人工湿地基质氧化还原酶与净水效果的相关性

为研究氧化还原酶活性对人工湿地中污染物去除率的影响,探讨将基质酶活性作为评判人工湿地整体去除效能的指标,本研究以生物陶粒和鹅卵石为基质并搭配种植再力花(Thalia dealbata)、美人蕉(Canna indica)和梭鱼草(Pontederia cordata)的复合垂直流人工湿地为研究对象,2016年6月至11月每月采样1次,对基质中4种氧化还原酶(脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和硝酸还原酶)的酶活性进行测定,并从酶学的角度探讨这4种氧化还原酶的活性与养殖尾水中总氮(TN)、硝态氮(NO_3~–-N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO_4~(3–)-P)、COD_(Mn)去除率之间的关系。结果表明,氧化还原酶活性在整个实验过程中发生了显著变化,脱氢酶和过氧化物酶活性先上升后下降,酶活性分别在植物生长高峰期的8月和9月达到最高;多酚氧化酶和硝酸还原酶活性夏季(6—8月)变化不大,植物生长末期达到最高。空间分布上,脱氢酶、多酚氧化酶和过氧化物酶活性沿垂直方向分布表现出相同趋势,即表层最高,中层次之,底层最低。硝酸还原酶活性则表现出相反的趋势。脱氢酶活性与COD_(Mn)的去除率显著正相关(R~2=0.6783,P0.05);硝酸还原酶活性与NO3–-N的去除率显著正相关(R~2=0.6768,P0.05);多酚氧化酶和过氧化物酶活性与TN、NO_3~–-N、TP、PO_4~(3–)-P以及COD_(Mn)的去除率无显著相关性(P0.05)。结论认为,脱氢酶可作为人工湿地中去除COD_(Mn)的效能指标,硝酸还原酶可作为人工湿地中去除NO_3~–-N的效能指标。     

不同水力负荷下人工湿地对海水养殖尾水污染物的净化特征

海水养殖尾水的达标排放是海水养殖产业面临的主要问题之一,人工湿地作为一种生态、综合水处理技术,可有效去除养殖尾水中的氮、磷等污染物,获得适宜的水力负荷条件是该技术推广和应用的前提。构建一套复合垂直流人工湿地处理系统,研究3种水力负荷条件(V1=0.50、V2=0.19、V3=0.10 m/d)对牙鲆(Paralichthys olivaceus)养殖尾水的处理效果的影响。结果显示,3种水力负荷状态下,该系统对于海水养殖尾水中主要污染物的处理效果差异显著。进水中的化学需氧量(COD)浓度相对较低时,去除率均较低(最高去除率为36.25%),水力负荷状态对COD的去除率影响不明显。水力负荷为0.50 m/d时,总氮(TN)的去除率为49.50%;在0.10 m/d时,TN去除率达到85.90%。活性磷酸盐(PO43–-P)的去除率受到水力负荷的影响较小,最低去除率为77.44%。水力负荷状态会影响系统内氮、磷的浓度变化：在不同水力负荷下,下行池中氮污染物去除率在80%以上;上行池则会在高水力负荷状态下产生硝酸盐氮(NO3–-N)或亚硝酸盐氮(NO2–-N)的累积,影响出水水质。PO43–-P的吸附转化主要发生在下行池的中上层,水力负荷越大,PO43–-P的吸附转化就越靠近系统后程。     

陶粒浮床系统酶活性变化与水质净化效果相关性分析

研究了陶粒浮床床体和浮床植物根部蛋白酶、脲酶、磷酸酶及脱氢酶活性变化与净化效果之间的关系。结果显示,陶粒浮床对精养池塘水体中TN、NO-2-N、NH+4-N、TP、CODMn、IP均有明显的净化效果;浮床床体和植物根部4种酶活性随着季节的变化均呈现先升高后降低的趋势。相关性分析发现,浮床床体和植物根部酶活性之间存在显著相关性;植物根部磷酸酶活性与池塘水体中TP、IP和CODMn去除率之间均显著正相关,脲酶活性与TN、NO-2-N去除率之间显著正相关,蛋白酶活性与CODMn去除率之间显著正相关,脱氢酶活性与CODMn、TN去除率之间存在显著正相关性。浮床床体磷酸酶活性同样与水体中TP、IP和CODMn去除率之间均显著正相关,脲酶活性与TN、NH+4-N去除率之间显著正相关,蛋白酶活性与CODMn去除率之间显著正相关,而浮床床体脱氢酶活性与CODMn、TN去除率之间相关性不显著。     

