盐生植物人工湿地系统处理含盐废水的机制研究

摘要

含盐废水是指含有较高浓度的可溶性固体无机盐类的废水，主要来源于海水代用以及印染厂、造纸厂、石油化工、农药生产和食品加工过程中产生的工业废水。含盐废水的排放会污染土壤、地表水及地下水，并对环境产生极大的危害。含盐废水的处理大多是基于膜和渗透等脱盐技术，但是其造价和运行成本太高，膜污染问题比较复杂。生物技术，尤其是人工湿地，在脱盐废水中的应用成为了近期的研究重点和热点。盐生植物和微生物的耐盐机制的逐步发现，为其在人工湿地去除含盐废水污染物中的应用提供了理论基础。由于人工湿地环境友好，运行费用低，处理效果好，因此研究盐生植物人工湿地对含盐废水的处理有着重要的意义。
　　本论文基于对自然和人工湿地的植物和氮循环微生物的实地调查与比较研究，选取两种典型的耐盐植物——芦苇和盐地碱蓬，构建了两种植物人工湿地污水处理小试系统，研究其处理含盐废水的效果，掌握其微生物机制，得到的主要结论如下:
　　(1)调查研究发现了自然盐碱湿地-黄河三角洲土壤和水中的厌氧氨氧化细菌基因数量在所检测的四类氮循环代表微生物中占绝对优势，通过对比发现人工湿地在去除氮污染物中比自然湿地更有优势。黄河三角洲近海段和远海段的土壤细菌群落结构无明显差异，但是古菌中的广古菌门和Woesearchaeota差异显著，主要差别在于广古菌门中的盐杆菌纲和Woesearchaeota中的AR15-18，后者还有很大一部分是未知的，有进一步研究的价值。与自然的盐碱和非盐碱湿地相比，大规模的人工湿地的氮转化速率较高，且人工湿地的砂壤土使得基质比较均匀，上下层都能保持较高的微生物数量和氮转化速率。
　　(2)盐生植物人工湿地系统对含盐废水的处理达到了很好的效果。盐地碱蓬和芦苇湿地系统COD相对（与对照组的比值）去除率在盐度0.7％左右达到了最佳，分别为83.44％和88.54％。芦苇人工湿地氮相对去除速率在不同的盐浓度下的差异不大，而盐地碱蓬人工湿地的相对氮去除速率在盐度为1.4％左右时，相对氮去除速率最大为135.69％。对两系统来说，总磷的相对去除效果均在盐度1.4％时最大，盐地碱蓬为100.06％，芦苇人工湿地两组实验组分别为174.43％和355.19％。在整个实验周期内，各湿地污水中盐度的变化并不是很明显。特别地，盐地碱蓬在1.4％左右和芦苇在0.7％左右，添加厌氧氨氧化细菌的组盐度反而升高，但是该现象尚未被重复验证，有待进一步的研究。
　　(3)通过物质的流向与分配的研究，明确了盐生植物人工湿地系统碳氮磷的基本去路。系统生物好氧分解代谢而以气体形式排出是湿地有机碳去除的主要途径，其次是植物的固定作用，排水和基质蓄积作用贡献最小;盐地碱蓬湿地中，厌氧氨氧化作用使得氮的转化比未接种的要多，接种了厌氧氨氧化细菌的芦苇湿地中，高盐比无盐环境的竞争力更弱，大部分氮经由出水途径而非其他微生物过程;厌氧氨氧化细菌对磷的相关降解菌有一定地抑制作用。
　　(4)通过植物耐盐性的研究，明确了植物损伤程度对含盐废水处理的影响。盐度对芦苇的损伤程度大于盐地碱蓬。因此，在盐度达到1.4％，甚至2.1％时，盐地碱蓬植物的完整性较芦苇好，因此其在每个盐度的去除效率都要比芦苇高。不同的耐盐机制，导致盐地碱蓬和芦苇的植株在不同盐度下受到不同程度的损伤，进而影响了二者对含盐废水的处理效果。
　　(5)通过氮循环微生物数量的测定，明确了氮循环微生物对含盐废水的处理机制。厌氧氨氧化比氨氧化细菌更能适应并抵抗高盐度，可能对水质的处理有很大的贡献。在高盐度下（本研究中0.7％以上均为高盐度），与氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌相比，亚硝酸盐氧化菌（本研究中的硝化螺菌属）对盐度较为敏感，导致人工湿地微生物硝化反应受到较大抑制。厌氧氨氧化细菌对盐度有较强的抗逆性，其参与的CANON工艺为污染物的去除提供了一条高效的途径。
　　盐生植物和厌氧氨氧化细菌应用到人工湿地处理含盐废水中，不仅能有效地提高污染物的去除效果，还能节约处理成本，实现大面积地含盐废水的深度处理。对增加湿地附加值、提高社会经济效益有重要的价值。本论文的研究结果为强化CANON工艺在盐生植物人工湿地处理含盐废水中的应用提供了基础的理论与实践依据，为湿地优化提供参考，对净化含盐废水，保护水环境有重要的意义。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 含盐废水的定义与来源

1．1．1 食品加工业

1．1．2 制革工业

1．1．3 石油工业

1．1．4 海水养殖业

1．2 含盐废水的处理方法

1．2．1 物理化学法

1．2．2 生物法

1．3 人工湿地含盐废水处理系统的研究

1．3．1 人工湿地简介

1．3．2 盐生植物

1．3．3 CANON过程

1．4 研究目的、研究内容及技术路线图

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线图

第二章 调查自然和人工湿地中的氮循环微生物

2．1 取样地及取样方法

2．1．1 自然盐碱湿地

2．1．2 三类不同湿地

2．2 测试方法

2．2．1 基本测试指标

2．2．2 样品DNA的提取

2．2．3 微生物基因的定量与高通量测序

2．2．4 氮转化速率的测定-培养实验

2．3 盐碱湿地微生物分布及其影响因子研究

2．3．1 水和土壤的理化因子

2．3．2 土壤、水及盐生植物根系微生物的丰度分析

2．3．3 土壤微生物的群落结构分析

2．4 三类湿地氮转化规律比较研究

2．4．1 土壤和水中的理化因子

2．4．2 氮转化速率

2．4．3 土壤微生物丰度分析

2．4．4 氮转化速率、氮转化基因和环境因子之间的关系

2．5 本章小结

第三章 盐生植物人工湿地对含盐废水污染物去除效果的研究

3．1 材料与方法

3．1．1 实验装置

3．1．2 实验设计

3．1．3 基本测试指标

3．2 人工湿地水质处理效果

3．2．1 COD去除效果

3．2．2 三氮去除效果

3．2．3 TP去除效果

3．2．4 盐度

3．3 本章小结

第四章 盐生植物人工湿地对含盐废水污染物去除机制的研究

4．1 物质流向与分配

4．1．1 材料与方法

4．1．2 盐生植物人工湿地系统碳循环过程

4．1．3 盐生植物人工湿地系统氮循环过程

4．1．4 盐生植物人工湿地系统磷循环过程

4．2 植物耐盐性

4．2．1 植物叶片丙二醛含量

4．2．2 植物叶片可溶性糖含量

4．3 微生物机制

4．3．1 盐地碱蓬人工湿地

4．3．2 芦苇人工湿地

4．4 本章小结

第五章 结论及建议

5．1 结论

5．1．1 盐生植物人工湿地对含盐废水污染物的去除效果

5．1．2 盐生植物人工湿地处理含盐废水的机理

5．2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

硕士期间参与的科研项目

硕士期间获得奖励