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潛流一表流復(fù)合人工濕地處理超低TN含量廢水

  人工濕地是20世紀(jì)70年代興起的一種新型處理污水方式,它利用濕地中基質(zhì)、水生植物、微生物之間的相互作用,凈化生活及工業(yè)污水,具有較強(qiáng)的脫氮除磷能力和顯著的生態(tài)環(huán)境效益,能夠?qū)崿F(xiàn)廢水資源化處理。國內(nèi)外進(jìn)行了大量有關(guān)人工濕地基質(zhì)粒徑和植物對(duì)廢水去除效率的研究和應(yīng)用。人工濕地不僅可以進(jìn)行廢水處理,同時(shí)濕地中的植物和基質(zhì)會(huì)為微生物提供附著位點(diǎn),有利于微生物的生長。

  研究表明,不同的基質(zhì)粒徑和植物會(huì)影響微生物的群落。在人工濕地運(yùn)行中,種植植物的脫氮效果顯著優(yōu)于無植物對(duì)照組,加種植物后濕地脫氮效率提高了17%〜65%。LU等研究了種植不同植物與無植物對(duì)照組相比,微生物豐富度和生物多樣性增加,而且相關(guān)的反硝化菌屬(假單胞菌、不動(dòng)桿菌、根瘤菌和芽抱桿菌)豐度增加,增強(qiáng)了脫氮效果。DU等發(fā)現(xiàn)植物的種植增加了垂直流人工濕地功能微生物的豐度,并推測(cè)假單胞菌屬可能是微生物除磷吸附的主要菌屬。但是,大量的研究釆用的進(jìn)水TN的質(zhì)量濃度為25〜40mg/L的低含量污水;而進(jìn)水TN的質(zhì)量濃度在7.94-11.21mg/L的研究較少,且對(duì)于基質(zhì)和植物種植對(duì)微生物群落的影響以及與處理效果之間關(guān)系研究較少。

  為了系統(tǒng)地研究復(fù)合人工濕地對(duì)超低含量污水的凈化效果及其與微生物群落的關(guān)系,研究采用構(gòu)建4組潛流-表面流復(fù)合人工濕地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及高通量測(cè)序的方法,考察不同基質(zhì)粒徑與植物組合的復(fù)合人工濕地對(duì)超低含量污水的脫氮除磷性能以及潛流濕地微生物群落的變化,以及潛流濕地脫氮除磷性能與微生物群落的關(guān)系。

  一、實(shí)驗(yàn)部分

  1.1 復(fù)合人工濕地的構(gòu)建

  如圖1所示,復(fù)合人工濕地由潛流人工濕地和表面流人工濕地組成,潛流濕地反應(yīng)器尺寸為1.2mx0.4mx1.1m,表面流濕地尺寸為1.5mx0.4mx1.2m,濕地小試裝置均由PVC板材構(gòu)建而成。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器位于重慶大學(xué)校內(nèi),實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用生活污水稀釋過后的超低含量污水,通入人工濕地中進(jìn)行凈化。

  復(fù)合人工濕地共設(shè)置4組,分為A1、A2、B1、B2,基質(zhì)為礫石,厚度均為30cm。基質(zhì)上部均為30〜200mm的碎石表層,厚度15cm。下部為20〜40mm的碎石承托層,厚度30cm。潛流濕地與表流濕地的具體配置如表1所示

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  4組復(fù)合濕地的表面流濕地底部由厚度0.2m粒徑為30〜400mm的碎石承托層和0.3m的土壤組成。在4組表面流人工濕地中,均投加沉水植物、浮水植物,黒藻、金魚藻、苦草、大萍和粉綠狐尾藻。復(fù)合人工濕地植物的種植密度為50株/m%每組復(fù)合人工濕地實(shí)驗(yàn)進(jìn)水體積流量為120m3/d,整體水力負(fù)荷為0.12m7(m2•d),總HRT為3d。

  1.2 實(shí)驗(yàn)方法

  復(fù)合人工濕地于2018年4月初搭建完畢并開始運(yùn)行,進(jìn)水方式為連續(xù)進(jìn)水。實(shí)驗(yàn)選取5—11月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。進(jìn)水TN、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度平均分別為(8.59±0.79)、(8.18±0.82)、(0.58±0.10)mg/L。

