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滨海湿地互花米草物理防治的潜在生态影响及治理废弃物再利用研究

滨海湿地互花米草物理防治的潜在生态影响及治理废弃物再利用研究

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作者：王康青岛大学

学位级别：硕士

互花米草(Spartina alterniflora)是一种多年生盐沼草,最早种植于北美洲东海岸及墨西哥湾盐沼地区。自20世纪70年代引入中国沿海滩涂以来,因其极强的入侵能力对本土物种丰富度和滨海湿地生态系统产生严重威胁,并导致滨海湿地的退化。近... 详细信息

互花米草(Spartina alterniflora)是一种多年生盐沼草,最早种植于北美洲东海岸及墨西哥湾盐沼地区。自20世纪70年代引入中国沿海滩涂以来,因其极强的入侵能力对本土物种丰富度和滨海湿地生态系统产生严重威胁,并导致滨海湿地的退化。近年来,国内沿海地区相继开展了互花米草的防治工作。作为环境友好型互花米草治理措施,物理防治法(包括刈割(M)、“刈割+淹水”(MF)和“刈割+翻耕”(MP)等处理)对互花米草有较好的治理效果,在滨海湿地互花米草的治理中得到广泛应用。物理防治过程中不可避免的会对滨海湿地环境产生扰动,这可能对滨海湿地水-土壤界面生源要素迁移和转化以及土壤细菌群落结构产生影响,然而当前对此仍缺乏系统深入的研究。作为一种优质的生物质资源,互花米草具有较高的光合作用效率和生长速率,较高的种群密度及生产力,群落生物量大。互花米草的资源化利用如制备功能化生物质炭修复退化滨海湿地,可降低其防治成本,有助于推动互花米草防控与管理的可持续进行,并维持滨海湿地生物多样性和恢复滨海湿地生态功能。本研究通过构建潮汐循环模拟装置,研究了不同互花米草物理防治处理(M、MF和MP处理)对滨海湿地土壤生源要素在水-土壤界面的迁移转化机制,并从微生物学角度揭示滨海湿地治理对于土壤细菌群落的影响;同时利用治理废弃物制备互花米草基磷镁改性生物质炭(BC)对滨海湿地土壤进行改良,考察改性BC添加对滨海湿地土壤改良及本土植物碱蓬(Suaeda salsa)群落修复的影响,并揭示其作用机制。具体研究结论如下:(1)相较于M处理,MF和MP处理在实验期间完全清除了互花米草且无再生,然而互花米草治理过程中的淹水、翻耕和互花米草死亡会改变土壤微环境,引起土壤中有机质(SOM)、溶解性有机碳(DOC)、氨氮(NH-N)、总氮(TN)、总磷(TP)及盐度的变化。土壤微环境的改变增加了滨海湿地土壤内源养分的释放,其中MF处理导致了NH-N和TP的释放量分别上升了37.3%和10.1%,DOC的平均浓度上升了52.5%;MP处理导致了NH-N、硝态氮(NO-N)和亚硝态氮(NO-N)的释放量分别上升了13.7%、19.6%和66.7%,DOC的平均浓度上升了36.8%。水质结果和溶解性有机物(DOM)的PARAFAC分析证实,内源养分的释放及其成分可能会增加近海水体富营养化的风险。(2)三种互花米草物理防治处理改变了土壤微环境,进而对细菌群落的结构和组成产生了影响。Mantel检验分析和结构方程模型分析表明,MF和MP处理引起的生源要素变化及其直接影响显著改变了土壤中的细菌群落结构。其中,MF处理组中持续的淹水和较高的盐度通过营造空间异质性较差的土壤微环境对细菌群落结构产生负面影响,而MP处理组中互花米草的分解和翻耕处理通过充足的养分供应和适宜环境显著增加了细菌群落的丰富度和多样性。细菌群落共现网络的结果表明,相较于MF处理组,MP处理组土壤中的细菌活动和相互作用更加活跃和密集。(3)利用互花米草废弃秸秆成功制备了磷镁改性BC材料(PA-Mg-BC和DAP-Mg-BC),并证明了其是具有潜力的滨海湿地土壤改良剂。XPS、FTIR和XRD结果表明磷镁改性BC可能形成了稳定且具有低溶解度的Mg-P络合物(MgPO)。磷的缓释动力学拟合结果进一步证明了改性BC延缓了磷的快速释放,且Mg O的添加提高了改性BC释磷期间对于竞争性阴离子SO和CO的耐受能力。此外,与未改性BC相比,两种改性BC材料的产率更高,且其C/N和C/H原子比均大于未改性BC,说明添加磷源和Mg O前处理可提高改性BC材料的极性并降低芳香性。(4)盆栽实验表明,合理施用PA-Mg-BC和DAP-Mg-BC明显改善了滨海湿地土壤质量,土壤中有机碳(SOC)、DOC、TN、TP和速效磷(AP)的含量和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)活性显著提高(p<0.05),DOM组分明显增多,而土壤p H和盐度不同程度降低。此外,改性BC材料添加处理在一定程度上改善了土壤微环境,为细菌生长提供有利条件,增加了细菌群落的多样性。RDA分析表明,改性BC材料添加土壤中SOC、TN、AK、DOC、TP、AP和β-glucosidase与盐度之间存在负相关关系,证实了本实验制备的PA-Mg-BC和DAP-Mg-BC缓解了环境胁迫,对土壤细菌有益。土壤中的Bacillus、Thalassobacillus、Marinobacter和Salinimicrobium在抵御外界环境胁迫、影响碳/氮循环过程中发挥着重要的作用,而添加改性BC材料后,土壤中上述细菌产生了一定的增长,说明土壤细菌群落组成发生了良性的变化。在提高土壤质量、改善土壤环境的同时,改性BC材料还有助于增强碱蓬对养分的吸收,从而促进其生长,在未来的植被

