不同收割时间下人工湿地芦苇根系分泌物的组成和特征

为探讨亚热带地区枯萎期湿地有机物和氮去除效果与芦苇根系分泌物对收割时间的响应,运用水平潜流湿地开展了2年(第1年为2017年7月—2018年3月,第2年为2018年8月—2019年4月)不同收割时间(W1为不收割、W2为枯萎前收割、W3为枯萎中期收割、W4为枯萎末期收割)试验,监测了不同处理下芦苇根系分泌物的组成特征及湿地中有机物和氮浓度的变化. 结果表明:①2年试验均表现为枯萎前收割处理湿地TOC去除率降低,枯萎末期收割处理湿地TOC去除率增加的特征. ②芦苇根系分泌物中烷烃类数量占比最高,2年试验收割处理后根系分泌物数量均呈降低趋势. ③进水ρ(TN)较高的年份,根系分泌物中烷烃类相对含量最高,收割处理后烷烃类相对含量增加;进水ρ(TN)较低的年份,酸类相对含量最高,枯萎前和中期收割后酸类相对含量增加,枯萎末期收割后酸类相对含量降低. ④进水ρ(TN)较高的年份,湿地TOC和TN去除率的变化整体上由烷烃类含量主导,二者与烷烃类含量均呈正相关;进水ρ(TN)较低的年份,湿地TOC和TN去除率的变化整体上由酸类含量主导,二者与酸类含量均呈负相关. 研究显示,枯萎期芦苇湿地污染物去除效果与根系分泌物的组成和特征存在一定的相关性,在枯萎末期收割能增加芦苇湿地的有机物去除效果.      

进水CODCr负荷对MBR去除雌激素的影响

为了探究MBR进水COD_Cr负荷对雌激素去除的影响,设置了不同进水ρ(COD_Cr)下的3组MBR,检测其对E1(雌酮)和EE2(17α-乙炔基雌二醇)的去除效果,并通过污泥浓度、污泥粒径以及微生物数量分析,揭示MBR污泥特性对E1和EE2去除效果的影响. 结果表明,尽管进水ρ(COD_Cr)差异较大,但3组MBR均取得了较好的COD_Cr及NH₃-N去除效果. 出水ρ(SEs)(SEs为类固醇雌激素)随进水ρ(COD_Cr)的增加而降低,当初始ρ(SEs)均为50 μg/L时,进水ρ(COD_Cr)为93.00、295.27、504.40 mg/L的MBR出水中ρ(E1)、ρ(EE2)平均分别为3.26、3.02、1.17 μg/L和4.76、4.46、2.64 μg/L. 随着初始ρ(SEs)的提高,出水中ρ(E1)、ρ(EE2)均有不同程度提高,当初始ρ(SEs)升至200 μg/L时,MBR出水中ρ(E1)、ρ(EE2)平均值分别为5.61、5.64、3.82 μg/L和8.14、7.87、6.57 μg/L. 相同条件下,MBR对E1的去除效果显著优于EE2.相关性分析表明,E1、EE2去除负荷均与COD_Cr去除负荷显著负相关,与NH₃-N去除负荷显著正相关(P<0.05),MBR中E1、EE2的去除是由有机物共代谢和硝化共代谢共同作用的结果,硝化过程与雌激素降解过程呈相似的环境条件要求.      

BBFR-IVCW工艺对微污染水体的脱氮效果

以BBFR(biomass bio-film reactor, 生物质生物膜反应器)和IVCW(integrated vertical-flow constructed wetland,复合垂直流人工湿地)构成小试系统,由改性水草塘、生态塘和IVCW构建中试系统,对高碳低氮水的脱氮效果及其影响因素进行了研究. 结果表明,小试系统中CW2(2#湿地)出水ρ(TN)低于CW1(1#湿地);中试系统对TN的去除率为52.49%,出水达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ级标准. C/N〔ρ(COD_Cr)/ρ(TN)〕对BBFR中TN去除率的影响较大,但对NO₃--N去除率的影响并不明显. 从经济成本和反硝化效果来看,小试系统最优C/N为4.9,中试系统最优C/N为4.8. C/N为2.8时,CW1对NO₃--N的去除率为71.88%±15.70％,与C/N>2.8时相比,差异显著(F₃,6=21,P<0.05);C/N为4.1时,CW2对NO₃--N的去除率为92.83%±11.26％,与其他C/N下NO₃--N去除率的差异显著(F₃,6=4.34,P<0.05). 小试系统中BBFR对COD_Cr的去除贡献率高于TN,但各单元作为一个有机整体优势互补,共同保证系统出水水质.      

