Enhanced nitrogen removal reliability and efficiency in integrated constructed wetland microcosms using zeolite

The purpose of this study is to reduce the seasonal fluctuation and enhance the efficiency of nitrogen removal in vertical flow-horizontal subsurface flow (VF-HSF) constructed wetlands. Two sets of VF-HSF constructed wetlands were built, VF1-HSF1 and VF2-HSF2, and a zeolite section was placed in VF2. The results showed that VF2-HSF2 compared to VF1-HSF1 was not only a more reliable nitrogen removal method, but also enhanced the nitrogen removal efficiency by 50%. The average apparent rate of nitrogen removal in VF2-HSF2 reached to 2.52 gN·m^-3·d^-1, which doubled the rate in VF1-HSF1. Plant uptake and organic nitrogen sediment accounted for 12% and 6% of the total nitrogen removal in VF1-HSF1, respectively, and 10% and 4% in VF2-HSF2, respectively. Biologic nitrogen removal was the dominant mechanism, which accounted for 79% and 87% of the total nitrogen removal in VF1-HSF1 and VF2-HSF2, respectively. Ammonia adsorbed by zeolite during the cold seasons was desorbed, and then nitrified in warm seasons, which resulted in a bioregeneration efficiency of 91%. Zeolite in VF was capable of transferring ammonia from cold seasons to warm seasons as well as enhancing nitrification, which was accompanied by high potential denitrification in HSF that reinforced the efficiency and relieved seasonal fluctuation of nitrogen removal in VF-HSF.     

不同施氮水平对玉米产量、氮素利用效率及土壤无机氮含量的影响

通过研究不同施氮水平对玉米产量、氮素利用率及土壤硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)残留量的影响,为氮肥的合理利用提供依据.在黑龙江省农业科学院科技园区布置田间小区试验,结果显示:玉米产量随施氮量增加而增加,施氮量为165 kg·hm-2时,氮肥利用率最高,当施氮量高于165 kg·hm-2,产量反而有降低的趋势,过量施氮也并不能增加玉米对氮素的吸收,因而氮素利用率也随施氮量的增加而降低.玉米收获后土壤剖面无机态氮质量分数的变化因施氮量的不同而表现出差异,0~80 cm土层硝态氮积累量随氮肥输入量的增加而显著增加,以表层(0~40 cm)硝态氮质量分数最高,中间层(60~80 cm)质量分数最低,100 cm以下土层以施氮量为165 kg·hm-2的处理土壤硝态氮积累量最低,降低了硝态氮淋溶风险;铵态氮的质量分数相对较低,不同的施氮量对土壤铵态氮质量分数的影响主要在0~20 cm土层,铵态氮质量分数与施氮量并无显著的相关关系.综合考虑玉米产量、氮素利用率与生态环境效益,以165 kg·hm-2(优化施氮量)为最佳氮肥施用量.     

人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展

介绍了人工湿地及其去除污水中氮磷的机理，并从湿地植物、基质和微生物三个方面系统地阐述了目前人工湿地系统提高氮磷去除率的研究进展情况；提出了可以通过改良湿地系统设计提高氮磷净化效果、利用培养优化菌种与调节环境条件促进湿地系统氮磷的转化及通过在基质中添加合适的附料、提高人工湿地系统植物多样性从而增加氮磷的吸附吸收的建议，为人工湿地污水净化技术的应用研究提供了有益的参考。     

两种复合人工湿地系统对东莞运河污水的净化效果

复合人工湿地系统是将不同类型的人工湿地相组合,充分发挥各类型湿地特长,实现优势瓦补的一种更有效的污水净化系统.研究采用复合垂直流-水平潜流人工湿地和复合垂直下行流人工湿地两种复合人工湿地系统对东莞运河的河道污水进行处理,分别监测了两套不同复合人工湿地系统第一、二级湿地单元的出水情况,研究了不同时间段和一定的水力负荷下复合人工湿地系统对河道污水的净化效果.结果表明,两种复合人工湿地系统的二级湿地单元出水各指标明显优于一级湿地单元,复合垂直流-水平潜流湿地对东莞运河污水COD、BOD_5和TP的平均去除率分别达到70.52%、69.21%和55.56%;复合垂直下行流湿地系统对TP的净化尤其突出,平均去除率达到72.62%,二级出水的质量浓度在0.10～0.60 mg·L~(-1)之间,对COD和BOD_5的平均去除率分别为64.74%和60.63%.两种复合系统的出水浓度均达到<城市污水处理厂污染物排放标准>(GB 18918-2002)中的一级标准.由此可见,两种复合人工湿地系统对各污染物去除效果明显优于单一的湿地系统,且更具稳定性和耐冲击能力.     

