新型纤维填料人工湿地净化效果及基质堵塞的机制研究

人工湿地这种生态水处理技术受到越来越多的应用，但其面临的基质堵塞及解决问题一直是科学研究的重要命题。本项目拟选择有代表性和广泛应用的水平潜流湿地作为研究对象，从新型基质填料应用出发，借鉴具有抗压性的排水盲沟所用的纤维材料构建一种具有高效防堵性能并易于管理及再生的纤维填料－植物床模块，从而在植物－填料－微生物三者耦合作用以及湿地运行管理方式上进行创新，开发新型人工湿地工艺，并改造传统潜流湿地，达到快速解决基质堵塞、强化净化性能的目的。通过荧光、GC-MS等技术揭示有机污染物（特别是溶解性有机物）在人工湿地净化过程中的转化与降解行为，及其对基质微生物碳源利用的影响作用，结合人工湿地基质细菌胞外聚合物的分布研究评估EPS与有机物积累间的关系，从有机物质在人工湿地基质床体转化与积累角度阐明人工湿地基质堵塞的机理；对解析人工湿地的堵塞机制和微生物在其中扮演的角色和净化机理有更清晰的探讨和揭示。

无机及有机物颗粒、生物膜和植物根系生长及腐烂、化学物的积累，这些是人工湿地基质孔隙减少的重要因素。然而堵塞现象仍然是一个十分复杂和没有透彻研究的领域。对废水采用如沉淀池（或化粪池）进行去除固体物质的预处理变得理所当然，并显示了良好的效果。但对于溶解性有机物的代谢及影响仍然很不清楚。本项目选择有代表性和广泛应用的水平潜流湿地作为研究对象，从新型基质填料应用出发，构建一种具有高效防堵性能并易于管理及再生的纤维填料－植物床模块，开发出一种新型人工湿地工艺。结果显示，构建的新型纤维填料水平潜流湿地与传统结构水平潜流湿地进行了净化效果对比研究，发现尽管只有2年左右的运行期，但无论是针对低浓度富营养化水体，还是高浓度化粪池出水，新型纤维填料湿地净化效果均与运行6年的成熟传统湿地相当，证明新型纤维填料水平潜流湿地的设计是能够完成净化水质的目标的。其次，为了解溶解性有机物在湿地降解污染物过程中的特点，研究了水中DOM的三维荧光扫描光谱和紫外-可见光吸收光谱。结果显示水中DOM包含性质截然不同的类腐殖质和类蛋白类物质，去除的主要是类蛋白类物质，而类腐殖质和腐殖化指数（HIX）甚至会明显增加，特别是在有植物存在的时候,这显示类腐殖质类物质可能会在湿地中出现积累。微生物群落碳源代谢和功能多样性研究也显示在湿地不同位置微生物群落发生了代谢特征的变化，而且在有植物与无植物体系中都出现类似规律。对人工湿地的基质堵塞情况进行了测定，新型纤维填料的基质堵塞情况远远好于传统结构湿地，但2种传统结构湿地（有无植物体系）的对比研究表明，植物对于上中下层堵塞的影响完全不同，在上中下层分别存在消极、中性和积极影响。还对四种微生物胞外聚合物（EPS）的提取方法进行了比较，得出80℃加热法是比较有效的方法。最后，对有无植物湿地系统不同位置基质进行采样，分析了胞外聚合物中各成分的含量比例，发现有植物与无植物体系间，在所有位点上积累的微生物EPS成分均存在显著性差异，而且上下层间也均存在显著性差异，这也证明了上一步微生物碳源代谢分析研究的结果是有关联的，不同位置的微生物群落碳源代谢的差异也会影响到积累的堵塞物质。进一步比较EPS的组成，会发现与间隙水三维荧光特性相对应，在上层基质中，有植物体系腐殖质物质积累量要远高于无植物体系，这与DOM的光谱研究结果存在相关。