人工湿地污水处理系统N_2O的释放与相关微生物研究

【摘要】：N_2O不仅是一种重要的温室气体,还参与平流层中臭氧的破坏,大气中N_2O浓度不断增加已成为影响自然生态系统、威胁人类生存的重大问题。污水处理过程中产生的N_2O是大气中N_2O的重要释放源,N_2O既产生于硝化过程又产生于反硝化过程。人工湿地污水处理系统内连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态,硝化作用和反硝化作用可以同时进行,因而也被认为是N_2O排放的一个重要源。由于人工湿地具有投资省、运行管理简单、净化效果较好等优点,近些年来得到了广泛应用。因此,积极地研究人工湿地污水处理过程中N_2O的产生过程并控制N_2O释放,具有重要的现实意义。 本文采用静态箱-气相色谱法研究了潜流和表面流人工湿地污水处理系统N_2O的空间和时间排放规律、特征,通过对植物、湿地结构、进水浓度、碳氮负荷、干湿交替等各种影响因素的研究,优化氮的迁移转化过程,控制人工湿地污水处理系统中N_2O的释放。并构建了人工湿地系统与N_2O产生相关的微生物DNA文库,采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)研究了与N_2O产生相关的微生物群落结构,为从微生物种群结构方面调控N_2O的逸出提供了基础数据。主要研究内容及结果如下: (1)开展了人工湿地系统N_2O空间、时间排放规律和特征的研究工作。潜流、表面流人工芦苇湿地和潜流、表面流空白湿地系统的N_2O年平均通量分别为296.5、28.2、249.2和10.8μg·(m~2·h)~(-1),总体上均表现为大气N_2O的排放源。潜流人工芦苇湿地N_2O的最高释放量可达762.9μg·m~(-2)·h~(-1)±239.3μg·m~(-2)·h~(-1);潜流人工芦苇湿地N_2O的平均通量大大高于农田、森林、草原和沼泽湿地的,而表面流人工芦苇湿地N_2O平均通量高于森林和草原,但低于其他生态系统。2种类型人工芦苇湿地N_2O通量均有较大的季节性和日变化特征,N_2O的排放通量最高值出现在7月,1 d中的极大值和极小值分别出现在中午和凌晨。芦苇的生长情况和温度对N_2O通量有一定的影响。人工湿地进水端N_2O通量均高于出水端,进水端的硝化和反硝化强度、硝化和反硝化细菌数量均高于出水端;进水端污水浓度较高,充足的碳、氮源促进了硝化和反硝化过程,使得N_2O释放量较高。 (2)对影响人工湿地N_2O通量的各因素进行研究。湿地结构、植物种类、进水浓度、碳氮负荷、水质、干湿交替、温度等因素均会影响N_2O的释放。潜流人工湿地N_2O的年平均通量大大高于表面流人工湿地,潜流方式促进了N_2O的释放。芦苇本身直接或间接参与了N_2O的排放,促进了N_2O的释放。香蒲和水葱系统的N_2O年平均释放量较高,芦苇系统的年平均释放量最低,其次为茭白系统。以N_2O形态释放的氮占进水总氮的0.33%(0.0033 kg N_2O-N/kg TN)～0.65%(0.0065 kg N_2O-N/kg TN)。不同植物的湿地系统N_2O季节变化规律不同,但6种植物湿地系统冬季N_2O释放量均最低。随着进水浓度的增加,N_2O的年平均通量增加,但差异不显著。进水碳氮比对N_2O的释放有重要影响,进水COD/N=20的系统,N_2O释放量显著高于其他系统(p＜0.05);当进水COD/N=5时,N_2O释放量较低,而且有较好的污水处理效果。进水COD/N=0的系统,即不添加碳源时,N_2O释放量也较高,且释放规律与其他系统显著不同,表明人工湿地系统中硝化过程可产生大量的N_2O。亚硝态氮的积累和较低的pH值促进了N_2O的释放。采用干湿交替操作的人工湿地放水后N_2O的释放量增加。温度会对N_2O产生一定的影响。通过选择表面流湿地类型、稳定进水碳氮负荷(控制进水COD/N=5或10)、避免干湿交替、控制污水pH值、减少亚硝态氮的积累等措施可以有效地控制N_2O释放。从N_2O释放和水质净化效果两方面综合考虑,芦苇可以作为当地构建人工湿地污水处理系统优先考虑的植物。 (3)构建了人工湿地系统中总细菌16S rDNA文库。芦苇人工湿地存在的微生物具有高度的多样性,包含根际微生物、脱氮和固氮菌。构建了人工湿地系统中amoA功能基因文库,结果表明人工芦苇湿地中的氨氧化细菌大多属于Nitrosomonas sp.和Nitrosospira sp.,这两类细菌与人工湿地污水处理系统中N_2O的产生相关。 (4)开展了人工湿地基质微生物群落多样性的研究工作。PCR-DGGE图谱表明植物种类、进水浓度、干湿交替对人工湿地系统中微生物群落结构产生了明显的影响,微生物群落结构之间的相似性较差。不同处理的湿地系统中,既存在共同的微生物种属,也存在着各自独特的微生物种属。不同的引物扩增的靶序列得到的微生物多样性是不同的,采用引物对F357/R518得到的DGGE图谱较F968/R1401的条带丰富,多样性好。在利用DGGE分析人工湿地基质样品时采用引物F357/R518是比较适宜的。对于芦苇湿地系统和保持淹水的湿地系统,nosZ的DGGE图谱在变性剂浓度为40%～42%之间条带丰富,且亮度高,表明在系统内对应的反硝化优势种属多,且数量丰富。由于nosZ是反硝化过程中氧化亚氮还原酶对应的功能基因,说明这类湿地系统内存在大量的还原N_2O的微生物,将系统内产生的N_2O还原为N_2,所以这类湿地系统中N_2O年释放量低。 【关键词】：人工湿地 N_2O 微生物 克隆文库 PCR-DGGE
