藻类塘-人工湿地耦合系统的有机碳源强化效应及其脱氮机制研究

The wastewater treatment plants (WWTPs) in China produce a vast amount of effluent that is enriched in total nitrogen but low in biodegradable organics, exerting strong or even intolerable pressures on receiving water bodies, especially those with weak self-purification. Constructed wetland (CW), as an important water treatment approach, has been well studied and broadly applied. Although the role of organic carbon in nitrogen removal by CWs has been well recognized, how to improve the efficiency in nitrogen removal by organic carbon supply to CW with cost considerations remains unsolved. This research will use phytoplankton from oxidation pond discharges as the external organic carbon resource supplied to CW. We will explore the relationship between the nitrogen-removal efficiency of CW and the influent phytoplankton concentration, and estimate the optimal C/N ratio in the influent. We will use mesocosm experiment to quantify the contribution of algae in the nitrogen removal using coupled algae pond-CW system. Then we will investigate the temporal and spatial variation of the community structure and biomass of the nitrogen-removal microorganism, and explore their relationship with nitrogen removal efficiency to provide insight to the mechanism of the algae in nitrogen removal. Finally, we will compare the efficiencies of algae pond when coupled with different type CWs and estimate the best combinations. This research will provide both innovative theories and newly developed techniques for advanced treatment of WWTP effluent.

我国污水处理厂二级出水排放量大，且可生物降解有机物含量低、总氮浓度高，这对自净能力有限或已受到污染的受纳水体来说，并不能从根本上解决水体的富营养化问题。人工湿地作为一种重要的处理技术，虽然已有大量研究和广泛的应用，但如何经济有效地添加碳源提高脱氮效率仍是当前面临的技术瓶颈。为此，本研究以氧化塘藻类为人工湿地提供外加碳源为切入点，分析人工湿地脱氮效率与进水藻浓度之间的关系，确定人工湿地含藻进水的最佳C/N比；基于中宇宙模拟系统，定量藻类对藻类塘-人工湿地耦合系统脱氮效果的贡献率；解析添加藻类后，人工湿地系统时间上及空间上与氮去除相关微生物的群落结构和数量的变化规律，并深入探讨人工湿地脱氮效率与微生物菌群之间的关系，揭示藻类作为外加碳源强化人工湿地脱氮效率的机制；对比研究藻类塘与不同类型湿地耦合的脱氮效果，得出较佳组合工艺。研究以期为污水处理厂尾水深度处理提供新的思路和技术支撑。

我国城镇生活污水经二级生物处理后大部分污染物得到削减，但尾水排放量大，氮、磷等浓度仍然较高，亟待深度处理。微生物的硝化反硝化是人工湿地中的主要除氮机理。由于进水有机碳含量很低，并多为难降解有机碳，因此人工湿地处理尾水难以达到理想的脱氮效果。如何经济有效地添加碳源则成为解决这一问题的技术瓶颈。本项目构建藻类塘与人工湿地的耦合系统，利用藻类为人工湿地提供碳源，人工湿地作为后续处理设施去除藻类，可以达到汇碳-脱氮的作用，形成一种碳源自足的污水深度处理系统。.本研究构建藻类培养装置+水平潜流人工湿地，模拟藻类塘-人工湿地污水处理系统。以小球藻为对象，研究微藻投加对人工湿地脱氮效果的影响，优选系统运行工况，对比了前处理与分级进水对碳源强化脱氮的影响，并探讨微藻碳源在人工湿地中强化脱氮作用机制。.实验结果表明，藻粉可释放碳源的COD当量为375 mg·g-1，其碳源释放量、释放速率高于高等植物材料。微藻碳源投加量对人工湿地脱氮效率有显著影响，人工湿地进水COD/N=5.3时，即进水微藻浓度为1.5×107 ind·mL-1时，人工湿地出水TN浓度最低；此时TN去除率分别由11.1%提升至70.3%，NO3--N去除率由4.8%提升至70.5%。当进水COD/N<6，反硝化速率与实际测量进水COD/N成线性相关关系。.小球藻的投加使人工湿地中TN发生去除的区域向人工湿地深处延伸，反硝化在人工湿地深处仍可以继续进行。藻类投加后人工湿地内部ORP明显降低，人工湿地内部VFAs浓度升高。氮功能基因中的优势种为nirS，nxrA及anammox。藻类的添加在一定程度上提升了人工湿地中氮功能基因的丰度，并使其分布于人工湿地后半段。对氮循环功能基因及环境因素做冗余分析，结果显示优势菌种反硝化功能基因nirS与人工湿地中VFAs关系密切，而参与硝化反应的功能基因nxrA和厌氧氨氧化功能基因与NO2--N和ORP关系密切。此结果进一步证实了藻类的添加改变了人工湿地中ORP及VFAs分布，从而强化了氮素的去除。.对比研究了阶梯垂直流人工湿地分级进水碳源分配强化脱氮效果，确定较佳的二级进水比例。.在本研究成果基础上，可开展藻类塘-人工湿地强化脱氮的中试及示范工程研究，为污水处理厂尾水深度处理提供新的生态工程技术与方法。