生物炭强化含盐废水反硝化机制及其在人工湿地中的应用

作     者：罗阳 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈一

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：人工湿地 反硝化 含盐废水 生物炭 电子传递 

摘      要：水产养殖、海水冲厕、以及盐碱地区的农业排水等会产生大量含有硝酸盐和盐度的废水。这些废水中的过量硝酸盐会导致水体恶化,诱发生物体疾病,并最终危害人类健康。与物理反硝化和化学反硝化相比,生物反硝化因其成本低、处理效果好而被广泛应用于处理含NO3-–N的废水。盐度作为一种应激源,可对微生物造成盐胁迫。在盐胁迫下,细胞因质解、脱水和解体而丧失活性,许多酶活性受到抑制。盐胁迫还可以改变微生物种群的物理生化特性,从而影响反硝化性能。因此,如何强化含盐废水的生物反硝化在水处理领域具有重要意义。 本研究首先以香蒲热解制备成生物炭材料进行了反硝化脱氮的序批实验,探究香蒲生物炭对含盐废水生物反硝化的促进效果及强化机制。最后在此基础上以香蒲生物炭作为基质添加进人工湿地中,模拟处理典型的含有盐度及硝酸盐的海水循环养殖废水。探究生物炭基人工湿地长期实际运行效果及强化脱氮机制,为其工程应用提供理论依据与技术支撑。主要研究结论如下: （1）序批实验结果表明生物炭在三个盐度水平下（5g/L NaCl、15g/L NaCl、25g/L NaCl）均能显著提升反硝化性能。其中总氮去除率分别提高了173%、70%、71%,同时氧化亚氮积累分别减少了87%、85%、88%。此外,硝酸盐吸附实验发现生物炭对于硝酸盐无明显吸附作用,表明序批实验中硝酸盐的去除主要依靠强化微生物作用。 （2）机理研究表明,生物炭提高了关键糖酵解酶（HK、PFK、PK）、电子传递系统（ETS）和四种反硝化酶（NAR、NIR、NOR、NOS）的活性以及关键能源物质ATP的含量。促进了胞外聚合物的生成、减少了乳酸脱氢酶（LDH）的释放,保护了盐胁迫下细胞活性。高通量测序数据显示,添加生物炭后,微生物群落结构发生了变化,变形菌门（Proteobacteria）相对丰度增加。 （3）以生物炭为基质构建人工湿地处理模拟海水循环养殖废水。在25g/L NaCl盐度下硝酸盐氮平均去除率提升了18.62%,总氮的平均去除率提升了18.87%,同时N2O释放通量降低了87.91%并且几乎没有亚硝酸盐氮积累。 （4）生物炭作为基质的人工湿地在长期高盐度实验条件下为微生物提供了更加适宜的生存环境,分泌了更多胞外聚合物应对盐度胁迫,降低了LDH水平提高了细胞活性。同时反硝化酶活性、电子转移系统活性以及ATP水平得到提高。 （5）生物炭改变了人工湿地中微生物群落结构,增加了系统内部微生物的多样性与丰富度。与脱氮相关的Proteobacteria（变形菌门）以及与能提抗极端环境的Firmicutes（厚壁菌门）等的相对丰度增加。属水平上与脱氮相关的Denitromonas（反硝化单胞菌）等微生物的相对丰度增加。同时生物炭的添加提高了植物叶绿素水平与根系活度,提升了植物抗逆性水平,减少了细胞损伤。