人工濕地是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種新型污水處理方法。它利用濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物之間的相互作用來凈化生活和工業(yè)污水。具有較強的脫氮除磷能力和顯著的生態(tài)環(huán)境效益，并可實現(xiàn)廢水資源化處理。國內(nèi)外對人工濕地基質(zhì)的粒徑和植物對廢水的去除效率進行了大量的研究和應(yīng)用。人工濕地不僅可以處理廢水，而且濕地中的植物和基質(zhì)可以為微生物提供附著場所，有利于微生物的生長。

研究表明，不同的基質(zhì)大小和植物會影響微生物群落。在人工濕地運行中，種植植物的脫氮效率明顯好于無植物的對照組，添加植物后濕地的脫氮效率提高了17 & # 12316；65%。陸等研究發(fā)現(xiàn)，與無植物的對照組相比，不同植物的微生物豐富度和生物多樣性增加，相關(guān)反硝化細(xì)菌(假單胞菌、不動桿菌、根瘤菌和芽孢桿菌)的豐度增加，增強了反硝化效果。杜等發(fā)現(xiàn)植物的種植增加了垂直流人工濕地中功能微生物的豐度，推測假單胞菌可能是除磷和吸附的主要微生物。然而，用于研究的大量進水中TN的質(zhì)量濃度為25 & # 12316；40毫克/升低含量污水；但對進水TN濃度在7.94-11.21mg/L的研究較少，對基質(zhì)和植物種植對微生物群落的影響以及基質(zhì)和植物種植與處理效果的關(guān)系的研究較少。

為了系統(tǒng)研究復(fù)合人工濕地對超低含量污水的凈化效果及其與微生物群落的關(guān)系，構(gòu)建了4組潛流-表面流復(fù)合人工濕地進行實驗，采用高通量排序的方法。研究了不同基質(zhì)尺寸和植物組合的復(fù)合人工濕地對超低含量污水的脫氮除磷性能、潛流濕地中微生物群落的變化以及脫氮除磷性能與微生物群落的關(guān)系。

第一，實驗部分

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)器的尺寸為1.2 MX 0.4 MX 1.1米，表面流濕地的尺寸為1.5 MX 0.4 MX 1.2米，濕地中試裝置全部由PVC板材制成。反應(yīng)器位于重慶大學(xué)校園內(nèi)，實驗進水為生活污水稀釋的超低含量污水，引入人工濕地進行凈化。

人工濕地有4組，分為A1、A2、B1和B2?；资呛?0厘米的礫石。上矩陣是30 & # 12316；200毫米碎石面層，厚15厘米。下半部分是20 & # 12316；40毫米厚30cm的礫石持力層。潛流濕地和表面流濕地的具體配置如表1所示。

四組復(fù)合濕地的表面流濕地底部由0.2m厚、30 & # 12316；400毫米礫石持力層和0.3米土壤。在四組表面流人工濕地中，添加沉水植物、漂浮植物、黑藻、金魚藻、苦草、滿江紅和狐尾藻。復(fù)合人工濕地中植物的種植密度為50株/m%，每組復(fù)合人工濕地的實驗進水流量為120m3/d，整體水力負(fù)荷為0.12 M7(m2 & # 8226；d)，總HRT為3d。

1.2實驗方法

人工濕地于2018年4月初建成并開始運行，進水方式為連續(xù)進水。選取5月至11月的數(shù)據(jù)進行分析。進水中總氮、氨氮和總磷的質(zhì)量濃度分別為(8.59±0.79)、(8.18±0.82)和(0.58±0.10)mg/L/L。

1.3分析方法

總氮含量采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法測定，總磷含量采用過硫酸鉀-鍍鋁分光光度法測定，氨氮含量采用納氏試劑分光光度法測定，溶解氧含量采用HACH(hqlld)儀器測定。

5'使用通用細(xì)菌引物16SrRNA-actcctacgggagcagcag-3 & # 39；沃U5 & # 39-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3 & # 39；(V3-V4區(qū))通過PCR擴增提取的DNA。所有的系列讀數(shù)被聚類到操作分類單元(OTU)(相似性閾值為97%)。高通量測序服務(wù)由上海某生物平臺提供。

