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沉水植物-SMFC系统对内源氮磷的控制研究; Internal Nitrogen and Phosphorus Control Based on Submerged Macrophyte-SMFC System
Xu P(许鹏)
Subtype博士
Thesis Advisor吴振斌
2017-04
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Abstract内源氮磷的释放是水生生态系统中上覆水污染的主要污染源。为了抑制内源氮磷释放,需要削减内源氮,同时增强沉积物对磷的吸附能力。本研究尝试在沉积物-水微环境中构建沉水植物苦草与沉积物微生物燃料电池的耦合系统去除内源氮,同时削减上覆水及沉积物间隙水中的磷。用12个玻璃缸为实验主体设计了四种处理,每组三个平行:SMFC开路系统(SMFC-o)、SMFC闭路系统(SMFC-c)、植物耦合SMFC的开路系统(P-SMFC-o)和植物耦合SMFC的闭路系统(P-SMFC-c)。通过研究各种处理的生物电化学特征,上覆水、间隙水、沉积物及植物组织中不同形态的氮磷含量的变化来解释氮磷的迁移转化途径。主要结果与结论如下:(1)在系统运行的194天内,SMFC及P-SMFC系统产电均呈现了显著的抛物状变化趋势。苦草显著降低了SMFC的产电,并增加了其内阻。外阻为100Ω时,SMFC-c和P-SMFC-c获得的最大输出电压在该时间段内分别达到287mV及193mV,平均输出电压分别为200mV和125mV;SMFC-c和P-SMFC-c的内阻分别为167Ω和193Ω,最大输出功率密度分别为4.42mW/m2(200Ω)及3.16mW/m2(200Ω)。苦草及SMFC均增加了沉积物氧化还原电位(Eh),相比对照,SMFC的引入使得沉积物Eh增加了474mV,植物与SMFC的耦合系统(P-SMFC-c)获得了最高的沉积物Eh,相比对照组,平均值增加了550mV。耦合系统中的沉积物被最大程度氧化。(2)产电和沉水植物均存进了沉积物有机氮(ON)的矿化。在SMFC系统中,产电高峰期引起的上覆水理化性质的改变促进了内源氨氮(NH4+)向上覆水的释放,引起了上覆水NH4+和硝酸盐(NO3-)的显著积累。因产电引起的沉积物Eh的增加抑制了沉积物-水界面反硝化同时增强了间隙水中的硝化,这些过程也会引起上覆水NO3-的积累。当植物引入到SMFC闭路系统中后,上覆水氮的积累得到显著抑制。产电促进了植物对内源NH4+的吸收,并增强了植物根系泌氧对间隙水硝化的影响。耦合系统中,间隙水硝化和沉积物反硝化强于单一的植物处理和SMFC处理。这些过程导致了内源氮最大程度的削减,并保持了上覆水低水平的氮含量。通过沉水植物苦草与SMFC的耦合来削减内源氮是可行的。(3)SMFC通过提高沉积物Eh和上覆水pH值促进了沉积物中铁锰化合物结合态磷(BD-P)及酸溶解态磷(HCl-P)的形成,促进了所有运行阶段上覆水和间隙水中的磷酸盐(PO43-)向沉积物中迁移。这些过程尤其在产电高峰期沉积物被完全氧化后更为显著。SMFC促进向沉积物迁移的PO43-的量随着上覆水初始PO43-浓度的增加而增加。SMFC促进了沉积物中层(5-10cm)和下层(10-15cm)间隙水PO43-的去除。苦草在植入沉积物初期通过直接吸收显著去除了上覆水的PO43-。在植物的快速生长期,则通过提高沉积物Eh和上覆水pH值有效去除PO43-。植物的生长期促进了沉积物BD-P和HCl-P的积累,植物的衰退期则出现了显著的OP积累和HCl-P的释放。苦草对上层和中层间隙水中的PO43-有显著的去除。耦合系统取得了最大的沉积物HCl-P和BD-P含量,其可能原因是耦合系统最大程度提高了沉积物Eh,同时维持了上覆水的碱性环境。耦合系统取得了最大的水体PO43-去除。单一的植物处理(P-SMFC-o)后期出现的沉积物OP的积累及HCl-P的释放在产电下得到显著抑制。沉水植物苦草与SMFC的耦合能够有效控制水体磷。(4)闭路下阳极电极表面产电微生物显著富集。SMFC-c处理组中显著富集的产电菌有Bacillus, Enterococcus, Geobacter, Pseudomonas;P-SMFC-c处理组中富集显著的产电微生物包括Clostridium, Geobacter, Pseudomonas, Tolumonas, Bacteroides等。相比于开路,闭路下Bacillus及Pseudomonas等反硝化细菌的富集,Nitrospira硝化细菌丰度的减少,一定程度上解释了产电促进了沉积物的反硝化过程。与SMFC-c相比,P-SMFC-c系统中植物促进了Geobacter和Bacteroides等产电菌富集,说明植物可为沉积物提供反硝化碳源,促进了沉积物反硝化。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/31123
Collection水环境工程研究中心_学位论文
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GB/T 7714
许鹏. 沉水植物-SMFC系统对内源氮磷的控制研究, Internal Nitrogen and Phosphorus Control Based on Submerged Macrophyte-SMFC System[D]. 中国科学院水生生物研究所,2017.
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