基于对微生物活动限制的富营养化水体氮磷的控制研究

摘要

底泥是湖泊污染物的主要聚集地，也是导致湖泊二次污染的潜在污染源，底泥中沉积的氮磷等营养盐，在湖泊条件发生变化时，会由底泥释放到上覆水中引起水体氮、磷浓度的急剧升高，从而导致水质下降、藻类水华、鱼类死亡、生态系统紊乱等一系列重大问题。因此研究富营养化湖泊底泥氮磷的释放具有重要的理论意义与应用价值。　　本课题在实验室模拟条件下探索了建立富营养化湖泊无菌模型的方法，在此基础上研究了微生物对富营养化湖泊底泥磷的释放的影响，并研究了底泥对磷的吸附、解吸动力学过程。最后，结合本课题组前期研究基础，利用微宇宙模型实验探索了“以氮控磷”的富营养化湖泊治理新思路，主要研究结果如下:　　(1)探索了多种建立富营养化湖泊无菌模型的方法，结果表明:40％(v/v)甲醛溶液可以有效地杀灭微生物，湿热灭菌后的底泥再按25 ml/kg来添加40％甲醛溶液，可以将底泥中的细菌总数从105 CFU/g降至102CFU/g;上覆水按10 ml/L添加甲醛溶液，水中细菌总数在4天内维持在100 CFU/mL以内，4天后水体已无可培养的细菌，并能在较长时间内仍维持上覆水无菌状态。而1 mol/L CuSO4、0.1mol/L CdSO4和1.0 mol/L K2CrO7的混合金属溶液无法抑制水体细菌的增殖。最终确定无菌模型为底泥先湿热灭菌后甲醛灭菌，上覆水甲醛灭菌的方法。　　(2)微生物对湖泊底泥磷释放的影响实验结果表明:水体细菌总数在106CFU/mL，微生物的活动会促进底泥磷的释放，导致上覆水TP浓度升高了62.1％，底泥TP含量减少了19.74％。而底泥上覆水均灭菌后，水体中无可培养的细菌，上覆水TP浓度降低了12.3％，底泥TP含量增加了18.23％。　　(3)底泥湿热灭菌及有机质含量对底泥吸附磷的影响实验结果表明:121℃，60 min湿热灭菌后底泥含水率会增加，pH值降低，有机质和总磷含量基本不变，湿热灭菌后的底泥对上覆水磷的吸附量会增加，且有机质含量低的贫营养化底泥对上覆水磷的吸附能力高于有机质含量高的富营养化底泥。　　(4)底泥磷的等温吸附-解吸实验结果表明:实验所取的青年湖底泥对磷的吸持率在75％左右，也就是说被底泥吸附持有的磷中25％左右易被释放出来，说明青年湖底泥对磷的吸附保持能力不强，底泥磷的释放风险较大。底泥对磷的吸附动力学实验表明，青年湖底泥对磷的吸附过程大致分为3个阶段，在起始的120 min内，底泥吸附磷的速率快，吸附量快速增加，81％的磷在这个阶段被吸附;2h到8h为中速吸附阶段，此时96％的磷已被底泥吸附;8h到24 h为慢速吸附阶段，底泥吸附基本已饱和。　　(5)“以氮控磷”微宇宙模型实验结果表明:投加了两轮氮循环微生物后，35天内，实验组上覆水TN从11.68 mg/L降至3.05 mg/L，NH4+-N从9.17 mg/L降至1.35 mg/L，TP由0.33 mg/L降至0.06 mg/L，可溶性COD由40.54 mg/L降至15.56mg/L，水体TN脱除率为73.89％，底泥有机质含量下降了50.9％，是对照组的3.3倍，TN含量降低了44.4％，是对照组的3倍;底泥表面TP含量升高了62.5％，是对照组的2.2倍。初步证实“以氮控磷”的富营养化湖泊治理新思路，即可以通过先消除富营养化湖泊的氮污染，降低底泥微生物活性，进而使磷向底泥吸附，降低水体磷浓度，最终实现富营养化湖泊的氮磷双控，该思路不同于目前流行的“单独控磷”或“单独控氮”的富营养化湖泊治理思路。　　综上所述，通过本课题研究，将加深我们对微生物影响底泥磷释放过程的认识，并在此基础上初步证实了“以氮控磷”的富营养化湖泊治理新思路的可行性，为后期富营养化湖泊治理提供了一个新的视角。

目录

声明

摘要

1．前言

1．1 研究背景

1．1．1 湖泊富营养化概述

1．1．2 富营养化湖泊磷元素概述

1．2 控制富营养化水体内源磷释放技术的研究

1．2．1 物理修复技术

1．2．2 化学修复技术

1．2．3 生态修复技术

1．3 湖泊富营养化治理思路回顾

1．4 研究意义与内容

2．材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 底泥的采集

2．1．2 菌株

2．1．3 培养基配方

2．1．4 试剂

2．1．5 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 水样及泥样理化指标检测方法

2．2．2 重金属抑制微生物活性预实验

2．2．3 甲醛抑制微生物活性预实验

2．2．4 甲醛抑制微生物活性水缸模型实验

2．2．5 微生物对底泥磷释放的影响实验

2．2．6 底泥湿热灭菌对比及有机质含量对底泥磷吸附的影响实验

2．2．7 等温吸附-解吸实验

2．2．8 动力学实验

2．2．9 “以氮控磷’’实验

3 结果与分析

3．1 重金属抑制微生物活性预实验结果

3．2 甲醛抑制微生物活性预实验结果

3．3 甲醛抑制微生物活性水缸模型实验结果

3．4 微生物对底泥磷释放的影响实验结果

3．4．1 实验期间水体及底泥总细菌数量变化

3．4．2 实验期间上覆水TP、DO、ORP和pH变化

3．4．3 实验前后底泥TP含量变化

3．5 底泥灭菌对比及有机质含量对底泥磷吸附的影响实验结果

3．5．1 底泥湿热灭菌后理化性质对比

3．5．2 上覆水TP、SOP变化

3．5．3 实验前后底泥总磷含量变化

3．6 等温吸附解吸实验结果

3．6．1 等温吸附实验结果

3．6．2 等温解吸实验结果

3．7 吸附动力学实验结果

3．8．1 上覆水氮素变化

3．8．2 上覆水TP和SCOD变化

3．8．3 底泥有机质、TN、TP含量变化

3．8．4 实验前后上覆水和底泥细菌总数变化

4 小结与讨论

4．1 杀菌剂的选择

4．2 微生物活动对底泥磷释放的影响

4．3 底泥磷等温吸附-解吸动力学过程

4．4 “以氮控磷”治理富营养化湖泊新思路

参考文献

附录 研究生期间主要研究成果

致谢