1.4統(tǒng)計方法

使用單因素方差分析來分析差異并檢驗數(shù)據(jù)之間的差異。所有統(tǒng)計分析用SPSS 23.0版軟件進行，結(jié)果記錄在p

二。結(jié)果和討論

2.1污水的凈化效果

人工濕地對NH3-N、TN和TP的去除率見表2。

從表2可以看出，al組NH3-N、TN和TP的總?cè)コ瘦^高。潛流濕地脫氮除磷主要發(fā)生在潛流濕地，而表面流濕地脫氮除磷較少。因此，本文以四組潛流濕地脫氮除磷的差異為主要分析對象。A1組的脫氮效果較好，與其他組有顯著差異。

2.2潛流濕地的凈化效果

NH3-n的去除

圖2顯示了潛流人工濕地進出水中NH3-N含量的變化。

從圖2可以看出，進水NH3-N的平均質(zhì)量濃度為& 18mg/L，a1、A2、B1和B2潛流濕地出水NH3-N的平均質(zhì)量濃度分別為4.50、4.84、4.95和4.69mg/L，平均去除率分別為64.07%、53.48%、57.94%和46.64%。夏季NH3-N的去除效果好于秋季，說明基質(zhì)粒徑和植物對NH3-N的去除效果有影響，圓葉莎草的處理效果好于梭魚，植物的直接吸收效果較小，但植物的根系分泌碳源和氧氣，有利于微生物的生長，增加了微生物對NH3-N的去除效果，這可能與植物種植引起基質(zhì)微生物群落的變化有關(guān)。

飛機草和風(fēng)車草在細(xì)顆粒基質(zhì)中的硝化作用優(yōu)于粗顆?；|(zhì)，因此硝化作用和反硝化作用在反硝化作用中起主要作用。因為不同植物的根部攜帶不同的微生物，而梭魚和風(fēng)車草在5 & # 12316；20mm礫石可以為微生物提供更多的附著面積，所以脫氮效果更好。

四組潛流濕地進水和出水的DO質(zhì)量濃度分別為4.45mg/L、4.84、3.78、4.65和3.51mg/L。因為細(xì)粒徑的DO量比粗粒徑的多，有利于硝化作用。DO含量的增加可以有效提高硝化速率。細(xì)粒徑的去除效果優(yōu)于粗粒徑，因為細(xì)粒徑不僅能提供更多的附著面積，還有助于增加DO含量，從而增強NH3-N的去除效果

總氮的去除

圖3顯示了潛流人工濕地進出水中TN含量的變化。

從圖3可以看出，復(fù)合人工濕地進水中TN的平均質(zhì)量濃度為8.59mg/L，潛流濕地a1、A2、B1和B2的出水中TN的平均質(zhì)量濃度分別為4.50、4.84、4.95和4.69mg/L，平均去除率分別為62.78%、50.79%、54.87%和44.49%。NH3-N和TN的去除效果相似，NH3-N是進水中氮的主要來源(約90%)，說明NH3-N并沒有通過轉(zhuǎn)化為其他形式的氮而被還原，即潛流濕地具有較強的反硝化作用。夏季的去除效果好于秋季。結(jié)果表明，基質(zhì)和植物的粒徑對TN的處理效果有影響，風(fēng)車草的處理效果優(yōu)于梭魚，但植物根部會分泌碳源，改變微生物群落，有利于反硝化細(xì)菌的生長，增加微生物對TN的去除效果。

野馬追和風(fēng)車草在細(xì)顆?；|(zhì)中的硝化作用優(yōu)于粗顆?；|(zhì)。因此，在脫氮效果上，細(xì)顆?；|(zhì)具有更大的比表面積，有利于NH3-N的吸附，為微生物提供更多的附著面積，因此脫氮效果更好。