枯萎期芦苇收割时间对湿地脱氮效果及根系呼吸代谢的影响

冬季植物枯萎会影响湿地的脱氮效果,而收割是湿地植物最主要的管理措施之一.为探讨亚热带地区芦苇不同收割时间对冬季湿地的脱氮效果和湿地植物功能的影响,运用水平潜流湿地开展了2年〔第1年（2017年7月—2018年3月）进水ρ（TN）为17.60~34.65 mg/L,第2年（2018年8月—2019年4月）进水ρ（TN）为3.16~10.03 mg/L〕不同收割时间（W1为不收割、W2为枯萎前收割、W3为枯萎中期收割、W4为枯萎末期收割）试验,以研究枯萎期湿地脱氮效果和芦苇根系呼吸代谢特征对收割时间的响应.结果表明:①2年试验均表现为收割后湿地脱氮效果降低,与枯萎前和枯萎中期收割相比,枯萎末期收割对湿地TN和NH₄+-N的去除率降低程度较小.②进水ρ（TN）较高的年份,枯萎前收割显著增强芦苇冬季的根系活力以及己糖激酶（HK）、丙酮酸激酶（PK）、磷酸果糖激酶（PFK）活性,湿地氮去除率的变化整体上由异柠檬酸脱氢酶（ICDH）和HK活性主导;进水ρ（TN）较低的年份,收割处理对根系活力以及HK、PK、PFK活性的影响不大,但HK活性对湿地氮去除率的影响最大.③2年试验的收割处理均降低了根系ICDH和细胞色素氧化酶（COX）活性,但枯萎末期收割对其影响程度相对较小.研究显示,冬季湿地脱氮效果与根系呼吸代谢特征存在一定相关性,枯萎末期收割芦苇对湿地脱氮效果和根系呼吸代谢的影响较小.      

月季根系分泌物促进根际土壤有机氯农药降解研究

文章以园林植物月季根系分泌物为研究对象,通过采用3 a模拟修复实验来验证根际土壤中的群落结构、微生物氮含量以及微生物碳含量变化情况,同时对其中的有机氯农药(OCPs)各残留组分的降解特征与根系分泌物之间的相关关系进行研究,进而研究根系分泌物对根际微生物在结构、功能、组成以及数量等不同的群落特征的相关影响。结果表明,供试OCPs含量范围内,OCPs污染物去除受到根系分泌物介导下的土壤-微生物系统的影响,去除率更高。根际土壤(TR2)中OCPs去除率与是否添加根系分泌物紧密相关,如果添加20 d后,去除率可以达到95%,这是在无添加条件下的灭菌处理组与OCPs污染组(TR1)无法达到的。在剂量、污染水平相同的实验情况中,根系分泌物对3组实验对象的影响不同,对艾氏剂、HCHs、HCB、γ-氯丹、毒杀芬等这一类组分的强化去除率最高,其次是对OCPs的强化率（p<0.05）,强化去除率最低的是硫丹Ⅰ、DDTs、狄氏剂、环氧七氯以及灭蚁灵等这几类组分。在污染水平同等的实验情况中,微生物氮和磷、土壤微生物碳、土壤酶活性（蔗糖酶活性、脲酶活性和酸性磷酸酶活性）在TR2组中的含量也显著高于无根系分泌物的TR1组,这显示根际微生物的生长活性受到根系分泌物的激活,而土壤酶活性的增加也与根系分泌物相关。细菌的磷脂脂肪酸含量比其他含量都多,真菌的磷脂脂肪酸含量要少一点,其变化趋势与土壤中OCPs的降解特征基本吻合。结果表明根系分泌物会在OCPs降解过程对根际土壤中菌群的种群数量及群落结构产生一定的影响,主要是在某种程度上会对细菌、真菌的群落数量和结构等起到一定的改变作用,并在OCPs的降解过程中发挥着促进作用。     

