【摘要】： 為考察人工濕地對富營養(yǎng)化景觀水的凈化效果,篩選適用于富營養(yǎng)化景觀水水質(zhì)凈化與維護的植物、基質(zhì)以及濕地構(gòu)型,提高人工濕地冬季凈化效果及穩(wěn)定性,本研究構(gòu)建了不同植物、不同基質(zhì)以及不同構(gòu)型的人工濕地系統(tǒng),對不同類型人工濕地的凈化效果、影響因素以及濕地內(nèi)部污染物濃度的沿程變化進行了系統(tǒng)研究,在此基礎(chǔ)上對濕地植物的生長特性、氮磷吸收能力以及氮磷的吸收作用進行考察,并以復(fù)合垂直流人工濕地為例,對濕地系統(tǒng)中氮磷的遷移轉(zhuǎn)化途徑、總細(xì)菌、氨氧化菌的活性以及種群結(jié)構(gòu)的空間分布進行了探討。 不同水力停留時間下污染物的去除效果試驗結(jié)果表明,采用人工濕地凈化富營養(yǎng)化景觀水,最適停留時間為2d。在最適水力停留時間下,4種類型濕地(風(fēng)車草水平潛流、美人蕉水平潛流、礫石復(fù)合垂直流、沸石-頁巖復(fù)合垂直流)對富營養(yǎng)化景觀水中各類污染物均有較好的去除效果,濁度和葉綠素a的去除率分別為80.2-92.3%和92.2-98.3%;COD_(Cr)、TP、PO_4~(3+)-P去除率分別為56.6-77.4%、73.0-95.0%和66.7-94.9%:TN并口NH_4~+-N去除率分別為58.1-85.3%和31.4-79.5%。 人工濕地在不同季節(jié)對各類污染物的去除效果表現(xiàn)出夏季秋季春季冬季的規(guī)律。季節(jié)變化和濕地類型對氮的去除效果影響較大,濕地構(gòu)型對污染物凈化效果的影響大于植物類型的影響,添加沸石基質(zhì)可以提高濕地冬季氮的去除效果。相對于水平潛流濕地,復(fù)合垂直流濕地對氮的去除效率高且比較穩(wěn)定,更適于富營養(yǎng)化景觀水的處理。 濕地基質(zhì)硝化/反硝化強度沿程試驗結(jié)果表明,由水平潛流濕地表層到底層,復(fù)合流濕地下行池到上行池,硝化強度逐漸降低,4種類型濕地反硝化強度差別不大。復(fù)合垂直流濕地硝化強度優(yōu)于水平潛流濕地,風(fēng)車草水平潛流濕地優(yōu)于美人蕉潛流濕地,與氮的去除效果一致。 在4種類型濕地中,pH值、DO以及污染物濃度沿程逐漸降低,污染物主要在濕地前端被去除。水平潛流和復(fù)合流濕地對各類污染物的去除作用首先表現(xiàn)為濕地前端(下行池)對懸浮態(tài)物質(zhì)的過濾、截留作用,然后才表現(xiàn)出植物的吸收和微生物的礦化分解作用,在濕地后端(上行池),由于DO濃度低、碳源不足和接受前端污染物的溶解釋放等原因,污染物去除效率不高。 植物在濕地基質(zhì)中的生長過程可分為適應(yīng)期、快速增長期、相對穩(wěn)定期和枯萎衰亡期幾個生長階段。相對于美人蕉,風(fēng)車草生長周期長,植物地上部分生物量大(2.438kg DW/m~2),氮磷吸收量高(分別為36.49g/m~2和5.73g/m~2),更適于作為凈化富營養(yǎng)化景觀水的濕地植物。 不同植物、在不同類型濕地中的同種植物的氮磷含量以及吸收量不同。水平潛流濕地植物的TN含量、TN吸收量高于復(fù)合流濕地,TP含量、TP吸收量沒有明顯差異。風(fēng)車草植物的TN、TP含量以及吸收量高于美人蕉。在風(fēng)車草和美人蕉兩種植物不同器官中,TN、TP含量均遵循葉莖的規(guī)律,不同植物器官含氮量差異較大。 4種類型濕地植物的植株高度、植株數(shù)目、生物量、莖葉氮磷吸收量均表現(xiàn)出沿水流方向逐漸遞減的規(guī)律。水平潛流濕地前1/2段植物地上部分生物量、氮磷含量以及氮磷吸收量明顯高于后1/2段,復(fù)合流濕地下行池高于上行池。 風(fēng)車草水平潛流濕地、美人蕉水平潛流濕地、礫石復(fù)合垂直流濕地和沸石-頁巖復(fù)合垂直流濕地4種類型濕地中,植物吸收氮量分別占濕地氮的總?cè)コ康?3.64%、16.49%、16.40%和16.37%,植物吸收磷量分別占濕地磷的總?cè)コ康?8.74%、29.05%、32.51%和37.60%。采用人工濕地凈化污染物濃度較低的富營養(yǎng)化景觀水,植物對氮磷的吸收作用是濕地脫氮除磷的重要形式。 植物枯萎前后的對比試驗結(jié)果表明,風(fēng)車草和美人蕉兩種景觀植物枯萎后,組織氮磷含量明顯降低。采用濕地處理富營養(yǎng)化景觀水,如果以去除濕地中的營養(yǎng)物質(zhì)為目的,建議在11月初收割美人蕉,1月初收割風(fēng)車草,可以移除濕地系統(tǒng)的部分營養(yǎng)物質(zhì),延長濕地使用壽命。 沸石-頁巖復(fù)合流濕地下行池表層沸石基質(zhì)氨氮吸附量低于中層和底層,上行池頁巖基質(zhì)氨氮吸附量總體較小,從上行池底層到表層無明顯變化。在沸石和頁巖兩種基質(zhì)吸附的不同形態(tài)的磷中,Ca-P所占比例最高,在基質(zhì)除磷中占據(jù)主要作用,其次是Al-P和Fe-P�；|(zhì)成分對基質(zhì)吸附磷的存在形態(tài)影響較大,兩者之間存在明顯的相關(guān)性。不同位置磷的濃度、pH值、氧化還原電位等環(huán)境條件影響濕地中磷的分布形態(tài),從下行池到上行池,Ca-P、Fe-P、Al-P和蔽蓄態(tài)磷的含量表現(xiàn)出不同程度的變化。 沸石-頁巖復(fù)合流濕地植物地上部分吸收氮量占濕地總氮去除量的16.37%,基質(zhì)吸附占29.07%,硝化反硝化占54.56%,微生物的硝化反硝化是濕地脫氮的主要途徑,基質(zhì)吸附和植物吸收作用也是濕地脫氮的重要形式�；|(zhì)吸附磷占總磷去除量的56.57%,是濕地除磷的主要途徑,植物地上部分吸收磷量占37.60%,在濕地除磷的過程中也起到重要作用。 沸石-頁巖復(fù)合流濕地下行池表層微生物生物量最高,為4.06nmol P/g基質(zhì),由下行池至上行池,微生物生物量逐漸遞減。下行池表層微生物呼吸作用強度和脫氫酶活性均最高,分別為0.43mgCO_2/(g基質(zhì)·d)和24.21μg TF/(g基質(zhì)·16h)),均表現(xiàn)出沿程逐漸降低至上行池表層又略有升高的規(guī)律。 復(fù)合流濕地沿程基質(zhì)生物膜微生物的PCR-DGGE試驗結(jié)果表明,復(fù)合流濕地下行池微生物種群多樣性較高,但相似性較低。下行池表層氨氧化菌活性最高,為0.79mg·(kg·h)~(-1),從下行池表層到上行池底層,氨氧化菌活性逐漸下降,至上行池表層略有增強。下行池氨氧化菌多樣性高于上行池,濕地植物根系供氧、殘體累積以及根際效應(yīng)等作用,在一定程度上提高了濕地表層總細(xì)菌和氨氧化菌種群多樣性。在處理低濃度富營養(yǎng)化景觀水的復(fù)合垂直流人工濕地中,多數(shù)氨氧化菌為寡營養(yǎng)類微生物,Nitrosomonas sp.為優(yōu)勢菌種,在氨氮氧化過程中起著主導(dǎo)作用。沿水流方向,又有Uncultured beta proteobacterium,Comamonas sp.以及Nitrosomonas oligotropha等菌種出現(xiàn)。復(fù)合流濕地中氨氧化菌種群空間變化,是不同的濕地環(huán)境對氨氧化菌種屬長期選擇的結(jié)果。 【學(xué)位授予單位】：同濟大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：X52