去除總磷

圖4顯示了潛流人工濕地進出水中TP含量的變化。

由圖4可知，復(fù)合人工濕地進水中TP的平均質(zhì)量濃度為0.58mg/L，a1、A2、B1和B2的平均去除率分別為41.89%、38.73%、33.81%和30.89%。夏季的去除效果好于秋季?；|(zhì)吸附是除磷的主要因素。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)的物理化學(xué)吸附和化學(xué)沉降是重要的去除機制，可以有效去除任何形態(tài)的磷。

陸等指出，人工濕地中基質(zhì)填料對磷的吸附、截留、交換等功能所占比例約為26%。。實驗結(jié)果表明，基質(zhì)和植物的粒徑對總磷的去除有影響。細(xì)顆粒組的去除率明顯優(yōu)于對照組(p

人工濕地中的除磷細(xì)菌大多為異養(yǎng)細(xì)菌(不動桿菌和假單胞菌等)。).研究發(fā)現(xiàn)，上述不動桿菌和假單胞菌可能是人工濕地中去除總磷的主要屬。圓葉莎草組的除磷效果好于梭魚組，可能是由于分泌物和碳源有利于不動桿菌和假單胞菌的生長，除磷能力提高，所以除磷效果更好。

2.3人工濕地中的微生物群落

2.3.1微生物序列和多樣性

夏季對潛流濕地根部土壤進行微生物測序，微生物多樣性和豐度見表3。

從表3可以看出，每組潛流濕地根系微生物測序的序列覆蓋率均大于0.98，表明測序結(jié)果較好地反映了樣品的真實情況。A1組圓葉莎草的3個豐富度指數(shù)均較高，而B2組圓葉莎草的豐富度指數(shù)較低，表明A1組圓葉莎草的種植有效提高了微生物的豐富度。A1組的Shanoon指數(shù)高于B2組，說明風(fēng)車草屬植物的種植能有效提高群落多樣性，這可能是植物根系分泌氧和碳源的原因，有利于微生物的富集和生長。

通過A1和A2與B1和B2的比較，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒植物根部微生物的多樣性和豐富度高于粗粒植物，這可能與水中DO含量較高，細(xì)粒植物比表面積較大，有利于微生物的生長有關(guān)。

2.3.2微生物組成的差異

每組潛流人工濕地中微生物門的水平組成如表4所示。

從表4可以看出，微生物檢出頻率>:1%的門為主要門，共8個門。其中，六個優(yōu)勢門是變形菌門、厚壁菌門、氯菌門、酸菌門、放線菌門和硝化螺旋菌門。A1組中變形菌的相對豐度較低，因為風(fēng)車草屬植物的培養(yǎng)提高了微生物的多樣性。據(jù)相關(guān)研究，變形菌屬和核盤菌屬富含反硝化菌屬，在反硝化過程中起重要作用，而硝化螺旋菌屬富含硝化細(xì)菌屬。A1組中厚壁組織和硝基螺旋體的相對豐度較高，這可能是A1組潛流濕地脫氮率較高的原因。圓葉莎草和梭魚門的豐度差異較大，可能是由于圓葉莎草和梭魚根系分泌物的差異，影響了微生物群落。相比之下，細(xì)顆?；|(zhì)組中變形菌的豐度相對較低，這是因為細(xì)顆粒尺寸提高了微生物的多樣性。底物的粒徑對微生物群落有影響，可能是粒徑的差異引起DO含量的變化，影響微生物群落的結(jié)構(gòu)。

據(jù)相關(guān)研究表明，人工濕地中存在豐富的反硝化細(xì)菌。其中，主要的異養(yǎng)反硝化細(xì)菌包括不動桿菌屬>:假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、Dec/i/oromonas和Rhodanobacter(# 39；)，等等。主要的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌有硫桿菌和嗜熱單胞菌等?！叭斯竦刂械闹饕毖趸?xì)菌包括氨基芽孢桿菌(4 minobacillus & # 39)，亞硝化單胞菌<〈亞硝化單胞菌& # 39；)、亞硝基螺菌屬和亞硝基球菌屬等。(.硝化細(xì)菌& # 39；)和硝化螺旋菌具有硝化功能。陸等發(fā)現(xiàn)不動桿菌和假單胞菌具有較高的聚磷效果，是人工濕地中主要的除磷菌。