养殖尾水氮元素在海水人工湿地中的迁移转化过程

为深入探究养殖尾水中氮元素在海水人工湿地内的迁移转化过程,以牙鲆(Paralichthys olivaceous)养殖尾水为研究对象,利用氮稳定同位素技术示踪氮的迁移转化,并采用质量平衡法定量不同脱氮途径对人工湿地脱氮的贡献,以全面评估人工湿地系统的脱氮能力。结果表明,复合垂直流人工湿地对硝态氮有较好的处理效果。经21 d循环运行, NO3--N氮去除率可达(92.81±1.21)%,湿地各基质层中煤渣层δ15N值最低,为(203.58±2.87)‰,珊瑚石层δ15N值最高,为(303.66±2.22)‰;植物中氮含量显著高于各层基质氮含量,平均氮含量为(2.68±0.38)%,其单位质量吸收氮素的能力最强,绝对丰度平均值为(105.61±14.65)×10-3 mg/g,远高于各基质层。系统初期基质、植物及微生物转化对系统脱氮的贡献率分别为44.70%、21.90%、18.11%;稳定期微生物转化则成为主要脱氮途径,贡献率高达60.77%,基质贡献率为6.46%。本研究结果全面揭示了海水养殖尾水中氮元素的去除效率和迁移转化过程,可为氮稳定同位素技术在海水人工湿地系统中的应用提供有效的...     

海水人工湿地氮降解动力学模拟及其影响因素分析

为研究复合垂直流人工湿地系统净化海水养殖尾水过程中氮的降解规律,利用一级动力学模型,模拟了总溶解性氮(TDN)、溶解性有机氮(DON)和3种溶解性无机氮(DIN)在人工湿地系统中的降解特征,并通过变形梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术分析了氮降解与系统中微生物的群落结构和组成的关系。结果显示:海水养殖尾水中各形态氮的降解均符合一级动力学特征(R~2≥0.70),去除速率依次为DINTDNDON,去除速率常数分别为0.10 h~(-1),0.09 h~(-1)和0.03 h~(-1);DIN各组分中,去除速率依次为NH~+_4-NNO~-_2-NNO~-_3-N,去除速率常数分别为0.15 h~(-1),0.11 h~(-1)和0.09 h~(-1)。基质层以及植物根部与脱氮相关的细菌组成丰富,说明在氮去除过程中微生物发挥着至关重要的作用。其中,主要的优势菌门为变形菌门(34.46%)、蓝细菌门(12.78%)、放线菌门(10.55%)、绿弯菌门(10.46%)和拟杆菌门(7.78%)。研究结果可为揭示海水人工湿地的除氮机理提供参考。     

人工湿地净化海水养殖外排水效果与微生物群落分析

利用实验室规模的复合垂直流人工湿地系统来处理海水养殖外排水,探讨了人工湿地对外排水中主要污染物指标氨氮、磷酸盐和COD的去除效果,并利用变形梯度凝胶电泳技术(DGGE)分析了人工湿地内部微生物的群落组成和结构特点。结果显示,人工湿地对海水养殖外排水中的氨氮、磷酸盐和COD去除效果显著,平均去除率分别为(92.82±3.27)%、(72.53±2.31)%、(66.04±8.23)%;人工湿地系统内微生物组成较为丰富,且不同位置存在着种属相同、数量不同的生态幅广泛的优势种;人工湿地下行流池微生物多样性指数(H′)比上行流池高,且沿水流方向呈下降趋势;人工湿地系统中距离越远相似性系数越小;海水养殖外排水人工湿地处理系统微生物种群包括变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和厚壁菌门(Firmicutes),其中,主要的优势菌群属于变形菌门和拟杆菌门。     

