复合垂直流人工湿地对代表性有机磷的净化研究

摘要

有机磷(Organophosphorus, OP)是磷的重要组成部分和地球磷循环的主要参与者，其环境中的水平越来越受到关注。随着工农业的发展，大量人工合成的有机磷阻燃剂、有机磷农药通过工业点源及阻燃材料释放挥发、农业面源排放等方式进入环境中。由于人工合成有机磷大多结构较复杂，难溶于水，不易被降解利用，在蔬菜、水果、水体、土壤及动植物体内都有不同程度的检出。大部分有机磷存在生物毒性，且通过常规的水处理技术难以去除，对水环境安全和人体健康造成潜在威胁。由于水环境介质中有机磷的普遍存在及其潜在的副作用，因此，亟待探索有效处理有机磷废水的方法。　　人工湿地(Constructed wetlands, CW)是由基质、植物、微生物组成的污水生态处理系统，作为一种经济有效、环境友好与管理简便的水处理生物技术，对各种有机微污染物的去除具有较大潜能。因此本文构建了复合垂直流人工湿地(IVCWs)，系统研究了人工湿地对典型有机磷污染物的去除效果及其影响因素，探讨有机磷在湿地系统各介质中的迁移行为及相关机理，并分析了IVCWs中微生物群落的构成及多样性、有机磷暴露后对微生物和湿地氮循环的影响。结果表明：C/N=3时IVCWs对COD(86.06±3.58%)、氨氮(64.59±4.38%)和总磷(59.51±5.59%)都有较好的去除效果。碳源的投加对COD、硝态氮、总氮的去除有促进作用，与总磷和氨氮的去除无明显相关。曝气对总磷、氨氮的去除表现出协同作用，对硝态氮和总氮的去除表现出拮抗作用，对COD的去除无明显影响。TCPP(52.28±11.64%)和DDVP(95.33±1.45%)的去除效果存在显著性差异(P<0.01)，原因在于DDVP良好的环境降解性。不同工况下IVCWs对TCPP的去除效果存在显著差异。与进水C/N=3时系统对TCPP去除率(52.28±11.64%)相比，增加进水C/N、曝气和两者联用使去除率分别提高到68.77±2.49%、57.21±1.76%和89.64±1.94%。通过分析系统中各相累积量发现，受水中污染物浓度和自身理化性质的影响，TCPP(535.33±413.46ng/gdw)含量总是高于DDVP(146.61±113.46ng/gdw)。火山岩(66.94~435.01ng/gdw)和沸石(58.71~407.74ng/gdw)中有机磷的含量显著高于土壤(19.62~149.94ng/gdw)。植物体内，与菖蒲(432.95ng/g dw)、香蒲(665.21ng/g dw)比，风车草(1288.82ng/g dw)易于TCPP累积，DDVP则更易在菖蒲(379.58ng/g dw)中富集。有机磷主要富集在根部，与TCPP相比，DDVP更易向叶片组织迁移。植物(0.06%)和基质2.51%)中有机磷的累积有限，应更多的关注植物内部降解、蒸腾、微生物降解、光解和水解等作用对有机磷的去除影响。　　IVCWs中微生物具有丰富的多样性，与填料样品相比，土壤中的微生物丰度和多样性较高，其中变形菌门、放线菌门和拟杆菌门在系统占优。不同采样点微生物群落结构差异主要表现在土壤样品和填料样品，CW1和其它处理单元格之间。有机磷暴露提高了微生物的丰度和多样性，对微生物结构产生一定影响。门和纲水平上，优势菌相对丰度有所变化，但种类几乎不变，酸杆菌门、酸微菌纲明显增加，丰度分别提高了1.59~3.57%和1.28~10.08%。属水平上优势菌前后差异较大，鞘氨醇单胞菌属、Azohydromonas和玫瑰弯菌属等成为新的优势菌属。脱氮微生物的结构也受到影响，最主要的硝化螺旋菌属(Nitrospira)丰度稳定，亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)的丰度上升，有利于硝化反应进行。但对部分DNBs产生了一定的抑制作用，假单胞菌属(Pseudomonas )和黄杆菌属(Flavobacterium)丰度明显减少，DNBs丰度由7.93~24.54%下降到1.35~10.06%，反硝化过程受到限制。通过探究IVCWs对有机磷去除潜能及迁移行为和微生物效应，为湿地系统缓解有机磷污染进一步优化设计具有积极意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 水环境中有机磷污染现状

1.1.1 有机磷阻燃剂及其污染

1.1.2 有机磷农药及其污染

1.1.3 有机磷化合物的危害性

1.2 有机磷微污染物处理工艺

1.2.1 常规处理工艺

1.2.2 膜处理技术

1.2.3 高级氧化技术

1.2.4 吸附技术

1.3 人工湿地概述

1.3.1 人工湿地分类

1.3.2 人工湿地组成及其作用

1.3.2 人工湿地去除有机磷污染物现状

1.4 课题研究主要内容

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

1.4.3 创新点

第2章 试验装置及方法

2.1 实验装置设计

2.1.1 IVCWs装置

2.1.2 基质填充

2.1.3 植物种植

2.2 试验运行参数及方法

2.3 试验试剂及仪器

2.3.1 试剂及药品

2.3.2 仪器及耗材

2.4 分析方法

2.4.1 水质指标分析

2.4.2 基质和植物分析方法

2.4.3 微生物分析

2.4.4 数据分析

第3章 IVCWs净化污染物的效果

3.1 引言

3.2 常规污染物的去除

3.2.1 COD的去除

3.2.2 氨氮的去除

3.2.3 硝态氮的去除

3.2.4 总氮的去除

3.2.5 总磷的去除

3.3 有机磷污染物的去除

3.3.1 TCPP的去除

3.3.2 DDVP的去除

3.4 本章小结

第4章 有机磷在植物及基质中的累积

4.1 引言

4.2 基质中有机磷的累积规律

4.2.1 TCPP在基质中的累积

4.2.2 DDVP在基质中的累积

4.3 植物累积情况

4.3.1 TCPP在植物中的累积规律

4.3.2 DDVP在植物中的累积规律

4.4 质量平衡分析

4.5 本章小结

第5章 人工湿地系统微生物分析

5.1 引言

5.2 IVCWs中微生物分析

5.2.1 微生物多样性分析

5.2.2 微生物结构组成分析

5.5。

5.2.3 微生物结构差异性

5.3 脱氮微生物

5.4 有机磷暴露下的微生物响应

5.4.1 微生物群落多样性

5.4.2 微生物群落结构

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文