人工湿地-微生物燃料电池耦合系统缓解生物堵塞试验研究

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)利用电极表面富集的电化学活性菌(Electrochemically Active Bacteria,EAB)对生物堵塞的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)进行降解,并通过产电过程中形成的微弱电场来抑制微生物胞外多糖大量分泌,可在一定程度上控制人工湿地(Constructed Wetland,CW)的生物堵塞。为此,研究将阴极和阳极电极分别嵌入垂直流人工湿地的不同深度位置处,构建了人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)耦合系统。通过比较开路和闭路耦合系统的孔隙率、过水速率以及净化效果,评价CW-MFC系统的堵塞延缓能力。结果表明:相较开路系统,闭路系统的过滤速率增幅较大,孔隙率的降幅较小,在一定程度上缓解了堵塞。闭路系统对TN和NH4+-N的去除率显著高于开路系统。嵌入电极形成的CWMFC系统可原位缓解堵塞,有较好的应用潜力。     

人工湿地微生物燃料电池耦合系统对典型全氟化合物的去除效果

针对污水中传统污染物和新污染物的共存特征, 以典型全氟化合物(PFASs)为目标新污染物, 探究人工湿地微生物燃料技术(CW-MFC)处理含PFASs污水的效果, 构建了不同电路运行模式下的CW-MFC体系, 研究了CW-MFC对PFASs的去除效果, 并探讨PFASs添加后对传统污染物去除和生物电化学性能的影响。结果表明CW-MFC系统在开路和闭路运行下均能够有效去除废水中96%以上的PFASs。在PFASs介入后, 对CW-MFC系统有机物和磷的去除无显著影响, 然而系统的脱氮效率和生物电转化性能均发生了一定程度的降低。在闭路运行工况下, CW-MFC系统的氨氮去除率和输出电压分别下降了7.22%和7.32%; CW-MFC开路运行时总氮去除率降低了13.98%。研究为水环境中PFASs污染的治理技术提供有益探索。     

水平潜流人工湿地堵塞初期微生物群落结构变化

为了寻找合适的湿地堵塞监测指标, 文章通过运行4组湿地装置来模拟水平潜流人工湿地堵塞的过程, 并研究人工湿地中微生物群落在湿地堵塞初期的响应。在人工湿地反应器运行过程中, 定期监测基质过滤速率与人工湿地处理性能, 包括化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)去除效率, 同时应用高通量测序技术测定并分析湿地反应器中微生物群落结构组成与多样性。结果表明: 随着堵塞的形成, 在4组人工湿地中, 基质过滤速率和TP的去除效率持续下降, 而COD和TN的去除效率分别为50%—85%和10%—20%; 16S rDNA测序结果表明堵塞会降低细菌群落的丰富度和多样性; 人工湿地系统中的优势菌门主要是变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和绿弯菌门(Chloroflexi)等, 且当湿地进入堵塞初期后, 变形菌门丰度明显增加, 具体表现为其门下的反硝化细菌属(Thauera、Zoogloea和Rhizobium) 丰度显著增加, 此外厚壁菌门和绿弯菌门的有机物降解菌属(Clostridium sensu stricto、Gracilibacter和Levilinea)的丰度也明显增加, 这表明上述菌属有望成为人工湿地系统堵塞初期的预警指示菌。     

不同生物促生剂添加量对垂直流人工湿地水质净化效果的影响

以垂直流人工湿地为研究对象,探讨不同生物促生剂添加量对系统中N、P以及COD去除效果的影响,并通过测定人工湿地系统中基质磷酸酶和脲酶活性来进行机理分析。结果表明,添加生物促生剂可显著提高系统的脱氮效率,TN和N H4+-N去除效率均达到80%以上,较对照系统分别提高了71.5%和31.7%,对TP和COD的去除效率最高可达到36.0%和91.6%,较对照系统分别提高了9.1%和5.9%。同时可提高系统中基质磷酸酶和脲酶活性,对系统中基质脲酶活性更具有显著性的影响,基质磷酸酶、脲酶活性和COD去除率间存在显著正相关。研究中所采用的生物促生剂在本系统中最适宜添加量为5μL/L,即每升进水中添加5μL生物促生剂。     