关键词：滨海湿地互花米草物理治理生物质炭细菌群落

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FeCu@BC强化人工湿地去除污水厂尾水中消毒副产物的性能及机理研究

FeCu@BC强化人工湿地去除污水厂尾水中消毒副产物的性能及机理研究

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作者：王文鹏青岛大学

学位级别：硕士

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基于分子动力学的页岩油渗吸机理研究

基于分子动力学的页岩油渗吸机理研究

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作者：姚昕雨中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

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基于电阻抗稀疏成像的平板膜污染检测方法研究

基于电阻抗稀疏成像的平板膜污染检测方法研究

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作者：郭子楠天津工业大学

学位级别：硕士

随着水污染的加剧和水质标准的提高,膜分离技术因效率高、能耗低、工艺简单和投资小等优点成为确保饮用水安全的重要技术之一。但是膜分离技术的进一步大规模应用受到膜污染的限制,膜污染的积累降低膜的渗透性,影响过滤性能,增加系统的... 详细信息

随着水污染的加剧和水质标准的提高,膜分离技术因效率高、能耗低、工艺简单和投资小等优点成为确保饮用水安全的重要技术之一。但是膜分离技术的进一步大规模应用受到膜污染的限制,膜污染的积累降低膜的渗透性,影响过滤性能,增加系统的运行成本。所以有必要研究和监测膜过滤过程,及时反馈膜污染状态。现有的膜污染监测方法存在成本高、设备尺寸限制、有辐射危害等问题。电阻抗层析成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）作为一种新型的无创成像技术,可以在线反映被测区域电导率分布的变化,具有无辐射、响应速度快、成本低和成像直观等优点。因此,本文提出了一种基于EIT的平板膜污染监测方法。使用平面式电学传感器采集膜表面的边界电学参数信息,利用FC-UNet组稀疏算法对膜污染进行电导率图像重建,实现膜过滤过程中膜污染的在线原位可视化监测。本文的主要研究内容如下:（1）本文针对平板膜的形态特性和膜过滤原理,设计了一种平面式EIT传感器。将电极阵列以平面方式排布于膜过滤装置上方,实时监测膜污染分布。利用COMSOL软件建立平板膜EIT传感器仿真模型,优化传感器电极数量和尺寸。（2）根据超滤膜污染的稀疏分布特性,研究一种基于深度学习框架的组稀疏膜污染图像重建算法。将污染物的局部稀疏性和非局部相似性结合,以组结构为基本表示单元,建立基于7)范数的组稀疏模型。利用FC-UNet网络进行膜污染稀疏先验分类,进而求解组稀疏数学模型,获得膜污染的电导率分布。（3）基于EIT成像开展膜污染连续监测实验,深入挖掘膜污染发展机理。开展湖水絮凝过滤的膜污染监测实验,将膜污染电阻抗稀疏重建图像与污染物真实分布比较,验证基于EIT膜污染监测的准确性。在实验室条件下制备不同浓度、不同种类的污染溶液,开展膜过滤过程监测实验,根据重建图像和局部电导率分布,分析不同超滤过程污垢累积以及滤饼层发展规律,探究超滤平板膜对不同污染物的过滤特性。

关键词：电阻抗成像平板超滤膜传感器阵列组稀疏在线监测

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