人工湿地植物对高氨氮的耐受性及固定化微生物强化脱氮研究

摘要

我国水体富营养化问题日益严重，对废水中氮污染物的排放标准也愈加严格。2012年，环保部对氨氮废水排放量大、氨氮含量较高的行业，如：合成氨工业、纺织染整工业、炼焦工业、畜禽养殖业等行业的污水排放标准有一定幅度的提高，尤其是对氨氮、总氮的要求愈发严格。近年来经过大量中试试验和实际大规模运行，人工湿地被认为是一种集环保、生态、经济于一体的污水处理方式。人工湿地氮污染物去除主要依靠植物-微生物同化吸收，硝化反硝化，以及基质吸附过滤等四种方式。植物作为人工湿地最明显的生物特征，它在湿地脱氮作用中起着十分重要的作用。但目前从植物生理水平探究不同浓度氨氮胁迫下植物生理指标随胁迫时间的变化以及湿地植物对氨氮的耐受性的研究很少。鲜有文献将湿地植物与固定化微生物技术相结合，强化人工湿地对高浓度氨氮废水的去除效果。本研究的主要研究内容及结论如下：
　　（1）研究香蒲、水葱、美人蕉对不同浓度氨氮的植物生理指标，如：脯氨酸（Pro）含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、光合速率（Pn）、蒸腾速率(Tr）。分析三种植物受不同浓度氨氮胁迫的生理指标的实验数据可知：美人蕉的生物量积累速率最高，其次为香蒲。香蒲叶片的脯氨酸变化最小；美人蕉MDA含量和SOD酶活性变化最小。美人蕉的净光合速率、蒸腾速率最大。生物量积累速率、MDA含量、SOD酶活性、净光合速率和蒸腾速率结果显示，美人蕉对400 mg·L-1氨氮浓度的耐受性更强，氨氮对美人蕉产生的胁迫影响是可逆的，美人蕉通过自身的调节能够适应该浓度范围的氨氮。香蒲、水葱、美人蕉三种植物相比，美人蕉适应高氨氮废水环境的能力最强，生长状况良好，生物量大氨氮对美人蕉产生的胁迫影响是可逆的，美人蕉通过自身的调节能够适应该浓度范围的氨氮，是一种值得推荐的湿地修复植物。
　　（2）从活性污泥中筛分亚硝化菌和反硝化菌，16SrDNA鉴定结果分别为解鸟氨酸拉乌尔菌和绿脓杆菌(Pseudomonas)，均为革兰氏阳性菌。将亚硝化菌和反硝化菌以及课题组已筛分出的硝化细菌，分别包埋入以10％聚乙烯醇和0.5％海藻酸钠为原料制备的固定化小球中。小球表面布满类似圆形的孔洞，直径大小不一，内部呈细丝状，微生物附着在丝状基质上。小球在人工湿地中运行20d后，小球外观和质地发生改变，颜色由原本的乳白色变成米色，质地变软。小球的结构发生改变，表面的孔状消失不见，不再是纤维状，而呈杂乱的团状。
　　（3）通过测定不同水力停留时间下四种不同模型湿地对COD、氨氮、总氮等的去除率，探究植物、固定化小球对湿地净化效果的影响。当水力停留时间为5d时，有植物的人工湿地平均氨氮、总氮、COD去除率分别为33.438％、37.776％、17.750％，而有植物的人工湿地仅为28.125％、32.586％、29.000％。由此可知，植物在人工湿地净化氨氮和有机物的过程中具有十分重要的作用，栽种美人蕉的人工湿地较不栽种植物的人工湿地的氨氮、COD、TN、硝态氮去除率高。此外，固定化小球对人工湿地脱氮具有很好的强化作用。投加固定化小球的人工湿地平均氨氮、总氮去除率分别为46.250％、49.027％，显著高于投加菌悬液的人工湿地。但是，由于固定化小球在人工湿地中的稳定性不高，海藻酸钠溶解导致该湿地模型的COD去除效果不及其他湿地模型。因此，寻求一种生物化学稳定性高、无生物毒性、机械强度高、孔隙率高固定化技术，对强化人工湿地处理效果具有十分重大的意义。

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第一章 绪论

1.1 高氨氮废水的污染及处理方法分析

1.2 人工湿地脱氮机理

1.3 植物在人工湿地净化污染物中的作用

1.4 微生物固定化技术及其在生物脱氮中的应用

1.5 课题研究内容及技术路线

第二章 实验设计与研究方法

2.1 实验设计

2.2 主要试剂和仪器

2.3 测定指标及计算方法

第三章 湿地植物对高氨氮的耐受性研究

3.1氨氮对植物生物量的影响

3.2氨氮对植物渗透能力的影响

3.2氨氮对植物抗氧化防御系统的影响

3.3氨氮对光合作用能力的影响

3.4氨氮对植物叶片的外观影响

3.5讨论

3.6本章小结

第四章 微生物筛分、降解特性及固定化研究

4.1亚硝化菌筛分与鉴定

4.2反硝化细菌亚硝化菌筛分与鉴定

4.3固定化小球制备结果

4.4讨论

4.5本章小结

第五章 植物联合固定化微生物强化湿地脱氮研究

5.1不同湿地的氨氮去除效果

5.2不同湿地的COD去除效果

5.3 不同湿地的总氮去除效果

5.4不同湿地的污水溶解氧变化情况

5.5不同湿地的污水pH值变化情况

5.6讨论

5.7本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2存在问题及展望

参考文献

攻读学位期间主要学术成果

致谢