  1.3 分析方法

  TN含量測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法測(cè)定,TP含量測(cè)定采用過硫酸鉀-鋁酸鍍分光光度法測(cè)定,NH3-N含量測(cè)定采用納氏試劑分光光度法測(cè)定,DO含量采用HACH(hqlld)儀器測(cè)定。

  使用通用細(xì)菌引物16SrRNA的5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'禾U5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'(V3-V4區(qū))對(duì)提取的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。將所有序列讀數(shù)聚類到操作分類單位(OTU)(相似性閾值為97%)。高通量測(cè)序服務(wù)由上海某生物平臺(tái)提供。

  1.4 統(tǒng)計(jì)方法

  用單因素方差分析(One-wayANOVA)進(jìn)行差異性分析,檢驗(yàn)數(shù)據(jù)間的差異性。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS23.0版軟件進(jìn)行,并在P<0.05水平時(shí)被認(rèn)為是顯著的。

  二、結(jié)果與討論

  2.1 污水的凈化效果

  復(fù)合人工濕地NH3-N,TN和TP去除率如表2所示。

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  由表2可知,NH3-N、TN、TP總?cè)コ首罡叩木鶠锳l組。潛流濕地的脫氮除磷主要發(fā)生在潛流濕地內(nèi)部,表面流濕地脫氮除磷較少,因此將4組潛流濕地的脫氮除磷差異作為主要分析對(duì)象。脫氮效果最好的為A1組,與其他組有顯著差異。

  2.2 潛流濕地的凈化效果

  2.2.1 NH3-N的去除

  圖2為潛流人工濕地中進(jìn)出水的NH3-N含量變化。

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  由圖2可知,進(jìn)水NH3-N的質(zhì)量濃度平均為&18mg/L,Al、A2、Bl、B2的潛流濕地出水NH3-N的質(zhì)量濃度平均分別為4.50、4.84、4.95、4.69mg/L,平均去除率分別為64.07%、53.48%、57.94%、46.64%。夏季去除效果要優(yōu)于秋季,表明基質(zhì)粒徑和植物對(duì)NH3-N的處理效果有影響,風(fēng)車草的處理效果優(yōu)于梭魚草,植物的直接吸收作用較小,但是植物根部會(huì)分泌碳源和氧氣,有利于微生物的生長,增加了微生物對(duì)NH3-N的去除作用,這可能與植物的種植改變了基質(zhì)微生物群落有關(guān)。

  梭魚草和風(fēng)車草在細(xì)粒徑基質(zhì)中的硝化作用要優(yōu)于粗粒徑基質(zhì)中,因此在脫氮處理效果中,硝化作用和反硝化作用起到主要作用。由于不同植物根部會(huì)攜帶不同的微生物,而且梭魚草和風(fēng)車草在5〜20mm礫石中能夠?yàn)槲⑸锾峁└嗟母街娣e,因此脫氮效果最好。

  4組潛流濕地的進(jìn)水DO的質(zhì)量濃度為4.45mg/L,出水DO的質(zhì)量濃度分別為4.84、3.78、4.65、3.51mg/L。由于細(xì)粒徑中的DO量要多于粗粒徑,有利于硝化作用的進(jìn)行。DO含量增加可以有效提升硝化反應(yīng)速率。細(xì)粒徑去除效果優(yōu)于粗粒徑,是因?yàn)榧?xì)粒徑不僅能提供更多的附著面積,還能有利于提高DO含量,所以增強(qiáng)NH3-N的去除效果。

  2.2.2 TN的去除

  圖3為潛流人工濕地中進(jìn)出水的TN含量變化。

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  由圖3可知,復(fù)合人工濕地的進(jìn)水TN的質(zhì)量濃度平均為8.59mg/L,Al、A2、Bl、B2的潛流濕地出水TN的質(zhì)量濃度平均分別為4.50、4.84、4.95、4.69mg/L,平均去除率分別為62.78%、50.79%、54.87%、44.31%。NH3-N和TN的去除效果較為相似,且NH3-N是進(jìn)水中氮的主要 >

  梭魚草和風(fēng)車草在細(xì)粒徑基質(zhì)中的硝化作用要優(yōu)于粗粒徑基質(zhì)中,因此在脫氮處理效果中,由于細(xì)粒徑基質(zhì)由更大的比表面積,有利于對(duì)NH3-N的吸附,且為微生物提供更多的附著面積,因此脫氮效果更好。