表5顯示了潛流濕地中氮和磷的功能微生物屬，其豐度大于0.5%。

從表5可以看出，主要的反硝化細(xì)菌屬為不動桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌等異養(yǎng)反硝化細(xì)菌屬，主要的除磷細(xì)菌屬為不動桿菌、假單胞菌。風(fēng)車草中假單胞菌、不動桿菌和芽胞桿菌的豐度明顯高于梭魚，說明風(fēng)車草更有利于富集反硝化除磷細(xì)菌，這可能是由于風(fēng)車草分泌更多的碳源，加速了異養(yǎng)細(xì)菌的生長。不動桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌在細(xì)粒徑組的豐度明顯高于粗粒徑組，因為細(xì)粒徑組具有更高的DO含量，為反硝化細(xì)菌和除磷細(xì)菌提供了更適宜的生長環(huán)境。

硝化單胞菌(氨氧化細(xì)菌)的豐度遠小于硝化菌(硝化細(xì)菌)，但所有人工濕地對氨氮都有較好的去除效果。原因是硝化菌不僅具有硝化功能，還具有氨氧化功能，因此硝化菌是主要的氨氧化細(xì)菌。A1組風(fēng)車草屬植物硝化纖維素的豐度(NH3-N去除率較高)較高，表明硝化纖維素的豐度與人工濕地中氨氮的去除率有關(guān)。人工濕地中的主要反硝化細(xì)菌為異養(yǎng)反硝化細(xì)菌(不動桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌)，占總反硝化細(xì)菌的70.8%~79.6%，因此這三種細(xì)菌是去除TN的主要細(xì)菌。A1組中，不動桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌(TN去除率高)的總豐度較高，說明不動桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌的豐度增加有利于人工濕地中TN的去除，它們是人工濕地中主要的反硝化細(xì)菌。

不動桿菌和假單胞菌是人工濕地中主要的除磷細(xì)菌。A1組中不動桿菌和假單胞菌的總豐度較高，而B2組中梭魚的總豐度較低，說明不動桿菌和假單胞菌的豐度有利于人工濕地中TP的去除，是人工濕地中主要的除磷細(xì)菌。

三。結(jié)論

四組人工濕地對NH3-N、TN和TP均有較好的處理效果，各組對NH3-N、TN和TP的總?cè)コ蕿?6.54% & # 12316；74.05%、61.55%〜73.61%、38.16%〜54.64%，氮和磷的去除主要發(fā)生在潛流濕地，各組氨氮、總氮和總磷的去除率分別為46.64% & # 12316；64.07%、44.31%〜62.78%和30.89% & # 12316；去除率較高的是A1組。

人工濕地中的反硝化細(xì)菌主要是異養(yǎng)反硝化細(xì)菌，包括不動桿菌、假單胞菌和芽生菌。人工濕地中主要的除磷細(xì)菌是不動桿菌和假單胞菌。

基質(zhì)粒徑對NH3-N、TN和TP的處理效果有影響，5-20mm粒徑對NH3-N和TP的處理效果好于20 & # 12316；40mm粒徑基質(zhì)，原因是細(xì)粒徑增加了DO含量較高、比表面積較大的不動桿菌、假單胞菌和芽生菌的豐度，因此增加了脫氮除磷的效果。

圓葉莎草對NH3-N、TN和TP的處理效果好于梭魚，這可能是由于根系分泌物不同，富集的微生物不同。紅三葉提高了基質(zhì)微生物的多樣性和豐度。不動桿菌、假單胞菌和芽生菌等氮磷功能微生物在風(fēng)車草組顯著高于梭魚組，因此風(fēng)車草的氮磷處理效果優(yōu)于梭魚。(來源:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院；重慶大學(xué)三峽庫區(qū)環(huán)境與生態(tài)重點實驗室)

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