典型流场分布形态下人工湿地有机碳矿化驱动机制及其对堵塞形成的影响

Clogging is a main operational issue associated with purification performance and lifetime of a constructed wetland; the clog formation mechanisms and intervention strategies are urgent issues. The aim of this study is to reveal the clogging mechanisms through the organic carbon mineralization aspect in preferential flow and uniform flow constructed wetlands, and to investigate the plant and microbial responsible. A combination of numerical simulation methods and experimental methods is applied firstly to quantify the correlation between substrate structure parameters and flow filed distribution. Two typical constructed wetlands with preferential flow and uniform flow will be constructed according to the results. In the following section, the microbial factors will be investigated by performing plate count and PCR-DGGE tests to determine the evolution character of microbial quantity and community structure, and combining with the synchronous measurements of EPS, Clog matter composition and organic carbon mineralization by phenol-sulfuric acid method, Lowry method and plating method. In the last section, the rhizobox method and GC-MS are adopted to investigate the influence of root exudates on organic carbon mineralization and clog formation. It is intended that the study performed will elucidate the clogging mechanism and provide scientific basis for preventing clogging.

堵塞是影响人工湿地持久、高效运行的主要障碍，堵塞形成机理及控制途径问题亟待解决。本项目以水平潜流人工湿地为对象，围绕均匀流及优先流两种典型流场分布形态下有机碳矿化特性差异这一关键问题，结合微生物与植物对有机碳矿化的驱动效应，共同揭示堵塞形成机制。研究从如何通过人工湿地床体结构参数的配置控制流场分布状态入手，拟采用数值模拟方法结合实验手段，确定结构参数与流场分布之间的相关性，实现两种典型流场人工湿地的构建；在此基础上，利用稀释平板计数法、PCR-DGG技术研究典型流场下微生物数量和群落结构的时空演替规律，结合苯酚硫酸法、Lowry法及培养法等对胞外聚合物、堵塞物组分及有机碳矿化的同步研究，探讨有机碳矿化及堵塞形成的微生物机制；利用气质联用技术和根箱法，研究植物根系分泌物对有机碳矿化及堵塞形成的驱动机制。该项目的研究将为进一步阐明人工湿地堵塞形成机制、解决堵塞问题奠定基础。

堵塞是影响人工湿地持久、高效运行的主要障碍，人工湿地的水力性能是影响堵塞形成的关键因素。本项目提出利用地下水研究中的三维渗流场理论研发均匀流场人工湿地以提高水力效率的新思路，探索了基于MODFLOW数值模拟系统的基质结构定量化设计方法，识别出影响水力性能的主控因素，根据模拟结果构建对比实验系统完成了模拟方法有效性验证。在此基础上，保持反应器的持续运行，深入探讨了不同流场分布情况下，各对比系统水力性能与净化效率，固体颗粒物的累积过程及其微生物、植物学影响机制。上述研究取得了如下原创性成果：（1）基质填充结构及填料水力传导率是影响床体中水流均匀分布的主控因素，从表层到底层水力传导率由低到高的分层填充结构能够有效提高床体中流场分布的均匀性；（2）均匀流场人工湿地能够充分利用床体区域，使其最大限度的发挥作用，避免表层短流及优势水流的形成，缓解底层死区范围，从而提升污染物与填料及其上附着的微生物的接触面积及接触时间，使其水力效率及污染物净化效率较常规设计结构人工湿地提高近15%及30%；（3）水力性能的提升改善了床体中的氧化还原环境，强化了微生物的功能分区，使优势菌门-变形菌门( Proteobacteria) 及其属水平上的硝化与反硝化菌属的相对丰度显著提高，并呈现出明显的空间分布差异，从而有利于污染物的分区降解；（4）均匀流场人工湿地填料累积物中的有机物含量显著低于传统湿地，且在床体中的分布更为均匀，这有利于避免颗粒物在局部的过度累积，进而缓解床体堵塞的形成；（5）植物根系周围微生物的胞外聚合物数量高于无根系区域，显示出植物根系对微生物活性的刺激作用，且不同植物系统中微生物呼吸强度有所差别，表明植物对有机物代谢及颗粒物累积过程中的影响。上述研究成果，证明了三维渗流场理论及其数值模拟技术可以有效提高人工湿地设计水平，实现流场的均匀分布，从而提高系统性能，避免堵塞形成。