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要10-13
• Abstract13-16
• 第一章 引言16-20
• 1.1 研究意义和目的16-17
• 1.2 主要研究内容、所要解决的关键问题及创新之处17-20
• 第二章 文献综述20-42
• 2.1 N_2O的环境效应及其源和汇20-23
• 2.1.1 N_2O的环境效应20-22
• 2.1.2 大气N_2O的源和汇22-23
• 2.2 人工湿地污水处理系统氮的迁移转化过程23-29
• 2.2.1 人工湿地的研究应用23-24
• 2.2.2 人工湿地脱氮机理24-26
• 2.2.3 人工湿地脱氮过程中N_2O的释放量26
• 2.2.4 N_2O的产生机理26-29
• 2.3 影响N_2O释放的因素29-32
• 2.4 人工湿地系统中与N_2O相关的微生物及其研究方法32-42
• 2.4.1 微生物种群结构研究对于N_2O控逸的意义32-33
• 2.4.2 与N_2O产生相关的微生物研究方法33-42
• 第三章 人工湿地N_2O的产生过程及变化规律42-62
• 3.1 试验装置与方法42-52
• 3.1.1 人工湿地动态系统42-44
• 3.1.2 N_2O的采集与测定44-45
• 3.1.3 水质分析指标与方法45
• 3.1.4 硝化强度、反硝化强度和硝化细菌、反硝化细菌数量的测定45-52
• 3.1.5 数据分析52
• 3.2 结果与讨论52-61
• 3.2.1 人工湿地的净化效果52-54
• 3.2.2 人工湿地N_2O通量的季节变化特征54-57
• 3.2.3 人工湿地N_2O通量的日变化特征57-59
• 3.2.4 人工湿地N_2O通量的沿程变化特征59-61
• 3.3 小结61-62
• 第四章 人工湿地N_2O通量的影响因素研究62-87
• 4.1 试验装置与方法62-66
• 4.1.1 试验装置62-65
• 4.1.2 N_2O的测定与分析65-66
• 4.1.3 水质分析指标与方法66
• 4.1.4 数据分析66
• 4.2 结果与讨论66-86
• 4.2.1 湿地结构及植被对N_2O通量的影响66-68
• 4.2.2 植物种类对N_2O通量的影响68-70
• 4.2.3 进水浓度对N_2O通量的影响70-71
• 4.2.4 碳氮负荷对N_2O通量的影响71-79
• 4.2.5 湿地水质对N_2O释放通量的影响79-82
• 4.2.6 干湿交替对N_2O通量的影响82-83
• 4.2.7 温度对N_2O通量的影响83-84
• 4.2.8 人工湿地N_2O释放的优化措施84-86
• 4.4 小结86-87
• 第五章 人工湿地克隆文库的构建87-104
• 5.1 材料与方法87-93
• 5.1.1 样品的采集87
• 5.1.2 试验材料87-88
• 5.1.3 试验方法88-93
• 5.2 结果与讨论93-103
• 5.2.1 16S rDNA文库的构建93-100
• 5.2.2 氨氧化细菌(amoA)文库的构建100-103
• 5.3 小结103-104
• 第六章 人工湿地基质微生物群落多样性研究104-135
• 6.1 材料与方法104-110
• 6.1.1 样品的采集104-105
• 6.1.2 试验材料105
• 6.1.3 试验方法105-110
• 6.2 结果与讨论110-134
• 6.2.1 不同植物系统基质微生物群落多样性差异110-120
• 6.2.2 浓度对微生物种群多样性的影响120-126
• 6.2.3 干湿交替对人工湿地基质微生物群落多样性影响126-134
• 6.3 小结134-135
• 第七章 结论与展望135-138
• 7.1 结论135-137
• 7.2 展望137-138
• 参考文献138-158
• 致谢158-160
• 攻读学位期间发表的学术论文160-161
• 附录1 Impact of COD/N Ratio on Nitrous Oxide Emission from Microcosm Wetlands and Their Performance in Removing Nitrogen from Wastewater161-169
• 附录2 Relationships of nitrous oxide fluxes with water quality parameters in free water surface constructed wetlands169-176
• 附录3 Effects of Plant Species on Nitrous Oxide Emission and Microbial Community Structure Diversity in Constructed Wetlands176-180
• 学位论文评阅及答辩情况表180

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