复合垂直流人工湿地植物与基质层微生物群落特征比较分析

为了解复合垂直流人工湿地系统对海水养殖尾水中各形态氮的处理效果, 以及植物与不同基质层微生物群落特征的相似性和差异性, 以互花米草(Spartina alterniflora)-细砂-煤渣-碎石构建的复合垂直流人工湿地系统为研究对象, 研究了该系统对海水石斑鱼养殖尾水中 COD、NO₃ ^– -N、NO₂ ^– -N、NH₄ ⁺ -N 和总氮(TN)的去除效果, 并采用高通量测序技术分析了植物根际和不同基质层微生物群落特征。结果表明, 复合垂直流人工湿地系统对污染物有较好的去除效果, 出水中 COD、NO₃ ^– -N、NO₂ ^– -N、NH₄ ⁺ -N 和 TN 的平均浓度分别为 4.00 mg/L, 0.15 mg/L, 0.16 mg/L, 0.04 mg/L, 0.64 mg/L。植物根际样品和细砂层样品的微生物群落丰富度和多样性较高, 与其他基质层样品具有明显差异; 在门分类水平上优势菌以变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、绿弯菌门和厚壁菌门为主, 相对丰度分别为 53.7%、11.5%、11.9%、6.4%、3.7%; 在纲分类水平优势菌以 α-变形菌纲、γ-变形菌纲、放线菌纲和拟杆菌纲为主, 相对丰度分别为 30.1%、20.9%、11.9%、10.3%; 人工湿地中丰度最高的脱氮功能菌包括亚硝化单胞菌属、硝化螺菌属、 芽孢杆菌属、假单胞菌属和不动杆菌属; 系统中微生物代谢功能丰富, 且所有样品功能组成相似; 相同基质层样品的微生物群落组成差异较小, 二级湿地单元各基质层样品微生物群落的差异程度与一级湿地单元相比较小。     

不同耐盐植物人工湿地净化养殖外排水效果

为了探究不同耐盐植物对海水养殖外排水的去污效果,选取了芦苇(Phragmites australis)与互花米草(Spartina alterniflora)为湿地植物,细沙、蛭石和珊瑚石为基质,构建了2套复合垂直流人工湿地系统。对比分析了2种挺水植物的耐盐性及对海水养殖外排水中氨氮(NH_4-N)、亚硝态氮(NO_2-N)、硝态氮(NO_3-N)、高锰酸钾指数(COD_(Mn))和磷的净化效果。结果显示,芦苇耐盐度最高为20,而互花米草在盐度35以下均能正常生长,芦苇和互花米草湿地系统对NH_4-N的平均去除率分别为(85.48±0.50)%和(95.01±1.18)%,对COD_(Mn)平均去除率分别为(57.74±4.40)%和(72.84±2.64)%。互花米草湿地系统对NH_4-N和COD_(Mn)的平均去除率高于芦苇湿地,分别高9.53%和15.01%,差异性显著(P0.05)。互花米草和芦苇湿地系统对磷酸盐和总磷(TP)的去除率为40.00%~50.00%,差异性不显著(P0.05)。研究表明,在高盐胁迫下,互花米草生长状况和对无机氮(DIN)和COD_(Mn)的去除效果均优于芦苇,2种植物对磷酸盐和TP的去除率差异不明显。     

固定化微生物联合大型水生植物净化养殖废水的实验研究

在实验室条件下,以固定化菌种枯草芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、弯曲芽孢杆菌(B.flexus)和大型水生植物粉绿狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)为实验材料,研究微生物与水生植物两者单独或联合作用等不同处理模式对水体不同形态氮素的去除效果及氨化细菌(AB)、亚硝化细菌(NOB)、硝化细菌(NB)和反硝化细菌(DB)4类氮循环细菌的动态分布情况,实验阶段为25 d。结果表明,与固定化微生物(I)、粉绿狐尾藻(M)分别单独作用相比,两者联合作用(I+M)对水体氮素和CODMn的去除效果显著。比较实验前15天,I+M对养殖废水亚硝态氮(NO2-N)和铵态氮(NH4-N)的去除率分别达50.83%和62.38%,显著高于I(39.55%和51.17%)与M(40.78%和53.31%)(P<0.05)。实验结束时,I+M水体CODMn的去除率达67.23%,显著高于I(48.23%)与M(33.35%)分别单独作用(P<0.05);I+M对养殖废水硝态氮(NO3-N)的去除率高达88.74%,显著高于I(67.85%)(P<0.05),但与M无显著差异。另外,I+M植物根系表面4类氮循环细菌的数量相比M组均有不同程度的增加,而载体表面的4类氮循环细菌数量实验后期整体呈现下降趋势,其中I+M载体表面AB数量始终比I低1.8~2.6个数量级。主响应曲线分析(PRC)表明,水体浊度、NO3-N、TN等对造成组间差异的贡献较大,实验前中期I+M组对养殖废水的净化效果强于两者分别单独作用,但实验末期I组与UC组间的总体差异大幅度减小,且I+M与M的差异很小。结论认为,利用固定化微生物与粉绿狐尾藻联合处理循环养殖废水能有效提高对养殖水体NO2-N、NH4-N、CODMn等的去除效果,从而减轻氨氮和亚硝态氮等物质对养殖生物的毒害,使得养殖生物能维持正常的物质代谢,但在实际工厂化养殖生产中应综合考虑养殖废水的水质状况、固定化菌种组分及其生理生化特性、植物种类及搭配等因素,使反应器的设计更加科学以确保系统稳定、高效、持久地运行。本研究旨在为构建高效、稳定的养殖废水生态净化模式提供科学依据。     

