【摘要】：人工濕地是重要污水處理構(gòu)筑物,因其構(gòu)造和運營維護(hù)簡單,所用應(yīng)用非常廣泛。其在處理污水過程中是CH_4和CO_2排放源,CH_4和CO_2又是大氣中主要的溫室氣體。溫室氣體增加是全球變暖的主要原因,因此人工濕地中CH_4和CO_2的減排的研究顯得十分重要。試驗采用錳礦物作為填料建立人工濕地,研究濕地中的甲烷厭氧氧化現(xiàn)象和機(jī)理。從時間上監(jiān)測人工濕地運行情況,包括有機(jī)物去除效果、pH變化值和出水Mn~(2+)濃度;從空間上監(jiān)測人工濕地內(nèi)部特點,包括不同深度上的有機(jī)物含量pH值和Mn~(2+)濃度等。在人工濕地穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,從基質(zhì)中取樣并提取DNA通過高通量測序的手段分析濕地中的微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)。最后,建立厭氧瓶裝置并從基質(zhì)中提取微生物菌液用于活性試驗,驗證甲烷厭氧氧化效果,分析錳礦填料人工濕地中碳轉(zhuǎn)移途徑,計算甲烷厭氧氧化效率,驗證菌液對不同類型電子受體的利用情況。主要研究結(jié)論如下:(1)在上向流人工濕地運行過程中,污水在底部經(jīng)歷一個產(chǎn)酸階段,葡萄糖被分解為小分子有機(jī)物,污水pH值降低;而后,這些小分子有機(jī)物和氫氣被產(chǎn)甲烷反應(yīng)和異化金屬還原(錳礦組特有)反應(yīng)競爭消耗,污水pH值回升;錳礦組人工濕地中發(fā)生甲烷厭氧氧化反應(yīng)并進(jìn)一步消耗氫離子,使得錳礦組污水pH值比礫石組pH值略高,甲烷厭氧氧化和異化金屬還原反應(yīng)生成的Mn~(2+)和HCO_3~-離子結(jié)合生成MnCO_3沉淀并留在濕地中。人工濕地在運行過程中對有機(jī)物去除效果良好,錳礦組和礫石組出水DOC分別為12.37±8.44mg/L和12.53±6.10mg/L,DOC的平均去除率分別為92.68±2.79%和91.01±2.32%。長期監(jiān)測結(jié)果顯示錳礦填料人工濕地的CH_4和CO_2排放通量都小于普通礫石人工濕地,在運行穩(wěn)定過后錳礦組和礫石組的CH_4排放分別為2.43g/(m~2·Day)和4.40g/(m~2·Day),而CO_2排放通量分別為0.22g/(m~2·Day)和2.42g/(m~2·Day)。(2)DNA基因測序結(jié)果顯示錳礦物人工濕地系統(tǒng)相對于普通礫石人工濕地系統(tǒng)微生物多樣性指數(shù)更高。細(xì)菌方面,錳礦填料人工濕地組和礫石填料人工濕地組細(xì)菌門水平上具有相似的群落結(jié)構(gòu),優(yōu)勢菌門都有變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和綠彎菌門(Chloroflexi);兩者的屬水平菌群豐度有差異,優(yōu)勢菌屬都有有黃質(zhì)菌屬(Flavobacterium)、嗜甲基菌屬(methylotenera、methylophilaceae)、假單包桿菌屬(Pseudomonas)、嗜氫菌屬(Hydrogenophaga)和生固氮菌(Azoarus),錳礦組中還含特殊的異化金屬還原菌,包括厭氧粘細(xì)菌(Anaeromyxobacter)和地桿菌屬(Geobacter)。古菌方面,錳礦填料人工濕地組和礫石填料人工濕地組微生物門水平群落組成相似但豐度差異大。