人工湿地对有机污染物的去除效果与动态特征

通过对荣成人工湿地污水处理系统1999年1月至2004年12月间监测数据进行分析,确定系统的处理效果及有机污染物去除效果的动态特征。结果表明,人工湿地对SS、COD、BOD5均有很好的去除效果,出水质量浓度分别为27.6±6.6、90.0±12.5和22.7±4.3 mg.L-1,去除率分别为73.9%、63.8%和72.5%。大肠菌群、粪大肠菌群去除率分别为99.7%和99.6%。对NH4 -N和TP去除效果较差,出水质量浓度分别为11.2±2.7和2.03±0.29 mg.L-1,去除率分别为45.1%和30.2%。BOD5、COD的去除效果和季节变化有一定关系,每年的4—7月BOD5去除效果最佳,1月和12月去除效果最差。COD的去除效果每年6月和7月最高,1月和12月最低。分析BOD5、COD和SS去除效果的年际变化发现,BOD5和COD年平均去除率从1999年到2004年有增加的趋势。     

生物蛭石污水处理过程中氮的形态变化研究

为了探索天然蛭石作为湿地基质强化湿地脱氮效果的可行性,将天然蛭石填充有机玻璃,用废水培养挂膜获得生物蛭石,用以去除模拟污水中的氮。试验结果表明:生物蛭石柱对NH4 -N和T-N去除效果显著且稳定。生物蛭石滤柱中是以厌氧氨氧化作用为主的脱氮作用,溶解氧是影响厌氧氨氧化作用的重要因素。     

表面流人工湿地中氮磷的去除机理

人工湿地作为一种高效、低耗的污水处理新工艺已被广泛接受，特别是其在脱氮、除磷方面的应用逐步为人们所重视。本文深入地讨论了表面流人工湿地中各种生物、物理、化学过程对污水中各种形态含氮、含磷化合物的去除机理，及其具体途径、相关反应和反应类型，总结了国内外对各个过程影响因素、控制条件、反应速度、去除能力及相互之间协调拮抗作用的研究结果。虽然硝化／反硝化作用和土壤吸附沉淀作用已被公认为是表面流人工湿地脱氮、除磷的主要途径，但不同研究结果之间仍存在着明显差异，鲜有多介质环境条件下各种脱氮、除磷过程中多种氮、磷形态的质量平衡研究，而以此为基础的人工湿地生态动力学模型的研究则是深入了解人工湿地运行机理、设计和预测其处理效率，以及推动人工湿地污水处理工艺广泛应用的关键。     

湖滨带复合型人工湿地氮磷的去除效果

湖滨带是连接湖泊水域生态系统与陆地生态系统的一个功能过渡区,是湖泊的最后一道保护屏障。在河流的入湖口建造湖滨湿地,可有效净化入湖径流中携带的部分有机污染物、营养盐等。以云南抚仙湖北岸的湖滨湿地—马料河复合人工湿地为研究对象,探讨了湿地不同功能区去除氮磷的效果。研究表明,沉淀池除氮效果最不明显,在该区内有机氮可能发生矿化作用而转变为氨氮。有植物系统的潜流和表流区除氮效果较为明显,潜流区对氨氮、硝氮和总氮的平均去除率分别达18.0%、19.7%和22.6%;表流区对三者的平均去除率分别达50.4%、35.9%和43.5%。沉淀池对磷有一定的截留作用,且在进水污染物质量浓度较高时表现明显,平均截留率为14.9%。潜流和表流区除磷效果不明显,可能是因为湿地运行了两年多,土壤吸附交换达到平衡,影响了表流区的除磷效果。潜流区除磷效果受降雨影响较大,雨季时,总磷的平均截留率为12.1%,主要是不溶性磷的吸附和沉积;雨季末期,湿地流量较小,水体流动性差,系统内处于厌氧状态,出现磷释放现象。     