3种湿地植物在水培条件下的生长状况及根系分泌物研究

湿地植物是人工湿地的核心部分,其根系分泌物是人工湿地的主要内部碳源.本研究分析了美人蕉、茭白、水柳等3种湿地植物在水培条件下的生长状况和根系分泌物特性.本实验条件下美人蕉、茭白、水柳在120 d的平均生物量/初始生物量分别为9.1、 3.7和4.7.植物根系分泌物的量与生物量正相关,分泌能力随生物量的增加而降低,生长期内,水柳的平均分泌能力为0.92 mg·(g·d)^-1,美人蕉为0.47 mg·(g·d)^-1,茭白为0.43 mg·(g·d)^-1.通过三维荧光光谱分析,3种植物的根系分泌物均以小分子有机酸和芳香族蛋白质为主.本研究表明,美人蕉、水柳为适宜的湿地植物.     

潮汐流-水平潜流组合人工湿地对细菌处理效果的研究

以潮汐流-潜流组合人工湿地为研究对象,探讨该种组合方式下湿地系统对细菌的去除,同时讨论了不同淹没排空比(3∶3、5∶3、9∶3)下潮汐流湿地床对细菌的去除效果。结果表明:在潮汐流湿地系统中,细菌的去除率随着水力停留时间的增加而提高。在组合潮汐流-潜流系统中,淹没排空比为3∶3时,总细菌、总大肠菌群及粪大肠菌的总体去除率分别为96.5%、97.9%、92.4%,而潮汐流湿地床的去除率仅为65.8%、58.2%、46.9%,较短的水力停留时间成为细菌去除的限制因素。仅利用组合人工湿地作为高浓度微生物污水的处理是不够的,需要后续处理。     

表面流人工湿地和复合型生态浮床处理污水厂尾水的脱氮性能分析

采用菖蒲型表面流人工湿地和复合型生态浮床净化模拟污水厂尾水,以探究在不同季节、不同进水氮形态下两者的脱氮性能差异;并结合高通量测序技术分析微生物组成,以考察两系统内微生物群落结构特征及功能特征。研究结果显示:植物和水温对系统TN的去除具有显著影响,在夏季表面流人工湿地组和复合型生态浮床组的处理效果明显优于春、秋季,在系统水力停留时间为3 d、水温为(34±2)℃的条件下,两者对TN的去除率分别达到(84. 97±3. 90)%和(82. 23±4. 83)%;进水氮形态对系统的运行效果有显著影响,当水温为(25±2)℃时,进水中ρ(NH+4-N)/ρ(NO_3~--N)=1∶1时,系统对TN的去除负荷达到最大,湿地组为1333 mg/(m~2·d),浮床组为923 mg/(m~2·d),适当提高进水中氨氮的比例有利于植物生态系统中总氮的去除。菌群分类结果表明,两种处理系统均具有很高的细菌多样性,相较于浮床组,湿地组的反硝化菌相对丰度更高,表现出更强的脱氮性能。     

潮汐流人工湿地的除氮效果及影响因素

为研究TF-CW(tidal flow constructed wetland,潮汐流人工湿地)的除氮效果及其主要影响因素,以连续流模拟装置(A组)为对照,设置3种潮汐进水方式〔RAT(闲置时间∶反应时间)分别为1∶1、1∶2、2∶1,依次记做B组、C组、D组〕,运行175 d,分析不同进水方式下TF-CW模拟装置对TN、NH₄+-N、NO₃--N、TOC的去除效果及其在不同处理深度上的变化. 结果表明:A、B、C、D组TN平均去除率分别为82.41%±4.84%、84.82%±5.09%、86.09%±3.99%、90.23%±3.05%. A组TN和NH₄+-N的去除效果与B、C、D组均差异显著(P<0.05),其中D组TN和NH₄+-N的去除效果均最好;A组对NO₃--N的总体去除效果较优;RAT并不影响TOC的去除率. 不同进水方式下,NH₄+-N的去除率均在0~15 cm深度内最大,ρ(TOC)处于较低水平(0~20 mg/L),二者均随处理深度的不断增加而逐渐下降;ρ(NO₃--N)在0~15 cm深度内迅速上升. 随着闲置时间的增加,ρ(DO)逐渐升高. TN和NH₄+-N的去除率随着运行时间的增加基本保持恒定,主要影响因子有ρ(DO)、RAT、ORP(oxidation reduction potential,氧化还原电位)和ρ(TOC);而NO₃--N的去除率随着运行时间的增加而逐渐降低,其主要影响因子有pH、电导率和水温等.      