海水养殖尾水人工湿地处理系统及其脱氮过程研究进展和展望

利用人工湿地处理海水养殖尾水具有很大的应用前景，其中，脱氮是人工湿地的主要任务之一。基质上栽培的植物和附着的微生物参与的氮循环是人工湿地生物脱氮的主要路径，植物和多种氮代谢菌群在人工湿地内部相互协同与制约，构成了一个复杂的氮代谢网络。海水养殖尾水的高盐度和低碳氮比(C/N)又决定了此类人工湿地独特的处理环境和生物脱氮机制。同时，人工湿地的供氧模式、水力负荷(HRT)、水力停留时间(HLR)等水力条件参数对脱氮效能也有很大影响，对这些指标进行调控和优化，可以提高湿地的整体脱氮性能。本文从海水人工湿地的构建、基质的选取、耐盐植物的筛选、氮循环相关微生物以及运行参数调控四个方面，对近年来海水养殖尾水人工湿地生物脱氮方面的研究进展进行了综述和展望，以期为深入理解海水人工湿地脱氮机制和优化运行方式提供参考。     

硫铁矿人工湿地对微污染水源的水质净化效果

为进一步提升人工湿地在微污染水源条件下的同步脱氮除磷能力,以硫铁矿作为湿地填料设计构建了人工湿地装置,并采用挂膜法对硫铁矿进行硫自养型反硝化细菌表面负载,在此基础上研究硫铁矿人工湿地对水体中污染物的去除规律和去除机理,并通过高通量基因测序技术分析硫铁矿表面微生物的群落结构。结果显示,从UASB活性污泥中筛选出的硫自养型反硝化菌活性最高,脱氮效果最好;在微污染水源条件下,硫铁矿潜流人工湿地具有较好的同步脱氮除磷能力,在水力停留时间为60 h条件下,其对水体中的化学需氧量(COD_Cr)、氨氮(NH₃-N)、硝态氮(NO₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率分别达到53.5%、60.9%、67.2%、49.2%、46.3%;矿石表面发现菌群群落达到13门以上,变形菌门(Proteobacteria)为矿石表面最为优势的功能微生物菌群,相对丰度比例占45%左右,硫杆菌属(Thiobacillus)为自养反硝化脱氮的主要功能菌属。研究表明,采用硫铁矿作为填料可显著提高人工湿地的脱氮除磷效果,对微污染水体有较好的水质净化效果,以硫源作为反硝化过程的电子供体可以提高低碳源条件下系统的反硝化效果。     

自动增氧型人工湿地除氮果研究

本试验针对人工湿地内部溶解氧浓度不足的问题,利用页岩空心砖构建自动增氧型湿地系统,研究构建系统对氮的净化效率。实验结果表明：构建自动增氧型湿地系统各基质层污水溶解氧浓度均在 0.5 mg/L以上,泥土、粉煤灰和砾石三层基质对 TN 的去除率分别达到了38.9%、33.2%和22.9%,构建的自动增氧型湿地系统净化效果略好于人工强化供氧湿地系统。故可利用页岩空心砖构建自动增氧型湿地系统,以增强湿地系统内部供氧能力,提高湿地系统的除氮能力     

组合生态浮床的水体净化效果与作用机理探讨

通过在美人蕉(Canna glauca)底部悬挂生物陶粒基质构建组合生态浮床,与仅有生物陶粒的基质组和空白组比较了对室内配制富营养化污水的净化效果,分析了各组水体中的微生物数量和活性,研究组合浮床中植物、基质和微生物对水体净化的贡献率及其相互间协同作用.结果表明,经过48 d的运行,组合浮床对总氮、总磷和氨氮的去除率依次为64.03％、95.82％和96.43％,美人蕉对氮、磷的去除贡献率分别为36.03％、37.96％.组合浮床组水中的细菌总量、基质上附着的生物膜脱氢酶活性和耗氧速率均高于基质组,说明植物吸收不是组合浮床去除氮磷的主要机制,但植物对微生物的数量和活性有积极作用;组合浮床对水中污染物的去除存在着植物、基质及微生物之间的协同作用.与基质组和空白组相比,组合浮床可以有效提高对富营养化水体的净化效果.     