牧草轮作对奶牛场污水氮、磷的净化效果研究

以土壤为基质,选择象草（Pennisetum purpureum）和黑麦草（Lolium perenne）两种牧草作为植被模拟人工湿地净化系统,研究牧草全年轮作在间歇流人工湿地中对奶牛场高质量浓度污水的适应性及对污水氮、磷的净化效果。结果表明：象草、黑麦草在间歇性高质量浓度污水中生长良好,可作为畜牧场高质量浓度污水修复植物进行全年轮作,并适时的收割,去除污水中的氮、磷。在不同污水质量浓度处理的牧草净化系统中,水力停留时间为8 d的条件下,铵氮的去除率为75.9%~94.9%;硝态氮的去除率为65.4%~90.9%;总氮的去除率64.2%~90.1%;总磷的去除率在90%以上;象草和黑麦草对污水中氮、磷的吸收转化在系统对氮磷净化中的贡献率平均分别为氮25.12%和20.03%、磷31.20%和20.42%;各处理氮、磷的去除效果与污水的质量浓度呈负相关。     

施氮对植物生长、硝态氮累积及土壤硝态氮残留的影响

施用N肥可提高叶类蔬菜的产量,但施用过量也会造成土壤N污染。为了研究当年施肥量对作物硝态氮累积及土壤无机氮残留量的影响,采用土壤盆栽试验,研究了5个施氮水平下3种叶类蔬菜(油菜、小白菜、菠菜)的生长、硝态氮累积和土壤硝态氮残留的变化。结果表明,施氮过高抑制了植物的生长,其中对菠菜的抑制作用最强。3种蔬菜硝态氮累积对施N的反应不同,油菜在施N0.40g时硝态氮含量达到最高,为N1742.2μg·g-1FW;小白菜在0.60g最高,为N1635.6μg·g-1FW;而菠菜则在0.80g最高,为N865.2μg·g-1FW。施N量与土壤硝态氮残留量之间呈显著正相关关系,说明施氮量越高土壤中硝态氮的残余就越大,对土壤的污染就越严重。     

两级人工湿地用于村镇污水脱氮的长期运行特性研究

对沙田人工湿地稳定运行后的情况进行了长达6 a的监测,探讨了不同流态的两级潜流人工湿地长期运行的脱氮效能、不同形态氮的空间转化规律和几种主要影响因素。研究表明,在整个运行期间人工湿地的脱氮能力呈现低-高-低的变化趋势,这个过程的发生和湿地内部堵塞物的累积关联密切。在华南地区,季节变化对湿地脱氮的影响依然十分强烈：一方面,体现为季节温差对脱氮效果的明显影响,低温月份采用低负荷方式运行,TN去除率也仅有36.0%～47.6%,而高温期采用高负荷的运行方式,大多数月份TN去除率也能达到45.4%以上;另一方面,季节性雨量的不同会引起进水质量浓度的变化,导致湿地系统TN负荷率的改变,进而显著影响脱氮效果。有机氮、NH3-N、NO2--N、NO3--N在湿地内部存在明显的转化迹象,沿流程随着有机物的大量消耗,NO3--N去除能力逐渐下降并在湿地的末端出现了累积现象。通常情况下,由于采用了跌水曝气等措施,DO在湿地内的大部分区域都维持了较高水平,未对脱氮效果产生明显不利影响。     

人工湿地脱氮途径及其影响因素分析

简述了人工湿地脱氮模型。各种形态的氮在人工湿地系统中可以通过氨的挥发、植物吸收、介质沉淀吸附以及微生物硝化/反硝化作用等过程被去除。讨论了各脱氮途径对人工湿地脱氮的贡献,在大多数人工湿地的pH条件下,湿地地面氨挥发可以忽略,湿地植物叶片氨挥发量尚不清楚。湿地介质的直接吸附是短期的。植物在湿地脱氮过程中起了重要作用,但一般认为植物直接吸收和存储只占湿地脱氮的一小部分,一般低于30%。微生物的硝化/反硝化作用,是人工湿地脱氮的最主要的形式。讨论了影响人工湿地硝化作用的主要因素:溶解氧,pH和温度。大多数人工湿地的pH适合硝化作用,溶解氧和温度对湿地硝化作用的影响最大。温度不仅影响微生物的硝化作用,而且可以间接地影响植物的生长从而影响人工湿地的脱氮性能。     

Preparation,characterization, and kinetics of nanoscale iron in nitrate nitrogen removal from polluted water