不同硝化负荷MBR去除类固醇雌激素的研究

以雌酮(E1)和17α-乙炔基雌二醇(EE2)2种典型类固醇雌激素为研究对象,考察了不同硝化负荷好氧MBR对其的去除特性.结果表明,硝化负荷为6.19,0.35,10.58mg/(gMLSS·d)的MBR对E1平均去除率分别为72.33%、64.06%和71.77%,去除负荷分别为29.98,23.06,27.66mg/(gMLSS·d);对EE2平均去除率分别为55.40%、42.87%和58.90%,去除负荷分别为22.39,16.54,23.58mg/(gMLSS·d).E1去除效果均优于EE2.MBR硝化负荷与氨氧化细菌之间有较好的线性关系;而SEs去除负荷与氨氧化细菌及硝化负荷之间不满足线性关系.硝化负荷为0.35mg/(gMLSS·d)时,SEs去除负荷较低,硝化负荷达到6.19mg/(gMLSS·d)时,SEs的去除负荷显著提高,而当硝化负荷增加到10.58mg/(gMLSS·d)时,SEs去除负荷不再有效提高.     

人工湿地生态根孔技术及其应用

人工湿地亚表层介质的堵塞问题一直是湿地系统持续有效运行的障碍,极大地限制了人工湿地技术的大规模工程应用.通过白洋淀自然湿地现场研究,发现由大型水生植物所形成的根孔异常发达,径级不等的死活根孔混合在一起,组成了庞大的湿地根孔网络.人工湿地生态根孔技术通过模拟白洋淀湿地自然的芦苇根孔系统,以人为填埋的植物秸秆作为湿地的填料/介质,有效地改变了土壤亚表层大孔隙结构,为人工湿地建设和应用开辟了一条新途径.通过构筑根孔和自然根孔之间的过渡和湿地根孔的不断更新,实现湿地填料/介质的自我更新,克服了一般潜流人工湿地其填料/介质易发生堵塞的缺点.构筑根孔有效填补了人工湿地运行初期大量自然根孔尚未形成的空白期.该技术在小试湿地中获得了成功应用.以玉米秸秆和地肤秸秆作为小试模拟湿地的填埋介质,其填埋量体积比为2%～4%.与未填埋秸秆的基质土壤处理单元相比,填埋秸秆处理单元其导水效率和营养盐去除能力都得到了有效提高.研究结果表明:填埋秸秆腐烂后形成的构筑根孔其水分侧向入渗率是基质土壤的20倍左右.在中、低营养盐负荷情况下,填埋秸秆处理单元对溶解性总氮(DTN)去除率平均提高4.5%～27.1%;对溶解性总磷(DTP)去除率平均提高7.0%～20.4%.     

几种湿地植物根系生物量研究

根据不同植物不同时期在不同类型人工湿地中的根系生物量的测量结果,分析了湿地植物的生长状况及根系分布特点.以象草(Pennisetum purpureum)为优势种的潜流湿地比表面流湿地植物生长旺盛,在表面流湿地里象草3～5月生长旺盛,6月后出现枯萎,8月份甚至死亡;而潜流湿地的象草一直生长正常.5种湿地植物根系生物量的比较分析表明,5月份0～15cm土层的根系生物量以象草最多,其次是美人蕉(Canna indica)、香根草(Vetiveria zizanioides)、芦苇(Phragmites communis),香蒲(Typha latifolia)最少;8月份美人蕉最多,其次是象草、香根草、芦苇,香蒲最少.15cm以下则是芦苇最多,其次是香蒲、香根草、美人蕉,象草最少.根系生物量的增幅则是芦苇最快,象草最慢.     