4种不同生活型湿地植物对富营养化水体的净化效果

选择4种湿地植物菖蒲、香蒲、浮萍和金鱼藻,研究单一及组合湿地植物对高浓度污水(污水处理厂进水)、低浓度污水(污水处理厂出水)中营养物质的去除效果.结果表明: 水体中总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)浓度呈现试验前期快速下降,后期缓慢下降的趋势,表明湿地植物能有效净化污水中的TN、TP、COD,但不同湿地植物及湿地植物组合的净化效果存在差异.多种湿地植物组合比单种湿地植物对TN的净化作用强,其中香蒲＋浮萍＋金鱼藻对TN的净化效果最佳;高浓度污水中,单种挺水植物对TP的净化效果较好,低浓度污水中,则是多种湿地植物组合对TP的去除率较高;高浓度污水中,湿地植物对COD的去除率为85.1%～96.0%,其中菖蒲、香蒲去除效果最佳,低浓度污水中,湿地植物对COD去除率为76.9%～94.8%,以菖蒲＋浮萍＋金鱼藻去除效果最好.总体看来,湿地植物对高浓度污水中TN、TP、COD的净化效果好于低浓度污水,两种水体的pH都得到改善.     

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究进展

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)是一种将人工湿地技术(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)结合在一起的新型污水处理系统,其产电机理是产电微生物在底层湿地(阳极)的厌氧条件下生成电子,通过外电路传递到表面湿地(阴极)完成氧化还原反应。但是,近几年来,关于CW-MFC研究的文章较少且研究深度较浅。综述了电极材料、水力条件、湿地植物及微生物等条件对CW-MFC污水处理能力和产电能力的影响。在电极材料方面,选用导电性、吸附性及有效面积大的材料作为电极可有效提高CW-MFC产电与去污能力;在水利条件方面,在HRT为2-3 d的条件下,应选用升流式或升流-降流式的入水方式;湿地植物方面,种植湿地植物的CW-MFC在去污和产电能力上都要优于未种植植物的CW-MFC;微生物方面,阴极与阳极的微生物群落结构存在明显的差异,但存在的产电菌的种类却十分相似。CW-MFC中存在的常见产电微生物主要包括地杆菌属(Geobacter)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、假单胞菌属(Pseudomona)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等。最后对CW-MFC的研究方向进行了分析,以期为CW-MFC的实际应用提供理论依据。     

几种湿地植物净化生活污水COD、总氮效果比较

以无植被、基质为河砂的潜流型人工湿地为对照,研究了石菖蒲、灯心草和蝴蝶花3种类型植被、基质均为河砂的潜流型人工湿地净化生活污水COD、总氮的效果．结果表明,在污水COD浓度小于200mg·L^-1、总氮浓度小于30mg·L^-1的低浓度范围里,无植被的人工湿地和有植被的人工湿地对污水中COD、总氮均有很好的去除效果,两者差异不大,其COD去除率均达90％以上,总氮的去除率达80％以上．随着污水中COD和总氮浓度的增加,无植被人工湿地和有植被人工湿地去除COD和总氮的效果均有不同程度下降,两者差异明显,有植被的人工湿地能维持较高的COD、总氮的去除效果,无植被的人工湿地COD和总氮去除效果下降很快,植被在人工湿地系统去除污水COD和总氮过程中起着重要的作用．在整个试验阶段,石菖蒲植被人工湿地COD和总氮平均净化效率分别为80．46％和77．77％、灯心草人工湿地分别为75．53％和71．17％、蝴蝶花人工湿地分别为70．50％和66．38％,无植被人工湿地分别为61．39％和55．81％．同无植被人工湿地COD和总氮净化效果相比,石菖蒲植被人工湿地净化效果最好;其次为灯心草植被人工湿地,再次为蝴蝶花植被人工湿地．不同类型植被的人工湿地净化污水中COD和总氮的效果与其生物量关系密切,这与植被系统吸收同化有机物质和总氮数量、根际微生物分解有机物质和硝化-反硝化作用有关。     