The aim of this study was to examine the production of nanoscale ions via the liquid phase reduction method and the effectiveness of the removal of nitrate nitrogen (NO₃^?–N) as well as measure the products and kinetics of the reactions. The nanoparticles obtained were approximately 50 nm in diameter and the main component was iron (Fe). This custom-made nanoscale Fe was highly positively charged, and reacted rapidly with NO₃^?–N in oxygen-free and neutral conditions at room temperature. A 90% removal rate was achieved when the reaction occurred for 30 min in simulation sample water with vigorous shaking at 250 r/min at NO₃^?–N concentrations of 30, 50, 80 or120 mg N/L. The nanometer Fe dosage was maintained throughout the experiment at 4 g/L. A first-order kinetics equation was applied to the obtained experimental data which followed a pseudo first-order reaction. Data demonstrated that the removal of nitrate nitrogen from polluted groundwater using a nanoscale Fe iron was effective and rapid.     

荣成人工湿地净化效果的季节和年际变化

荣成人工湿地污水处理系统占地面积80 hm2,处理规模2.0万m3.d-1,1998年10月开始投入运行。对1999年1月到2004年12月荣成人工湿地污水处理系统净化效果以及净化效果的季节和年际变化进行分析。结果表明,人工湿地对SS、BOD5、CODC r均有很好的去除效果,出水浓度分别为(27.6±6.6)、(22.7±4.3)和(90.0±12.5)mg.L-1,去除率分别为73.9%、72.5%和63.8%。大肠菌群、粪大肠菌群去除率分别为99.7%和99.6%。对NH4 -N和TP去除效果较差,出水浓度分别为(11.2±2.7)和(2.03±0.29)mg.L-1,去除率分别为45.1%和30.2%。BOD5、CODC r、NH4 -N和TP的去除效果与季节变化有一定关系,NH4 -N受季节变化的影响最大,其次是TP,BOD5和CODC r受季节变化的影响相对较小。分析BOD5、CODC r、NH4 -N和TP去除效果的年际变化发现,BOD5、CODC r和NH4 -N去除率有增加的趋势。TP去除率在2001年和2002年基本相同,从2003年开始下降。     

不同施肥模式对芋艿产量及菜地土壤中氮素迁移累积的影响

以太湖流域的临安市太湖源镇具有代表性的大田蔬菜地为研究对象,通过9种不同施肥量模式的田间试验,探讨芋艿Colocasia esculenta L．Schoot季蔬菜地速效氮在土壤中的动态变化、剖面垂直分布及累积,了解施肥措施对蔬菜种植的生态及环境影响。各施肥处理均能提高芋艿产量,但增加幅度因施肥措施不同而不同,适量施肥已满足芋艿生长对养分的需求,继续增施对边际产量的增效不明显。在芋艿生长过程中,不同施肥模式下土壤中的铵态氮、硝态氮、速效氮质量分数动态变化的趋势不同;芋艿收获后,硝态氮、铵态氮、速效氮在土壤剖面中质量分数的垂直分布因氮肥投入水平的不同而有所差异;土壤剖面中速效氮的累积量与氮肥投入密切相关;综合评价来看,低量控释肥＋低量化肥是各施肥模式中比较具经济效益、环境效益的合理施肥模式;因而,在实际蔬菜生产中,要适量施用氮肥,适当采用混合施肥模式如低量控释肥＋低量化肥,防止因过量施用氮肥而导致硝态氮的过量累积及其带来的水环境污染等环境问题。     

Effect of wetland plant fermentation broth on nitrogen removal and bioenergy generation in constructed wetland-microbial fuel cells

● Fermentation broth facilitates N removal and energy yields in tertiary CW-MFC. ● Carbon sources are preferred for nitrogen removal over electricity generation. ● A mutual promotion relationship exists between acetic and humic acid in N removal. ● Humic acid boosts the abundances of functional genes relate to nitrogen metabolism. Constructed wetlands (CWs) are widely used as a tertiary treatment technology, and the addition of carbon sources can significantly improve advanced nitrogen removal. However, excessive carbon sources would lead to an increase in the effluent chemical oxygen demand in CWs, and microbial fuel cells (MFCs) can convert these into electricity. In this study, constructed wetland-microbial fuel cells (CW-MFCs) were built to achieve simultaneous nitrogen removal and electricity generation, using wetland plant litter fermentation broths as carbon sources. The total nitrogen removal in the groups with fermentation broth addition (FGs) reached 83.33%, which was 19.64% higher than that in the CG (group without fermentation broth), and the mean voltages in the FGs were at least 2.6 times higher than that of the CG. Furthermore, two main components of the fermentation broths, acetic acid (Ac) and humic acid (HA), were identified using a three-dimensional excitation emission matrix and gas chromatograph and added to CW-MFCs to explore the influence mechanism on the treatment performance. Denitrification and electrogenesis presented the same tendency: Ac&HA > Ac > CG’ (groups without Ac and HA). These results indicate that Ac and HA increased the abundance of functional genes associated with nitrogen metabolism and electron transfer. This study demonstrated that CW-MFC fermentation broth addition can be a potential strategy for the disposal of secondary effluent and bioelectricity generation.     