环境内分泌干扰物在人工湿地中的去除研究

考查了水平潜流人工湿地对城市生活污水中的8种内分泌干扰物去除效果。结果表明:在水力负荷为0.17m/d,水力停留时间为4.6 d情况下,水平潜流人工湿地对雌激素酮(E1)、雌激素三醇(E3)、双酚A(BPA)、辛基酚(OP)、17β-雌二醇(E2)、17a-雌二醇(17a-E2)、17α-乙炔基雌二醇(EE2)的平均去除率分别为81.4%、39.3%、73.9%、44.1%、69.7%、82.2%、65.2%。其中,4-正壬基酚(4-n-NP)在湿地出水中未检测到。人工湿地中内分泌干扰物去除效果沿程变化结果表明,湿地前段对内分泌干扰物的去除效果优于后段,说明人工湿地前段微生物的降解更有效。     

耐冷氨氧化功能菌群强化人工湿地低温脱氮

针对冬季低温条件下人工湿地脱氮效率低的问题,将富集得到的耐冷氨氧化功能菌群固定化后投加到人工湿地中,探究生物强化对低温下人工湿地脱氮的强化效果及其微生物作用机制.结果表明,5℃条件下,梯度降温（R1）和梯度降温耦合选择性抑制（R2）条件下富集培养的耐冷氨氧化功能菌群强化处理的人工湿地的氨氮平均去除率分别为84%和88%,比对照组湿地分别提高24%和28%.高通量测序分析表明,富集得到的耐冷氨氧化功能菌群中优势菌种（相对丰度高达19.2%）为具有氨氧化功能的硝化螺旋菌（Nitrospira sp.）,属于全程氨氧化菌,在氨氧化过程中起主要作用.微生物相对表达水平分析表明,两组生物强化人工湿地中氨氧化功能基因amoA的表达丰度分别为2.82×10⁸,8.22×10⁸拷贝数/克基质,显著高于对照组湿地的2.50×10⁷拷贝数/克基质.投加耐冷氨氧化功能菌群可以有效提高人工湿地脱氮效率.     

Distribution characteristics of ammonia-oxidizing bacteria in the Typha latifolia constructed wetlands using fluorescent in situ hybridization(FISH)

A molecular biology method, fluorescent in situ hybridization（FISH）, in which the pre-treatment was improved in allusion to the media of the constructed wetlands（CW）, e.g. the soil and the grit, was used to investigate the vertical distribution characteristics of ammonia-oxidizing bacteria（AOB） quantity and the relation with oxidation-reduction potential（ORP） in the Typha latifolia constructed wetlands under three different Ioadings in summer from May to September. Results showed that the quantity of the AOB decreased in the Typha latifolia CW with the increase of vertical depth. However, the AOB quantity was 2-4 times the quantity of the control in the root area. Additionally, ORP in the rhizosphere was found to be higher than other areas, which showed that Typha latifolia CW was in an aerobic state in summer when using simulated non-point sewage at the rural area of Taihu Lake in China and small town combined sewage.     

潜流人工湿地基质结构与微生物群落特征的相关性

为查明造成不同基质结构人工湿地净化性能差异的微生物因素,利用高通量测序技术,研究水平潜流人工湿地基质结构与微生物群落结构的相关性.结果表明,3个对比人工湿地系统中,从床体表层到底层渗透系数逐渐升高的六层结构人工湿地(CW6)净化性能最高,其出水中COD、TN、NO-3-N及NH_4~+-N平均浓度分别为39、11、0.35及4 mg·L~(-1),其后为三层结构人工湿地(CW3),而单层结构人工湿地(CW1)的净化效果最差,平均出水浓度分别为95、21、0.60及12 mg·L~(-1).高通量测序结果显示,多层结构人工湿地中微生物OTUs略低于单层结构湿地,但其优势菌门变形菌门(Proteobacteria)和其属水平上的硝化与反硝化细菌的相对丰度却显著高于单层湿地.PCA和丰度热图分析结果显示,CW3和CW6床体中变形菌门(Proteobacteria)属水平上的微生物存在显著的空间分布差异,从而有利于污染物的分区降解,而CW1各样点间的微生物群落结构无显著性差异.