Euryarchaeota和Miscellaneous_Crenarchaeotic是錳礦組的優(yōu)勢古菌門,其占比分別達(dá)到了68.21%和30.67%;而Miscellaneous_Crenarchaeotic和Thaumarchaeota是礫石組中的優(yōu)勢古菌門,其占比分別達(dá)到了83.15%和3.61%;兩者屬水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度差異較大,兩者的主要優(yōu)勢菌屬有甲烷八疊球菌(Methanosarcina)和甲烷桿菌屬(Methanobacterium)礫石組中主要的產(chǎn)甲烷菌有乙酸型產(chǎn)甲烷菌如甲烷鬃菌屬(Methanosaeta)和甲烷八疊球菌(Methanosarcina),嗜氫型產(chǎn)甲烷菌如甲烷桿菌屬(Methanobacterium),錳礦組只有嗜氫型產(chǎn)甲烷菌。錳礦物的作用下抑制了乙酸型產(chǎn)甲烷菌的生長。(3)厭氧瓶試驗驗證了錳礦物驅(qū)動的甲烷厭氧氧化現(xiàn)象,其中甲烷厭氧氧化速率為0.226μmol/hour。在產(chǎn)甲烷抑制試驗中,微生物對DOC去除速率為84.12±10.46μmol/Day,錳礦填料人工濕地組和無錳控制組的CH_4生成速率分別為34.38±7.47μmol/Day和50.74±8.65μmol/Day,CO_2生成速率分別為37.42±14.25μmol/Day和111.53±24.79μmol/Day,結(jié)果顯示異化金屬還原和產(chǎn)甲烷作用共同完成了錳礦濕地中有機(jī)碳的去除。不同類型電子受體驅(qū)動的甲烷厭氧氧化試驗結(jié)果顯示錳礦物、δ-MnO_2和SO_4~(2-)都能夠被菌液利用還原并與甲烷厭氧氧化過程中耦合,SO_4~(2-)不能作為電子受體被錳礦物人工濕地中的菌液利用。
【圖文】：

圖 2.1 試驗裝置圖Figure 2.1Test equipment ofActivity Experiment② 厭氧瓶組裝組裝厭氧瓶反應(yīng)器，厭氧瓶可分為瓶身和密封裝置兩個部分。瓶身采用 250mL試劑瓶，自帶刻度，螺口，瓶口口徑為 450mm。密封裝置采用加厚 T 型橡膠塞做為密封塞，，該橡膠塞密封性好耐扎針，在試驗時可由取樣針多次扎入取樣，橡膠塞上也可插入針頭和曝氣管用于曝氣以實現(xiàn)瓶中厭氧環(huán)境。在塞上橡膠塞之后再用 parafilm 封口膜包裹瓶口防止厭氧瓶被污染。在包裹完成后再用帶加厚的硅膠墊的螺口瓶蓋擰緊，防止厭氧瓶與外發(fā)生氣體交流，保證瓶中相對獨立的環(huán)境。在部分實驗中需要測量瓶中的氣壓變化，使用 WTW Oxitop 分析儀通過呼吸法（壓力計法）測量反應(yīng)瓶中氣壓變化，將氣壓變化值用于試驗結(jié)果的計算。厭氧瓶裝置示意圖和實物圖如 2.2 所示。

圖 4.10 計量學(xué)分析裝置Figure 4.10 MetrologyAnalysis Device水質(zhì)指標(biāo)的檢測中的水中錳的形態(tài)分為三種，包括 Mn2+、MnO2和 M將水樣中的錳分為三種類型，分別是 Mn2+、MnO2和總錳，對其測預(yù)處理。Mn2+的測量時先向水樣中加入濃鹽酸溶解 MnCO3，然后進(jìn)行測量先向水中添加 1:1 鹽酸，然后加入抗壞血酸還原，最后測量。試的碳分布如圖 4.11 所示100150200碳的量/μmolTOC/μmol TIC/μmolCH4/μmol CO2/μmol
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2616610