摘要
湿地植物资源化的利用和养殖场废水深度净化逐渐成为人们关注的焦点。本研究将湿地植物制备成生物炭并耦合复合垂直流人工湿地系统对畜禽养殖废水进行处理，旨在为提高畜禽养殖废水深度处理提供技术支撑。本研究选用了秋季湿地植物再力花茎秆进行生物炭的制备，开展了再力花生物炭形貌结构表征和吸附性能研究试验，构建了再力花生物炭IVCW湿地系统，开展生物炭强化复合垂直流湿地系统对典型畜禽养殖废水净化及机理研究，主要结论归纳如下： （1）本研究选取水生植物再力花作为碳源，制备了三种不同温度（300℃、500℃和700℃）的再力花生物炭（ZLH300、ZLH500和ZLH700），并分析了生物炭的理化指标（元素组成、pH值、CEC值和表面电位和热重过程）、形貌结构（SEM、XRD）、比表面积和孔容孔径（BET）和表面官能团（FTIR）。500℃和700℃温度下制备生物炭以层状微孔结构为主，且随着炭化温度的升高生物炭的比表面增大，微孔增多，孔容增大，孔径变小，再力花生物炭表面带有较为丰富的-OH、C=C、-CH2-、C-C和C-O极性官能团和非极性官能团。 （2）本研究探索了生物炭对几种典型污染物（氮污染物、磷污染物和腐殖酸（HA），罗丹明B（RhB），四环素（TC），他莫昔芬（TMX））的吸附效果，并分析了其吸附动力学过程和等温吸附过程，分析了生物炭对有机物和氮、磷的吸附饱和时间和理论吸附量。考察了生物炭直接应用于养殖原水吸附处理的效果。生物炭对NH4+-N、NO3--N和PO43--P的理论吸附量分别为5.82mg/g、3.81mg/g和1.33mg/g。生物炭对有机物HA、RhB、TC和TMX的理论吸附量分别为114.8mg/g、84.45mg/g、55.67mg/g和115.0mg/g。生物炭静态吸附对养殖原水有一定的预处理效果。 （3）本研究利用制备的再力花生物炭构建了复合垂直流人工湿地系统，强化湿地系统对典型畜禽养殖（养猪场）废水中几种典型污染物去除效果。再力花生物炭基IVCWs湿地系统ZB（生物炭+沸石）和ZBT（生物炭+沸石+植物）对畜禽养殖废水中COD、TN、NH4+-N和TP去除率分别72.87%（ZB）-87.41%（ZBT）、95.20%（ZB）-98.36%（ZBT）、96.00%（ZB）-98.67%（ZBT）和74.68%（ZB）-91.02%（ZBT），其COD、TN、NH4+-N和TP在湿地出水中的平均浓度分别为50.01mg/L（ZB）-23.21mg/L（ZBT）、24.51mg/L（ZB）-8.36mg/L（ZBT）、18.64mg/L（ZB）-6.19mg/L（ZBT）和9.42mg/L（ZB）-3.34mg/L（ZBT）。再力花生物炭基IVCWs对畜禽养殖废水TN的去除效果与NH4+-N的去除效果相一致，这主要是因为畜禽养殖废水主要以NH4+-N为主。再力花生物炭层状空隙结构，比表面积大，离子交换能力强，促进了IVCWs湿地系统对NH4+-N和PO43--P的吸附和转化。 （4）IVCWs湿地系统基质中添加再力花生物炭，能够提高微生物的硝化速率，生物炭基IVCWs湿地系统（ZB和ZBT）脲酶和磷酸酶活性显著（p＜0.05）高于无生物炭湿地系统Z（沸石）。生物炭添加湿地系统（ZB和ZBT）与生无物炭添加湿地系统（Z和ZT）之间的微生物群落结构差异显著。再力花生物炭添加能够促进IVCWs湿地系统微生物的丰富度和物种的多样性，生物炭基IVCWs湿地系统（ZB和ZBT）微生物相对丰度均高于无生物炭湿地系统（Z和ZT）。单独添加生物炭的（ZB）湿地系统和同时添加生物炭及种植植物（ZBT）湿地系统其丰度均高于Z（沸石）湿地系统。而生物炭的投加能够增加IVCWs湿地系统的溶解氧(DO)，显著提升IVCWs湿地系统中拟杆菌（Bacteroidetes）和厚壁菌（Firmicutes）的丰富度。
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