深度脱氮型人工湿地系统中温室气体的排放机制及调控策略研究

Constructed wetland is an important ecological technology in low polluted wastewater treatment, and external carbon addition can improve denitrification performance efficiently. In project practice it was found that different types of external carbon resource and hydrophyte growing or not could result in different greenhouse gas emissions. Aiming at this phenomenon, an assumption of "external carbon addition and hydrophyte growing or not can arouse the change of organic matter and redox condition at constructed wetland, and thus influence its denitrification performance and methane production, which result in different greenhouse gas emissions" has been put forwarded. In experimental condition, dissolved oxygen micro-sensor device and nitrogen isotope pairing technique will be applied to analyze the relationship between external carbon source, hydrophyte growing or not and redox condition, denitrification rate and the emissions of methane (CH4) and nitrous oxide (N2O), and thus to clarify the influencing mechanism of carbon/redox controlling on nitrogen removal and greenhouse gas emission. On this base, an strategy for highly efficient nitrogen removal and greenhouse gas emissions mitigation would be drawn out, which could supply basic foundation for the optimization design and operation controlling in constructed wetland.

人工湿地是低污染水深度处理的重要技术手段，外加碳源能够有效提高系统的脱氮效能。然而在研究实践中发现不同外加碳源、水生植物种植有无导致甲烷、氧化亚氮等温室气体排放通量差异明显的现象。针对这一问题，本申请课题提出“深度脱氮型人工湿地中，外加碳源类型、水生植物等因素会导致湿地中氧化还原条件和可生物利用有机碳发生显著的变化，并进而会影响湿地中的反硝化过程和产甲烷过程，这就导致了不同运行状况条件下出现的温室气体排放通量存在差异的现象”这一假说。在实验室内受控试验条件下，采用溶解氧微电极法和氮同位素标记法解析外加碳源、水生植物与人工湿地系统中氧化还原条件、反硝化效率以及氧化亚氮、甲烷排放通量之间的关系，阐明人工湿地中碳氧调控对脱氮效率和温室气体排放的内在影响机制，并在上述研究基础上，制定人工湿地高效脱氮及温室气体减排控制的策略，为深度脱氮型人工湿地的优化设计和工程管理提供科学依据和基础数据。

人工湿地运行过程中往往会伴随甲烷、氧化亚氮和二氧化碳等温室气体的产生，如何在确保湿地脱氮效能的前提下，尽可能地减少温室气体的排放，对缓解大气温室效应具有重要的现实意义。本研究在实验室内构建了水平潜流人工湿地系统，通过解析外加碳源和水生植物与人工湿地系统中反硝化效能、温室气体排放通量、微生物群落和功能基因、氧化还原条件之间的关系，研究了人工湿地中碳氧调控对脱氮效率及温室气体排放的内在作用机制，为深度脱氮型人工湿地的优化设计和工程管理提供科学依据和基础数据。主要从以下几方面进行了针对性研究：（1）进水以NO3--N为主且无外加碳源时，反硝化作用不足是限制脱氮效能的主要原因；外加葡萄糖显著促进了反硝化菌的数量和活性，但抑制了NH4+-N的硝化作用，异养反硝化菌为优势菌种；进水以NH4+-N为主且无外加碳源时，砾石床和芦苇床中检测到厌氧氨氧化菌Candidatus Anammoximicrobium，主要脱氮途径改变为厌氧氨氧化作用。（2）当葡萄糖为电子供体时，砾石潜流人工湿地的TN和NH4+-N的去除率较低，碳源不足时由于电子竞争导致NO2--N积累浓度和N2O通量更高，碳源过量时由于微生物呼吸作用导致CO2通量更高；当乙酸钠为电子供体时，反硝化作用完全且碳源过量的条件下电子才会流向产甲烷作用；碳源类型显著影响了微生物群落结构和功能基因，乙酸钠为碳源有助于促进反硝化效能且降低温室气体总增温潜势。（3）未加碳源时植物的脱氮贡献主要为对氮素的吸收以及根系分泌物对反硝化的促进；植物的存在提高了湿地系统的细菌总量，碳源过量时植物的脱氮贡献主要为根系输送的氧气将进水NH4+-N全部转化为NO3--N，植物与外加碳源耦合时，人工湿地的TN去除率可以达到接近100%，在吸收CO2的同时维持较低的N2O与CH4排放通量。