水动力对垂直流人工湿地生物堵塞的影响机制研究

人工湿地系统作为一种简便高效的污水生态处理技术，堵塞尤其是生物堵塞问题已成为制约其推广应用的重要因素之一。堵塞与湿地系统内悬浮颗粒的累积、运移有着密切关系，其中水动力是对其影响最显著的因素。探讨了人工湿地堵塞现象，深入了解了堵塞过程中基质内部的物理、化学、生物特性变化是构建运行人工湿地的关键。本项目在实验室尺度范围内，构建垂直流人工湿地单元模型，探究了不同水动力条件下湿地堵塞过程行为变化，以及这种变化对基质内部微生物群落结构的影响，最后建立了耦合水动力的垂直流人工湿地生物堵塞模型，量化堵塞过程。主要研究结果如下： （1）相同水力负荷不同运行时期堵塞速度不同，具体表现为运行前期＜运行中期＜运行后期；不同水力负荷条件堵塞速率也有所不同，水力负荷越大，堵塞速率越快。通过示踪实验对整个堵塞进行监测，发现运行后期拖尾及波动现象较严重，水力停留时间延长，延长率在5%-20%左右，但反应单元数小于堵塞前期，水力效率也有所减弱。水力负荷为0.5m3/m2·d的水力效率高于1.0m3/m2·d。通过COMSOL对示踪过程的数值模拟，对比分析示踪试验的现象和过程，发现吻合程度较好。 （2）通过高通量测序手段分析堵塞过程基质内部微生物群落结构，发现不同堵塞程度的基质内部均存在丰富的微生物群落，并存在共有的微生物群落。主要表现为在门水平的分类中占主导地位的菌群均为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门（丰度80%以上）；在垂向方向上，沿不同深度位置处湿地系统内部均存在一定数量的优势菌群。上下层多样性指数有差异，上层保持在6.9~7.5之间，下层保持在5~7.5之间。 （3）建立了耦合水动力的生物堵塞模型，动态描述了整个生物堵塞的过程，定量预测了不同时间内累积在空隙中的生物膜量，为生物堵塞的预测提供了依据。通过对实测值和计算值的对比分析，发现实测值和计算值有较好的吻合，说明建立的模型是合理的。 2100433B

堵塞是人工湿地改善水环境技术应用的主要瓶颈，生物堵塞又是湿地堵塞的关键性问题。生物堵塞与湿地系统内生物膜的形成、运移有着密切关系，其中水动力是对其影响最显著的因素之一。本项目将以人工湿地生物堵塞造成的基质有效孔隙率减小为切入点，针对湿地生物堵塞的动态特征，采用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的手段，分析不同水动力条件下有机营养物进入湿地系统后形成的生物膜在孔隙中生长、衰败、附着、脱落、运移和累积并最终导致堵塞的过程，揭示生物堵塞发生过程中湿地系统中水动力变化-生物膜变化-堵塞程度变化的互相响应关系，量化生物堵塞过程，建立湿地生物堵塞模型。研究成果可为人工湿地水力参数优化提供理论依据，为人工湿地生物堵塞的预测与预警提供量化指标，因此对于完善人工湿地设计理论与管理具有重要的理论意义和应用价值。

①多数重金属进入生物体后，常与酶蛋白结合。破坏酶的活性，影响生物正常的生理活动，使神经系统、呼吸系统、消化系统和排泄系统等功能异常，导致慢性中毒甚至死亡；

②重金属可被水生生物摄取，在体内可形成毒性更大的重金属有机化合物，例如水中微量的贡经微生物摄取、转化而形成毒性更大的甲基汞 。2100433B

利用从污泥中分离出的氧化亚铁硫杆菌来探索外界条件（如二氧化碳和污泥水溶性有机物等）对生物淋滤法去除污泥重金属的影响；阐明污泥淋滤过程中黄铁钒沉淀和无定形羟基硫酸铁沉淀生成条件、规律及其对生物淋滤的影响机制；弄清在不同底特作用下微生物分泌的胞外多聚物数量性质及其在污泥生物淋滤中的作用机制，为高效快捷去除污泥中重金属提供技术支撑。 2100433B