【圖文】：

3.5.1植物吸收對濕地脫氮的貢獻濕地植物地上部分吸收氮量對人工濕地系統(tǒng)脫氮的貢獻率如圖3.5所示。由圖3.5可知，在水平潛流濕地中，風(fēng)車草植物吸收氮量占濕地氮的總?cè)コ康?3.640/0(CWl)，美人蕉植物吸收氮量占16.49%(Cw2)。在兩種不同基質(zhì)類型的復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)中，美人蕉植物吸收氮量分別占濕地氮的總?cè)コ康膌6.400/0(Cw3)和16.37%(Cw4)�？梢�，在處理低濃度富營養(yǎng)化景觀水中，植物吸收作用可以去除污水中的部分氮，是濕地去除低濃度水體中氮的重要形式。在不同植物類型水平潛流濕地中，風(fēng)車草植物吸收氮的貢獻率明顯高于美人蕉，，約是美人蕉的2倍。這可能與植物的生長特性有關(guān)，風(fēng)車草生長周期長，生物量大

圖3.5不同類型濕地植物氮去除的貢獻率3.5.2植物吸收對濕地除磷的貢獻濕地植物地上部分吸收磷量對濕地除磷的貢獻率如圖3.6所示。由圖3.6可知，在采用人工濕地凈化低濃度富營養(yǎng)化景觀水中，由于磷的濃度較低，植物吸收在濕地總磷去除中貢獻率較大，在4種類型濕地，植物吸收磷量分別占濕地磷的總?cè)コ康?8.74%(CWI)、29.05%(CWZ)、32.51%(CW3)和37.60%(Cw4)，植物吸收磷是濕地除磷的重要形式。風(fēng)車草植物吸收磷的貢獻率明顯大于美人蕉，而沸石一頁巖復(fù)合垂直濕地中植物吸收磷的貢獻率較大，可能是由于濕地下行池基質(zhì)沸石的除磷能力較低，植物可獲得的磷源相對充足，植物吸收磷量相對較大。由圖3.6還可以看出，由于不同位置濕地植物的磷元素含量和生物量的差異

【引證文獻】

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本文編號：2711890