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生态修复技术因成本低、管理方便、环境友好等优点而被国内外广泛研究和应用。但是随着我国人口数量和密度不断增加使我国人均耕地面积锐减,从一定程度上限制了人工湿地、稳定塘等占地面积较大的生态修复技术的应用,而生态浮床因有限的生物量导致生物净化效果较差。本项目结合了人工湿地和生态浮床的优点,组建了湿地式稻草基质生态浮床,并应用该生态浮床系统进行脱氮特性研究和机理探讨。本论文的创新点主要有三个:(1)将稻草作为植物生长基质、生物反硝化碳源和微生物吸附界面,强化植物生长、改善生物反硝化碳源和微生物数量,强化了水体的脱氮过程;(2)自然选择条件下,利用微生物将稻草中的纤维素物质水解为有机物,强化脱氮过程;(3)利用微生物种群分析、红外光谱分析、液相色谱分析等表征手段研究了稻草分解的微观机理。主要从以下几个方面进行了详细研究。首先,对稻草秸秆作为生物反硝化碳源的可行性和效果进行了研究,研究内容包括:(1)稻草、海藻酸钠包埋稻末球和海藻酸钠包埋稻草等3种碳源形式下碳源释放效果(以CODcr计),并确定稻草为最优碳源释放形式;(2)接种纤维素菌与否、溶解氧、温度和p H值等环境因子对稻草内碳源释放速率影响,其中接种纤维素菌与否和温度对碳源释放速率影响较大,而溶解氧、p H值对碳源释放速率影响不大。研究结果显示,稻草作为生物反硝化碳源是可行的。其次,利用摇瓶实验研究了稻草进行生物反硝化效果以及时间、水温、补充液体碳源等条件对生物反硝化的影响;探讨了稻草填充床脱氮效果和特性,稻草填充床脱氮率达到了90%以上;掌握了批式和连续流条件下,以传统生态浮床为对比组,稻草基质生态浮床和空心球基质生态浮床脱氮特性,特性如下:(1)水体交换时间为2天,稻草基质生态浮床对TN,NH4+-N,NO3--N的平均去除率分别为76.94%,93.50%,93.18%,而且发现,稻草基质生态浮床系统中的大型水生植物生长速率、同化吸收效果、干物质含量和重要植物生物酶(抗胁迫作用酶和叶绿素)相比于空心球基质生态浮床具有明显优势,最差的为无基质传统生态浮床。(2)连续流条件下(水力停留时间为24h),TN,NH4+-N,NO3--N平均去除率分别为72.21%,88.88%和80.41%。表征了稻草表面微生物SEMs、稻草浸出液成分分析、稻草表面微观结构变化和稻草基质表面微生物种群表征,证实了稻草释放碳源强化生物脱氮的微观层面机理。其机理是:稻草表面亲水性基团(—OH,—COOH,—NH2)在相关微生物(Delftia acidovorans SPH-1,Chitinophaga pinensis DSM 2588)水解作用下,释放出各种易利用的有机物,并在其表面形成不规则的断裂结构。最后,构建了稻草基质中COD释放效果、不同基质生态浮床脱氮特性和水生植物生长情况等动力学模型。结果表明:稻草基质中COD释放动力学符合一次线性方程(y=kx+b)。而对于不同基质生态浮床TN,NH4+-N,NO3—N演变特性均符合分数动力学(a<1),R2介于0.956和0.999之间;稻草基质生态浮床的TN,NH4+-N,NO3--N去除速率常数(k*)和水生植物生长动力学常数(k*)也明显高于空心球基质生态浮床和无基质传统生态浮床。不同基质生态浮床TN,NH4+-N,NO3--N去除动力学方程为:(?)此外,研究了低温条件下(4.3-9.2℃),稻草基质生态浮床脱氮特性。研究结果显示:稻草基质生态浮床能使TN从1.32-2.97 mg/L下降到0.05-0.66 mg/L,而陶粒基质生态浮床仅能使TN从1.32-2.97 mg/L下降到0.05-1.32 mg/L,出水NH4+-N和NO3--N没有明显差异,但是陶粒基质生态浮床出水NO2--N积累浓度明显高于稻草基质生态浮床。通过研究表明,稻草作为生态浮床基质显示出较为明显的优势,具备了强化生物脱氮的潜力(成功掌握了常温和低温效果)。但是也存在以下问题值得后续研究:(1)稻草中的水溶性物质在使用过程不断释放而容易引起二次污染;(2)掌握稻草中碳源释放途径和精确的调控方法,对稻草应用于生态浮床系统意义较大;(3)如何实现稻草基质生态浮床系统脱氮效果的稳定性和持久性仍然值得深入研究。