铁碳微电解人工湿地耦合系统去除有机农药污染物的过程和机理研究

Constructed wetlands (CWs) have proven an effective and practical option for removing certain pesticides from agricultural runoff. However, once pesticides retained in a CW, they may accumulate to certain levels. Further, a subsequent event (e.g.,a heavy rain storm) may mobilize the accumulated pesticides, causing a delayed discharge of the retained contaminants. For reinforcing pesticide removal efficiency and stabilization of treatment efficiency, constructed wetlands with micro-electrolysis packing materials are exploited. Through studying the factors about pollutant loading, hydraulic retention time and pH, treatment efficiency of organophosphate and organochlorine pesticides are respectively studied. By using liquid chromatography-mass spectrometry and gas chromatography-mass spectrometry, degradation products of pesticide in various depths of wetland systems are identified. Pesticide degradation pathways in constructed wetland with microelectrolysis packing materials will be examined. Removal mechanism and efficiency of pesticide in the system will be explored. Through studying enzyme activities in constructed wetland substrates and microorganism communities in constructed wetland root zone, impact of microelectrolysis packing materials on microbial degradation of pesticide will be explored.This study aims to provide a scientific basis for non-point pesticide pollution control by constructed wetland with microelectrolysis packing materials.

人工湿地可以有效降低农业径流中农药的浓度，但是农药成份会在人工湿地的沉积物中残留累积，一定条件下（如暴雨冲刷）造成二次污染。微电解技术可有效分解难降解有机农药，提高废水可生化性。采用粒状铁碳填料构建微电解人工湿地耦合系统，可将两者的优势相结合从根本上解决农药面源污染与残留累积的问题。本项目将结合液相色谱-质谱、气相色谱-质谱技术对湿地不同部位的农药降解中间产物进行分析鉴定，解析有机农药在耦合系统中的降解途径及区域特征，探讨系统中农药污染物的降解机制。通过研究对比基质中与有机物降解有关的磷酸酶、脲酶、脱氢酶等酶活性及植物根区微生态的实验结果，从生物学角度分析微电解基质促进微生物降解农药的机理。本研究工作的开展，将为微电解人工湿地耦合系统控制农药面源污染提供直接的理论依据，为环境难降解有机农药污染的治理提供一种新方法。

本研究以粒状铁碳陶粒和砾石为基质填料构建微电解垂直流人工湿地耦合系统，采用人工配置生活污水测试优化系统的运行条件后，研究了系统对模拟农业面源污染径流的含农药废水的去除效果，得到主要结论包括：.（1）启动实验结果表明，微电解耦合人工湿地的启动时间比普通垂直流人工湿地缩短近一半。2种人工湿地对对氨氮的去除率无显著差异。对COD和PO43-的去除率表现为微电解耦合人工湿地优于普通垂直流人工湿地。HRT为2d时，微电解耦合人工湿地的出水COD，PO43-可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A排放要求。在相同水力停留时间下，系统对COD和PO43-的去除效果美人蕉>风车草>芦苇。故在后续的研究中使用以美人蕉为湿地植物的上升垂直流微电解耦合人工湿地。.（2）普通人工湿地和微电解耦合人工湿地对低毒性农药百菌清去除效率无显著性差异（P＞0.05），但是受百菌清的影响，普通人工湿地系统对COD和PO43-去除效率明显降低，而微电解耦合人工湿地对COD和PO43-去除效率没有明显变化。微生物群落结构分析发现，微电解耦合人工湿地有利于降解污染物的Flavobacteriaceae和Cloacibacterium相对丰度高于普通人工湿地，表明铁碳微电解陶粒可降低百菌清毒性对人工湿地生态系统的影响。.（3）微电解耦合人工湿地对高毒性农药毒死蜱的去除效率显著高于普通人工湿地。微电解耦合人工湿地系统耐受毒死蜱水的毒性影响，能有效的去除污水中的各类污染物，而普通人工湿地系统受冲击较大。普通人工湿地植物对毒死蜱的摄取量显著高于微电解耦合人工湿地植物，微生物群落结构分析发现，微电解耦合人工湿地基质附载能降解毒死蜱的Flavobacterium、Pseudomonas相对丰度远高于普通人工湿地，同样，去除磷酸盐的Acinetobacter相对丰度较高。此外，只在微电解耦合人工湿地中发现能降解毒死蜱的Klebsiella以及能有效降解有机物的Janthinobacterium和 Duganella。铁碳微电解陶粒有助于人工湿地中的微生物群落结构向特定的功能性方向演替，同时也能保护系统中的微生物，增强对高毒性农药面源污水的处理效果。