人工湿地对抗生素复合污染的净化效果及微生物群落响应

为研究人工湿地对氟喹诺酮类(FQs)、磺胺类(SFs)、四环素类(TCs)抗生素的净化性能及微生物群落的响应,以运行多年的单层及多层(3层、6层)基质结构的水平潜流人工湿地为对象,分别采用固相萃取-高效液相色谱法和高通量测序来检测抗生素含量和微生物菌落结构,分析对比分层结构湿地系统中3类8种抗生素的去除规律、对常规污染物去除的影响以及系统微生物群落结构的变化。结果表明:人工湿地对FQs、磺胺噻唑、磺胺二甲基嘧啶、氧四环素表现出较好的去除效果(>95%),相同条件下,对磺胺嘧啶和四环素去除效果较差(61.9%~66.8%)。多层结构湿地系统对抗生素的平均去除率较单层结构湿地提高3.2%。抗生素的加入使湿地系统对COD、NH4₊^-N的去除效果略有增加,平均去除率分别提高了18.5%和16.5%,却使TP的平均去除率下降(降低了28.6%)。FQs、SFs和TCs抗生素加入后,3个湿地系统的平均Shannon指数由5.80降到4.66,平均Simpson指数由0.017增加到0.063。主要优势门Proteobacteria和Bacteroidetes不变,其余优势门(Chloroflexi、Firmicutes、Verrucomicrobia和Acidobacteria)主次位置发生改变。优势属结构出现明显变化,反硝化菌Acinetobacter、Aquabacterium和Pseudomonas丰度显著升高,且取代除磷菌Dechloromonas和Flavobacterium成为主要优势菌属。     

人工湿地对猪场废水有机物处理效果的研究

分别以香根草 (Vetiveriazizanioides)和风车草 (Cyperusalternifolius)为植被 ,按 1.0m× 0 .5m×0 .8m建立人工湿地 ,通过 4季测试 ,研究其对猪场废水有机物的净化功能及其随季节、进水浓度及水力停留时间变化的规律 .结果表明 ,4个季节香根草或风车草人工湿地对COD和BOD有较稳定的去除效果 ,两湿地抗有机负荷冲击能力强 .在春季 ,停留时间 1～ 2d ,COD和BOD去除率分别为 70 %和 80 %;在夏季 ,进水COD高达 10 0 0～ 140 0mg·L-1情况下 ,COD去除率接近 90 %;在秋季 ,停留时间 1～ 2d ,COD和BOD去除率分别为 5 0 %～ 6 0 %和 5 0 %;在冬季 ,进水COD达 10 0 3mg·L-1情况下 ,COD去除率在 70 %以上 .COD、BOD和SS的去除率在两湿地间没有显著差异 .人工湿地污染物 (Y)随水力停留时间 (t)延长的降解遵从指数方程规律Yt=Y0 ·e( -kt) .在相同停留时间时 ,随进水污染物浓度 (x)提高的出水污染物浓度 (y)的回归关系遵从直线方程规律 y =a+bx .     

潜流型菖蒲人工湿地不同C/N对污染物的去除效率

选取炉渣和砾石为基质,以无植被为对照,分别设置低、中、高浓度的3个碳水平(C1、C2、C3)和3个氮水平(N1、N2、N3)处理,研究潜流型菖蒲人工湿地在不同C/N下净化生活污水中COD、总氮(TN)、总磷(TP)的效果。结果表明,在不同C/N下,菖蒲人工湿地对污水中COD、TN的去除效果显著高于无植被的人工湿地,菖蒲植被能增加人工湿地COD去除率10.53%,增加TN去除率6.73%;而对于TP的去除,有无植被无显著差异。随着进水N、P浓度及C/N的变化,菖蒲湿地对COD、TN和TP的去除率分别为67.57%～75.85%、20.91%～56.82%和7.15%～17.78%;同时,菖蒲植株对N、P的积累量也相应的变化,其地上部的N、P积累量为4.44～14.79和1.11～3.37g.m-2,平均占湿地N、P去除率的6.91%和10.67%;地下部的N、P积累量分别为2.35～5.20和0.74～1.41g.m-2,平均占湿地N、P去除率的2.69%和6.02%。植物地上器官对湿地N、P的积累量大于地下部,有利于通过收割作用去除湿地系统中的N、P。     

