潜流型人工湿地低温域脱氮的生态过程及功能强化

人工湿地低温域脱氮效果差成为制约该技术进一步发展的瓶颈。本项目以潜流型人工湿地为对象，系统研究低温域湿地植物、微生物、基质三者协同作用脱氮的生态过程并针对性地进行功能强化。具体内容包括：研究低温域湿地微生物群落结构、活性分布及代谢特性，关键酶活性与作用，溶解氧的时空分布、输移与利用规律；研究低温域植物生理生态特性与根际氧、关键酶、微生物群落分布，及其对区域内氮转化的微环境作用机制；研究低温域植物根际与非根际的基质界面形态的改变及其效应；解明低温域含氮污染物输移与转化的生态过程及其机理，建立用以表征的生态动力学模型。明确低温域含氮污染物降解的关键限制因子，针对性地采取几种特殊设计的强化措施，测定并比较低温域含氮污染物综合处理效果，提出改善低温域脱氮效果的人工湿地设计方法及参数，进一步挖掘人工湿地的净化功能与潜力，为拓宽该技术的应用与发展提供理论依据和技术保障。

本项目针对人工湿地污水生态处理技术低温条件下脱氮效果差的发展瓶颈，系统研究了低温域潜流型人工湿地系统中植物、微生物、基质三者协同脱氮的生态过程，并采取一系列组合强化措施针对性地进行功能强化。本课题重点进行了以下工作：考察了低温条件下，不同植物、不同基质人工湿地污水处理系统在不同运行工况下的脱氮效果，对具有耐寒性能的湿地植物、基质进行初步筛选；针对人工湿地脱氮效果受温度影响显著的问题，从湿地床体溶解氧分布、基质酶活性、硝化反硝化作用强度、脱氮微生物脱氮能力、植物光合蒸腾生理生态特征等多方面探讨了温度效应的作用机制；研究了低温域人工湿地系统中脱氮微生物的数量、活性与多样性的沿程分布特征及其相关的基质酶活性、氮转化强度的沿程分布；详细探讨了低温域湿地植物氮吸收、根系分泌等生理生态特征，并尝试通过投加植物分泌物质以提升基质的脱氮能力及微生物数量；为了进一步探讨人工湿地系统中植物、微生物、基质三者在低温胁迫下的协同作用机制，课题研究了低温域不同湿地植物根际基质理化指标及氮转化强度、酶活性分布等指标；研究了低温域不同湿地植物根际脱氮微生物数量、活性及多样性，并对植物根际的脱氮菌种群结构进行了初步探索；研究了低温域湿地系统中脱氮微生物与基质理化指标、酶活性、氮转化强度等的相关关系。为了进一步解明低温域含氮物质在人工湿地系统内的输移、转化生态过程及机理，在以上系列研究的基础上，构建了人工湿地系统脱氮生态过程的概念结构，并建立用以表征的生态动力学模型，利用生态模型模拟了温度变化对湿地脱氮的影响，并量化模拟了湿地内各类含氮污染物的转移与去除过程，模拟数据与实测数据拟合良好。最后，针对人工湿地低温域脱氮的关键限制因子，针对性地采取植物收割、覆膜保温、串联运行、多点进水、局部曝气等组合强化措施，通过综合比较低温域净化效果，提出了有效改善的人工湿地运行措施及参数。通过研究，为揭示人工湿地低温域脱氮机理，有效提高低温域湿地运行效果，进一步挖掘人工湿地的净化功能与潜力，拓宽该技术的应用与发展提供了理论依据和技术保障。