  2.2.3 TP的去除

  圖4為潛流人工濕地中進(jìn)出水的TP含量變化。

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  由圖4可知,復(fù)合人工濕地的進(jìn)水TP的質(zhì)量濃度平均分別為0.58mg/L,Al、A2、Bl、B2的平均去除率分別為41.89%、38.73%、33.81%、30.89%。夏季去除效果要優(yōu)于秋季?;|(zhì)吸附是磷去除的主要因素。濕地中的磷主要通過植物吸收、基質(zhì)吸附和微生物同化作用去除,而基質(zhì)對(duì)磷的物化吸附和化學(xué)沉降是最重要的去除機(jī)理,對(duì)以任何形式存在的磷均能有效去除。

  LU等指出,人工濕地基質(zhì)填料對(duì)磷的吸附、截留、交換等作用的比例大約為26%。。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基質(zhì)粒徑和植物對(duì)TP的去除均有影響。細(xì)粒徑組的去除率顯著優(yōu)于(p<0.05)粗粒徑組,粒徑5〜20mm的礫石比粒徑20〜40mm的礫石有著更大的比表面積,可以更好地吸附磷。

  人工濕地中除磷菌多為異養(yǎng)細(xì)菌(不動(dòng)桿菌和假單胞菌等)。DU發(fā)現(xiàn)上述不動(dòng)桿菌和假單胞菌可能是主要的在人工濕地中負(fù)責(zé)去除TP的屬叩。風(fēng)車草組除磷效果優(yōu)于梭魚草組,這可能是分泌物和碳源有利于不動(dòng)桿菌和假單胞菌生長,提高了除磷能力,因此除磷效果更好。

  2.3人工濕地微生物群落

  2.3.1微生物序列和多樣性

  采用夏季潛流濕地根系土壤進(jìn)行微生物測(cè)序,微生物多樣性和豐度如表3所示。

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  由表3可知,各組潛流濕地中根系微生物測(cè)序中序列覆蓋率大于0.98,說明了測(cè)序結(jié)果很好顯示了樣本的真實(shí)情況。A1組風(fēng)車草的3個(gè)豐富度指標(biāo)均最高,B2組梭魚草最低,說明A1組風(fēng)車草的種植有效改善了微生物豐富度。A1組風(fēng)車草的Shanoon指數(shù)最高,B2組梭魚草Shanoon指數(shù)最低,說明了風(fēng)車草的種植能有效的改善群落多樣性,這可能是植物根系泌氧和根系分泌碳源的原因,有利于微生物富集與生長。

  通過A1、A2與B1、B2比較,發(fā)現(xiàn)細(xì)粒徑植物根系微生物多樣性和豐富度都比粗粒徑組要高,這可能與水體DO含量較高以及細(xì)粒徑有更大的比表面積,有利于微生物的生長有關(guān)。

  2.3.2微生物組成差異

  潛流人工濕地各組微生物門水平組成如表4。

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  由表4可知,將微生物檢測(cè)頻率>1%的菌門做為主要菌門,共有8個(gè)。其中6大優(yōu)勢(shì)菌門依主次為變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)。A1組風(fēng)車草的變形菌門的相對(duì)豐度最低,原因是風(fēng)車草的種植改善了微生物多樣性。據(jù)相關(guān)研究,變形菌門和厚壁菌門有豐富的反硝化菌屬,對(duì)反硝化有重要的作用,硝化螺旋菌門有著豐富硝化功能菌屬問。A1組風(fēng)車草的厚壁菌門和硝化螺旋菌門相對(duì)豐度最高,這可能是A1組潛流濕地有較高的氮去除率的原因。風(fēng)車草和梭魚草的菌門豐度有較大差異,這可能是風(fēng)車草與梭魚草的根系分泌物不同,影響微生物的群落。通過結(jié)果比較,細(xì)粒徑基質(zhì)組變形菌門的豐度相對(duì)較低,這是細(xì)粒徑改善了微生物的多樣性?;|(zhì)的粒徑對(duì)微生物群落產(chǎn)生了影響,這可能是粒徑差異引起了DO含量變化,影響微生物群落的結(jié)構(gòu)。