复合池塘养殖系统湿地水质净化功能研究

由潜流和表面流湿地组成复合人工湿地,与池塘有机结合构成鱼塘-湿地水循环系统应用于草鱼苗种培育,研究了该系统对池塘水质的改善效果。结果显示:在760 mm/d的水力负荷率条件下,复合湿地系统对NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP、COD和TSS的平均去除率分别为(33.56±3.71)%、(50.73±3.95)%、(46.33±4.95)%、(27.99±2.78)%、(58.15±3.38)%、(29.60±2.24)%和(84.49±1.77)%;湿地出水水质符合渔业水质标准(GB11607-89)要求。结果表明鱼塘-湿地水循环系统对养殖用水具有较好的净化效果。     

复合垂直流人工湿地基质理化性质对nirS和nirK型反硝化菌多样性的影响

采用Illumina高通测序技术,探讨喀斯特地区复合垂直流人工湿地基质理化性质对nirS和nirK型反硝化菌多样性的影响。结果表明,复合垂直流人工湿地中4个池子（即一级垂直流下行池、一级垂直流上行池、二级垂直流下行池、二级垂直流上行池）的基质理化性质存在显著差异。其中,pH在中4个池子中均呈中性,DO呈先下降后升高趋势,下行池的基质电导率EC均比上行池要高;TN、TP含量随着人工湿地梯级呈显著下降趋势,未出现厌氧现象;NO3--N和NH4+-N含量在二级垂直流下行池中大量积累并达到峰值。在AlpHa和Beta多样性分析中,nirS、nirK型两类反硝化细菌丰度随着人工湿地梯级呈先降低后升高的趋势,多样性随人工湿地级数逐渐降低,且下行池丰度多样性显著高于上行池。基质中nirS型反硝化细菌鉴定为5门9属,nirK型为6门14属,变形菌门是nirS、nirK型反硝化菌群的共同优势菌门,相对丰度为55.36%~65.72%、30.06%~45.66%。其中,优势菌属为红杆菌属（Rhodobacter）、脱氯单胞菌属（Dechloromonas）、红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）和氏菌属（Bosea）。红杆菌属和脱氯单胞菌属相对丰度在空间上随着人工湿地级数升高总体呈上升趋势,红假单胞菌属、慢生根瘤菌属和氏菌属在空间上随人工湿地级数升高总体呈下降趋势,此2类优势菌属在空间上存在显著差异（P<0.01）。韦恩图表明nirS型反硝化菌群丰度明显高于nirK型,且各级池中反硝化菌群相似度较高。冗余分析表明基质中nirS和nirK反硝化菌群的构建主要受pH、NH4+-N、DO、TP、TN影响,且nirS型对pH,以及nirK型对NH4+-N的响应更为强烈。综上,本文研究了人工湿地nirS、nirK型反硝化菌多样性特征及其与环境因子的关系,为复合垂直流人工湿地高效脱氮提供理论依据。     

三种微生物制剂对有机物废水中氨氮及亚硝酸盐的影响

实验采用复合净水菌、复合芽孢杆菌、光合细菌与空白对照比较了三种微生物制剂对有机物废水中氨氮及亚硝酸盐的处理效果。结果显示：清除氨氮方面：利用微生态制剂微生物制剂净化7d,三种微生物制剂对有机物污染水体中氨氮的清除率均极显著大于对照组（P〈0.01）,处理组之间复合芽孢杆菌的氨氮降解率56.58%,显著大于降解率分别为42.64%和44.02%的复合净水菌和光合细菌组（0.01〈P〈0.05）。清除亚硝酸盐方面：三种微生物制剂对亚硝酸的降解率均极显著大于对照组（P〈0.01）,而复合芽孢杆菌对亚硝酸的降解率68.84%,显著大于复合净水菌47.70%及光合细菌组37.17%（0.01〈P〈0.05）。结果表明：三种微生物制剂对有机物污染的水体中的氨氮及亚硝酸盐均具有降解效果,其中复合芽孢杆菌对于降低水体中氨氮和亚硝酸盐效果最佳。     

去除鱼类土腥味养殖系统的构建技术研究

以团头鲂、鲫鱼为试验对象,构建了一种基于人工生态系统的循环水养殖系统。通过底层陶粒吸附细菌、流水养鱼加快鱼类的代谢、湿地去除氨氮提高鱼的活性、生化箱培养硝化菌和反硝化菌来调控水质并起到控制水流速度的作用等技术手段来去除鱼类土腥味,同时研究不同盐度对其调控效果的影响。结果表明:本养殖系统对水体中的藻类和放线菌以及鱼体中的放线菌有明显的抑制作用。把(土池)池塘内养殖的鱼放入系统中暂养,一个月后土腥味显著降低,3个月后土腥味几乎消失;且随着水体盐度的升高,效果越加明显。