Dependence between quality and removal effectiveness of organic matter in hybrid constructed wetlands

The operation of three hybrid constructed wetland systems composed with vertical flow (VF-CW) and horizontal flow (HF-CW) constructed wetlands was analysed. The analyses were carried out in two wetlands (CWs) located in northern Poland: in Wiklino and Wieszyno and one in Wiedersberg in Germany. The wetlands were supplied with domestic sewage after mechanical treatment. It was proved that the decomposition rate of organic matter was determined by proportions of organic hardly decomposed (COD-X(S)) and non-decomposed (COD-X(I)) suspension. It was proved that increase of organic matter (OM) concentration in filter material of first beds in plants: Wiklino and Wieszyno caused clogging and decreased removal efficiency. In the two-years long study no accumulation of organic matter in the VF-CW in Wiedersberg was observed. Therefore, the aerobic conditions maintained in the bed enabled efficient decomposition of soluble organic easy-to-decompose fraction (COD-S(S))and COD-X(S) and no accumulation of OM was observed. The effectiveness of COD removal in the VF-CW in Wiklino and Wieszyno was lower in comparison to Wiedersberg, which was due to lower biodegradation potential of treated sewage (in Wiklino) and accumulation of OM in the sub-surface bed layer, resulting in pores clogging and reduction of air inflow (in Wieszyno).     

外源脱落酸对湿地植物美人蕉抗寒性的影响

低温时植物枯萎导致人工湿地运行效率降低, 研究将脱落酸应用于湿地植物, 以期提高其抗寒性。采用0、5、10、15、20和25 mg/L的脱落酸(ABA)对美人蕉(Canna indica L.)幼苗叶面进行喷施并进行阶段性降温培养, 评价各组在0℃时的抗寒性, 筛选出最适ABA处理浓度。结果表明: 在低温条件下, 经过适宜浓度外源脱落酸预处理组的丙二醛(MDA)、相对电导率显著性低于对照组; 脯氨酸、可溶性糖和蛋白质含量显著高于对照组, 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性也有所提高。综合以上指标, 认为15 mg/L脱落酸处理为最佳。随后将其应用于人工湿地, 对其冬季净化效果进行评估。结果发现, 15 mg/L脱落酸预处理可使人工湿地的冬季TP、TN和COD去除率显著高于对照组(P<0.05)。由此可见, 一定浓度的脱落酸预处理能够有效提高美人蕉的抗寒性, 并提高人工湿地冬季净化效果。     

An investigation into the microbial clogging potential of selected filter media as a result of biodegradation of a high-strength sulphate-rich alkaline leachate

The research examines the potential for bio-clogging in filter packs containing fine sand of the type typically used in extraction wells for pumping leachates containing fine particulate matter, such as cement kiln dust (CKD). Three filter media with different particle sizes were used: 1.7–4.75, 0.35–1.0, and 0.235–0.45 mm. Each sand filter was tested using a leachate recirculating column reactor with a free drainage layer, on top of which was placed the filtration medium which was kept saturated and at a positive hydrostatic head by a 2-l reservoir of leachate. The leachate was collected from a landfill site that had been used for the co-disposal of municipal solid waste (MSW) and CKD. The leachate used was filtered by passing through a Whatman GFA filter paper before being added to the reactors in order to eliminate as far as possible the non-biological clogging which might have resulted from the introduction of particulate matter in the form of CKD. The filters and a control experiment were run under anaerobic conditions at 35 °C. The bio-clogging potential was observed by taking differential manometer readings from manometers located in the drainage and reservoir sections of the reactor. No clogging was detected using the coarser of the filter media, but there was some clogging when a finer filter medium was used. Head space gas analysis indicated that methanogenic activity was inhibited and analysis of the liquid phase indicated that the microbial process responsible for removal of chemical oxygen demand (COD) was principally one of sulphate reduction.     

