论文部分内容阅读
我国人均水资源贫乏,水环境污染严重。我国的工业废水和城市生活污水综合治理成就巨大,进一步减排空间较小。农业面源废污水（包括农村生活污水）是最大的分散式污水源,其综合治理尚处于研究示范阶段,已经成为我国地表水的重要污染源。全国地表水主要污染指标的频数表明,营养物（含氮、磷的无机盐）已经成为地表水的主要污染物,深度富集分散式污水中的营养物对改善地表水质具有重大意义。相比城市生活污水及其处理工艺,分散式污水的BOD/COD值偏大、生物毒性较低,收集系统简陋、开放程度大、主干流程短,其处理工艺需要强化预处理、有机物去除、营养物去除和资源化利用等方面。分散式污水经生物-生态工艺处理,出水通常可以达到GB18918-2002一级A标准,其中营养物浓度偏低,不宜采用物理和化学方法深度富集。分散式污水的毒性通常较低,适合采用种植型湿地深度富集和资源化处理。本文采用丝状藻类表流湿地（SFCW-FA）富集分散式污水中的营养物。SFCW-FA中的丝状藻类具有生物量大、富集快速高效、藻水分离便利等特点。丝状藻类可在太阳辐照驱动下有效地富集分散式污水中的营养物,并为其中附生的动物性饲料微生物（AFM）提供良好的栖息环境和营养条件。首先通过文献研究,筛选出适宜在太湖流域生存的丝状藻类;从野外采集藻种构建了混合丝状藻类表流湿地（SFCW-MFA）,研究了藻丝体分离（AFI）、营养细胞分离（VCI）和顶端分生细胞分离（ACI）三种分离纯化丝状藻种的方法;从SFCW-MFA中分离、筛选、鉴定出适合太湖流域生态环境的丝状藻种。然后试验了藻丝体片段育种（FI-FA）、孢子育种（SI-FA）、自生发育种（AG-FA）和孢子固定化育种（ISI-FA）四种SFCW-FA育种方法;研究了丝状藻类在SFCW-FA中建立优势种群的多维度生态位机制。之后构建了刚毛藻表流湿地（SFCW-CLA）、根枝藻表流湿地（SFCW-RHI）、鞘藻表流湿地（SFCW-OED）、水绵表流湿地（SFCW-SPI）、黄丝藻表流湿地（SFCW-TRI）和刚毛藻自生发表流湿地（SFCW-ACLA）,对小型园区生活污水经生物―生态工艺处理后的出水进行了营养物富集试验;采用多项式拟合、多元线性回归和逐步回归方法建立SFCW-FA富集动力学模型。最后选用野生鲫鱼做SFCW-ACLA生态系统的顶级牧食动物,进行基于“下行”效应的生物操纵试验。基于上述内容的研究结果如下:依据藻类形态、富集效率、适生环境、生态危害性等要素,从藻类的11个门中筛选出80个丝状藻种,分属2门3纲8目10科21属。从SFCW-MFA中分离出12个丝状藻种,分属2门3纲5目5科8属（丝藻属、鞘藻属、刚毛藻属、根枝藻属、黑孢藻属、基枝藻属、水绵属和黄丝藻属）。AFI、VCI和ACI方法分离的藻丝体纯度（FAP）依次升高,主要受藻丝体宽度(相关系数分别为R0.007=-0.852、R0.008=-0.849和R0.047=-0.713)和接种体长度的影响;三种分离方法的藻种产量（LMY）均受接种体长度的影响,VCI和ACI的LMY均与藻丝体宽度显著正相关(R0.019=0.792和R0.001=0.920)。藻丝体稳定性、营养增殖速度、营养物消耗速率(NCR,mg g-1 d-1)以及适生温度测试表明,丝藻属稳定性最低,根枝藻属有最宽的适生温度范围和最强的稳定性。藻丝体的营养增殖速度与NCR（TN、TP、TIC）的相关性分别为R0.017=0.803、R0.099=0.624和R0.019=0.792,黑孢藻属营养增殖速度(53.6±24.9μm.h-1)最快,对TN、TP和TIC均有最高的NCR,分别为10.46、0.57和19.66。综合藻种筛选试验和SFCW-MFA的生长条件,制定了丝状藻种在SFCW-FA中的全年演替表,选用鞘藻、刚毛藻、基枝藻、黑孢藻、根枝藻、水绵和黄丝藻做SFCW-FA藻种。选用丝状藻种均在育种期间建立了优势种群,SFCW-CLA中刚毛藻的相对优势频数（RDF）最高达到94.4%±4.0%,SFCW-RHI中根枝藻的RDF最低为73.5±6.8%。研究表明,丝状藻类通过其在光照、温度、营养条件、生物因素或生长方式等维度所具有的生态位优势而在SFCW-FA中建立优势种群。SFCW-ACLA调试结果表明,营养因子不是刚毛藻生长速度的限制性因子,刚毛藻团的表面覆盖率（SC）代表了光辐照和可用营养物,适合做SFCW-ACLA的操控因子。因此,提出通过控制SC以刺激丝状藻类的生长速度回到线性区末端,实现维持SFCW-FA的稳定长效富集（NCR>0）和回收丝状藻类及其中AFM的设想,并由SFCW-CLA、SFCW-OED、SFCW-RHI和SFCW-SPI的富集试验证实（SC=95%98%）。采用多元线性回归建立SFCW-CLA、SFCW-OED、SFCW-RHI的富集动力学模型,SFCW-RHI的判定系数最小（0.914）,回归模型均具有显著性(F>F0.05（4,8）=3.838)。采用逐步回归建立SFCW-TRI和SFCW-SPI的富集动力学模型,SFCW-TRI富集动力学模型判定系数（0.968）最大,F=41.6474>F0.05（10,2）=19.396,回归显著。SFCW-SPI富集动力学模型的判定系数（0.695）最低,F=4.556>F0.05（6,6）=4.284,可接受模型。饲喂试验表明,鲫鱼对丝状藻类有偏好,表现在其采食速率和增重速率的差异上(pt-test)。对刚毛藻、根枝藻、水绵和混合藻（鞘藻和根枝藻）采食的差异水平分别为0.008、0.010、0.014和0.004,增重差异水平分别为0.013、0.009、0.010和0.007。采食压力大小对鲫鱼采食速率影响显著（P<0.031）;中等采食压力与无压力下的增重速率差异不显著（P=0.092）,其余均显著（P<0.016）。鲫鱼的平均采食速率和平均增重速率均随采食压力的增大而提高。鲫鱼对不同藻类的消化有差异,其肠道近肛端残渣中观测到形态完整的孤枝根枝藻和黑孢藻厚壁孢子。较小强度（中等以下采食压力）的生物操纵对SFCW-ACLA出水水质没有明显影响,但孑孓的数量大大减少（≥78.4%）;过大（高采食压力）的生物操纵在短期内可以提高水质,长期会导致刚毛藻优势度下降至绝迹,优势藻种演替成单细胞藻类,以个体或群体形态的单细胞绿藻为主,藻水分离困难,出水TP明显超标。综上所述,SFCW-FA能有效地富集分散式污水中的营养物,控制其多维度生态位可以在SFCW中培育出优势丝状藻类,并可按特定的富集模型长效富集低浓度的营养物,实现藻丝体及其中AFM的简易回收（或基于“下行”效应的生物操纵,回收并转化藻丝体及其中的AFM）。