧化系统的影响,解析了磁场作用下人工湿地中微生物群落结构、氮代谢途径及关键微生物酶活性。主要研究结论如下:(1)磁场的施加对人工湿地中污染物的去除有强化作用,且强化效果与磁场强度、磁场位型有关。本试验中施加平均磁场强度为110 m T的相吸磁场的人工湿地去污效果最好。总氮(TN)和氨氮(NH4+-N)的去除率分别为80.08%-80.27%、81.68%-83.71%,与常规系统相比,去除率均提高了约10%。磁场也促进了有机物的去除,但对总磷(TP)的去除未有强化效果。此外,磁场能显著提高湿地系统典型周期中氮的降解速率,但其未能提高有机物和TP的去除速率。(2)磁场-人工湿地耦合系统的长期去污效果受环境温度的影响。湿地系统中污染物的去除率随着温度的降低而降低,污染物的降解速率同样受到温度的影响,但湿地中N2O排放通量与温度无关。磁场的施加可以有效减轻温度的降低对湿地系统中有机物和氮去除造成的负面影响,其中NH4+-N和TN的去除率分别提高了10.03%-15.30%和5.51%-9.04%。并能有效提升不同温度下湿地系统中有机物和氮的降解速率。此外,磁场的施加能够使25℃下湿地系统中N2O的排放通量降低27.85μg m-2h-1。(3)磁场的施加未对湿地植物和微生物造成胁迫,但影响了湿地系统中微生物群落结构、氮代谢途径以及微生物酶活性。硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和硝化螺菌属(Nitrospira)分别为门水平、属水平上的优势微生物,均为硝化细菌,在磁场-人工湿地耦合系统中的相对丰度显著高于未施加磁场的湿地系统。各人工湿地中具有多种参与氮磷去除的菌属,磁场的存在提高了人工湿地中硝化细菌和聚磷菌(PAO)的相对丰度。磁场显著提升了硝化作用相关功能基因的相对丰度和氨单加氧酶(AMO)活性,增加了反硝化中三羧酸(TCA)循环、编码复合物I、编码一氧化氮还原酶(NOR)和氧化亚氮还原酶(NOS)的功能基因的相对丰度,但同时对部分反硝化过程以及硝酸盐还原酶(NAR)活性存在负面影响。磁场通过提高微生物、相关基因的相对丰度及微生物酶的活性,使磁场-人工湿地耦合系统在各温度下均有较好的污染物去除效果,提高了人工湿地的污水净化效能,这对推广人工湿地在农村生活污水处理中的实践应用具有重要的理论和现实意义。
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