人工湿地污水处理技术问题及改进措施研究进展

人工湿地作为一种绿色生态、低成本的污水处理技术,其应用日渐广泛。随着应用和机理研究的深入,传统湿地在运行过程中也涌现出各种问题。本文总结了近几年来人工湿地污水处理所出现的堵塞、脱氮效率低、污染负荷小、受温度影响大等问题,综述了国内外学者针对这些问题采取的内部系统强化、工艺改进以及与其他工艺类型组合等措施,并对今后人工湿地技术的发展方向进行探讨。     

Clogging in subsurface-flow treatment wetlands: Occurrence and contributing factors

Clogging is a major operational and maintenance issue associated with the use of subsurface flow wetlands for wastewater treatment, and can ultimately limit the lifetime of the system. This review considers over two decades of accumulated knowledge regarding clogging in both vertical and horizontal subsurface flow treatment wetlands. The various physical, chemical and biological factors responsible for clogging are identified and discussed. The occurrence of clogging is placed into the context of various design and operational parameters such as wastewater characteristics, upstream treatment processes, intermittent or continuous operation, influent distribution, and media type. This information is then used to describe how clogging develops within, and subsequently impacts, common variants of subsurface flow treatment wetland typically used in the U.S., U.K., France and Germany. Comparison of these systems emphasized that both hydraulic loading rate and solids loading rate need to be considered when designing systems to operate robustly, i.e. hydraulic overloading makes horizontal-flow tertiary treatment systems in the U.K. more susceptible to clogging problems than vertical-flow primary treatment systems in France. Future research should focus on elucidating the underlying mechanisms of clogging as they relate to the design, operation, and maintenance of subsurface flow treatment wetlands.     

三种挺水植物对CW-MFC耦合系统脱氮及产电性能的影响

为探究不同植物类型对人工湿地微生物燃料电池系统(CW-MFC)耦合系统脱氮和产电性能的影响及机制,分别以芦苇(reed)、千屈菜(Lythrum salicaria)和美人蕉(Canna indica)构建3组CW-MFC小试系统,依次标记为CM-R、CM-L及CM-C。结果显示:(1) CW-MFC耦合系统的输出电压和功率密度呈现CM-L>CMC>CM-R;(2) CM-R耦合系统的NH₄⁺-N和TN去除率[(76.8±9.9)%;(54.2±8.2)%]显著高于CM-L[(61.2±8.0)%;(43.1±6.5)%]高于CM-C[(58.9±9.5)%;(42.0±9.8)%], P<0.01;(3)植物生长速率整体表现为CM-R>CM-C>CM-L,并且千屈菜(CM-L)的叶片中MDA含量最高,代表其受损害程度可能较高;(4)地杆菌属(Geobacter)作为典型的产电菌属,在3个耦合系统中均具有较高丰度(4.45%—7.64%),并且其相对丰度大小与输出电压和功率密度大小变化趋势一致,此外, CM-R中...     

大型人工湿地生态可持续性评价

大型人工湿地现已广泛应用于湖滨带、河滨带水质净化及湿地生态修复,这些人工湿地的生态可持续性评价对于其科学管理调控及长期可持续运行具有重要意义。运用综合指标评价及层次分析法,根据人工湿地生态系统的特点,提出并建立了适合评价人工湿地可持续性运行的指标体系,建立的评价指标包括生态特征与功能、水质净化功能及经济社会功能三项一级指标,及对应的14个二级指标。运用建立的评价指标体系对南四湖湖滨带新薛河大型人工湿地示范工程的生态可持续性运行了评价,评价结果显示:植物多样性、氨氮去除能力、生物入侵抵抗力、野生动物栖息地、COD去除能力是影响大型人工湿地运行效果的主要制约因素;新薛河人工湿地生态可持续性综合指数为0.6862,处于"良"级,其中生态特征功能可持续性指数最高,为0.7732;水质净化功能和社会经济功能指数分别为0.6190,0.6492。由结果可知,南四湖新薛河大型人工湿地具有重要的生态修复功能,水质净化功能方面应加强植物定期收割及植被管理,同时经济社会功能还有待加强,植物经济效益及旅游娱乐效益还有待深入开发。建立的人工湿地可持续性运行的评价指标体系具有较强的针对性,可用于其他大型人工湿地的生态可持续性评价。