  據(jù)有關(guān)研究,人工濕地中有著豐富的反硝化細(xì)菌。其中,主要作用的異養(yǎng)反硝化細(xì)菌包括不動(dòng)桿菌屬(.Acinetobacter)>假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽抱桿菌屬(Bacillus)、脫氯單胞菌屬(Dec/i/oromonas)和羅思河小桿菌屬(Rhodanobacter')等,主要的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌有硫桿菌屬(Thiobacillus)和熱單胞菌屬(Thermomonas)等“人工濕地中的主要氨氧化細(xì)菌包括氨基桿菌屬(4minobacterium')、亞硝化單胞菌屬〈Nitrosomonas')、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)和亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)等W硝化桿菌屬(.Nitrobacter')和硝化螺菌屬(Nitrospira)具有硝化功能問。LU等發(fā)現(xiàn)了不動(dòng)桿菌和假單胞菌具有高效聚磷作用,是主要的人工濕地去磷菌屬。

  表5為潛流濕地中豐度大于0.5%氮磷功能微生物菌屬。

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  由表5可知,主要的反硝化菌屬是不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽鞄桿菌屬等異養(yǎng)反硝化菌屬,主要的除磷菌屬是不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬。風(fēng)車草的假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬和芽抱桿菌屬豐度明顯高于梭魚草,說明了風(fēng)車草更有利于富集反硝化和除磷菌屬,這可能是風(fēng)車草分泌更多的碳源,加速了異養(yǎng)菌的生長所致。細(xì)粒徑組的不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬的豐度明顯高于粗粒徑組,這是因?yàn)榧?xì)粒徑組有更高的DO含量,為反硝化細(xì)菌和除磷菌提供了更適宜的生長環(huán)境。

  亞硝化單胞菌屬(氨氧化細(xì)菌)豐度遠(yuǎn)小于硝化螺菌屬(硝化細(xì)菌),但是各組人工濕地都對(duì)氨氮有較好的的去除效果,原因是硝化螺菌屬不僅具有硝化功能,還具有氨氧化功能,所以硝化螺菌屬是主要的氨氧化菌屬切。A1組風(fēng)車草的硝化螺菌屬(NH3-N去除率最高)豐度最高,表明硝化螺菌屬豐度與人工濕地氨氮去除率有關(guān)。人工濕地主要的反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)反硝化細(xì)菌(不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬),為總反硝化菌屬總豐度的70.8%~79.6%,所以這3個(gè)菌屬在TN去除過程中的主要菌屬。A1組風(fēng)車草的不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬(TN去除率最高)總豐度最高,表明不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬豐度增加有利于人工濕地TN去除,是人工濕地中主要的反硝化菌屬。

  人工濕地中主要的除磷菌屬是不動(dòng)桿菌和假單胞菌,A1組風(fēng)車草的不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬(TP去除率最高)總豐度最高,B2組梭魚草(TP去除率最低)總豐度最低,表明不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬豐度增加有利于人工濕地TP去除,是人工濕地中主要的除磷菌屬。

  三、結(jié)論

  4組人工濕地對(duì)NH3-N,TN和TP均有較好的處理效果,各組NH3-N、TN和TP的總?cè)コ史謩e為66.54%〜74.05%、61.55%〜73.61%、38.16%〜54.64%,脫氮除磷主要發(fā)生在潛流濕地,各組NH3-N、TN和TP的去除率分別為46.64%〜64.07%、44.31%〜62.78%和30.89%〜41.89%,去除率最高的為A1組風(fēng)車草。

  人工濕地中主要的反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)反硝化菌,包括不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽砲桿菌屬。人工濕地中主要的除磷細(xì)菌是不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬。

  基質(zhì)粒徑對(duì)NH3-N、TN和TP的處理效果有影響,5-20mm粒徑對(duì)NH3-N和TP處理效果均優(yōu)于20〜40mm粒徑基質(zhì),原因是細(xì)粒徑由更高的DO含量和更大的比表面積,增加了不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽砲桿菌屬的豐度,所以增加了脫氮除磷的效果。

  風(fēng)車草的NH3-N、TN和TP處理效果均優(yōu)于梭魚草,可能是植物根部的分泌物不同,富集的微生物不同。風(fēng)車草改善了基質(zhì)微生物的多樣性和豐度。風(fēng)車草組對(duì)不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽砲桿菌屬這些氮磷功能微生物要明顯高于梭魚草組,所以風(fēng)車草氮磷處理效果要優(yōu)于梭魚草。( >

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