不同收获时期和控氮条件对水培小白菜硝酸盐含量的影响

在水培中采用收获前降低营养液浓度、完全停止供氮以及在不同时期采收等方法来研究小白菜硝酸盐含量的控制方式及其效果,结果表明:适时采收和收获前适当控氮可以降低小白菜的硝酸盐含量。在小白菜生长第26d左右硝酸盐含量最低,此后l~2d产量增长较快,此时采收品质较好;小白菜硝酸盐含量呈明显的日变化,并且与硝酸还原酶活性呈正相关,在下午16:00时左右采收硝酸盐含量最低,仅为894mg.kg-1;完全断氮7d后,小白菜硝酸盐含量显著降低,但产量也受到明显的影响。而采用低浓度营养液控氮4d左右采收既可控制硝酸盐含量又不会使产量过低。     

全程补碳的A~2/O工艺对同步脱氮除磷的影响

为解决A2/O工艺处理低浓度城市生活污水的碳源问题,采用了甲醇、葡萄糖、乙酸分别作为A2/O系统的碳源,结果表明,甲醇作为系统外加碳源最经济、最合适,其中TN、TP去除率分别达到75.81%和76.21%,NO-x-N被去除时间为30 min.研究最大化利用碳源,得到外加碳源甲醇在厌氧/缺氧/好氧区段的投加比例为1∶2∶0、投加量为400 mg·L-1,硝酸盐回流比为250%时,系统运行效果最佳,TN、NH3-N和TP去除率分别为90.56%、96.67%和92.56%,出水浓度分别为12.3 mg·L-1、4.1 mg·L-1和0.45 mg·L-1,达到GB18918—2002一级A类标准.通过一段时间的运行,在缺氧段发生了反硝化吸磷的现象,有利于碳源的节省和系统的高效运行.     

全尺度人工湿地中植物多样性对生产力与多样性效应的影响

在中国东南部的全尺度复合垂直流人工湿地中开展2年的植物多样性实验,以研究植物多样性（包括植物物种丰富度和植物组成）对群落生产力与多样性效应（即互补效应、选择效应和净多样性效应）的影响及其产生机制。结果表明,2007年物种丰富度与群落生产力呈线形正相关,而2008年显著的单峰格局,其关系式为：y=-0.213x2＋3.455x＋15.192（R=0.215）。2008年物种丰富度与互补效应呈显著地线形负相关,而2007年呈单峰格局,其关系式为：y=-0.389x2＋6.974x-10.707（R=0.247）,而且2007年与2008年的互补效应与生产力都呈显著的正相关,表明互补效应对生产力的提高有重要作用。然而,2007年与2008年物种丰富度与选择效应之间均没有显著相关性,且选择效应与群落生产力之间也没有显著相关性,表明选择效应对生产力的提高作用不显著。2007年与2008年中物种组成对生产力、互补效应、选择效应与净多样性效应均有显著影响,说明人工湿地的植物配置对其生态系统功能的维持尤为重要。2008年物种丰富度与净多样性效应呈极显著地线形负相关,而2007年呈显著单峰格局,其关系式为：y=-0.329 x2＋5.968 x-12.659（R=0.234）,这种趋势主要是由于植物多样性-生态系统功能关系的影响因素（如物种的竞争力和生态位）在2年中有所变化。同时,2007年与2008年的多样性净效应与生产力都呈显著正相关关系,表明生产力与多样性净效应的变化趋势是同步的。与抽样效应假说不同的是,本实验中单种最高产物种（芦竹）在混种时没有表现出高产,主要是由于生长的分配、资源的竞争力与环境的变化等。