潜流-表面流复合人工湿地处理超低总氮废水

人工湿地是20世纪70年代出现的一种新型污水处理方法。它利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用来净化生活和工业污水。具有较强的脱氮除磷能力和显著的生态环境效益，并可实现废水资源化处理。国内外对人工湿地基质的粒径和植物对废水的去除效率进行了大量的研究和应用。人工湿地不仅可以处理废水，而且湿地中的植物和基质可以为微生物提供附着场所，有利于微生物的生长。

研究表明，不同的基质大小和植物会影响微生物群落。在人工湿地运行中，种植植物的脱氮效率明显好于无植物的对照组，添加植物后湿地的脱氮效率提高了17 & # 12316；65%。陆等研究发现，与无植物的对照组相比，不同植物的微生物丰富度和生物多样性增加，相关反硝化细菌(假单胞菌、不动杆菌、根瘤菌和芽孢杆菌)的丰度增加，增强了反硝化效果。杜等发现植物的种植增加了垂直流人工湿地中功能微生物的丰度，推测假单胞菌可能是除磷和吸附的主要微生物。然而，用于研究的大量进水中TN的质量浓度为25 & # 12316；40毫克/升低含量污水；但对进水TN浓度在7.94-11.21mg/L的研究较少，对基质和植物种植对微生物群落的影响以及基质和植物种植与处理效果的关系的研究较少。

为了系统研究复合人工湿地对超低含量污水的净化效果及其与微生物群落的关系，构建了4组潜流-表面流复合人工湿地进行实验，采用高通量排序的方法。研究了不同基质尺寸和植物组合的复合人工湿地对超低含量污水的脱氮除磷性能、潜流湿地中微生物群落的变化以及脱氮除磷性能与微生物群落的关系。

第一，实验部分

1.1复合人工湿地的构建

如图1所示，复合人工湿地由潜流人工湿地和表面流人工湿地组成。潜流湿地反应器的尺寸为1.2 MX 0.4 MX 1.1米，表面流湿地的尺寸为1.5 MX 0.4 MX 1.2米，湿地中试装置全部由PVC板材制成。反应器位于重庆大学校园内，实验进水为生活污水稀释的超低含量污水，引入人工湿地进行净化。

人工湿地有4组，分为A1、A2、B1和B2。基底是厚30厘米的砾石。上矩阵是30 & # 12316；200毫米碎石面层，厚15厘米。下半部分是20 & # 12316；40毫米厚30cm的砾石持力层。潜流湿地和表面流湿地的具体配置如表1所示。

四组复合湿地的表面流湿地底部由0.2m厚、30 & # 12316；400毫米砾石持力层和0.3米土壤。在四组表面流人工湿地中，添加沉水植物、漂浮植物、黑藻、金鱼藻、苦草、满江红和狐尾藻。复合人工湿地中植物的种植密度为50株/m%，每组复合人工湿地的实验进水流量为120m3/d，整体水力负荷为0.12 M7(m2 & # 8226；d)，总HRT为3d。

1.2实验方法

人工湿地于2018年4月初建成并开始运行，进水方式为连续进水。选取5月至11月的数据进行分析。进水中总氮、氨氮和总磷的质量浓度分别为(8.59±0.79)、(8.18±0.82)和(0.58±0.10)mg/L/L。

1.3分析方法

总氮含量采用碱性过硫酸钾消解分光光度法测定，总磷含量采用过硫酸钾-镀铝分光光度法测定，氨氮含量采用纳氏试剂分光光度法测定，溶解氧含量采用HACH(hqlld)仪器测定。

5'使用通用细菌引物16SrRNA-actcctacgggagcagcag-3 & # 39；沃U5 & # 39-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3 & # 39；(V3-V4区)通过PCR扩增提取的DNA。所有的系列读数被聚类到操作分类单元(OTU)(相似性阈值为97%)。高通量测序服务由上海某生物平台提供。

1.4统计方法

使用单因素方差分析来分析差异并检验数据之间的差异。所有统计分析用SPSS 23.0版软件进行，结果记录在p

二。结果和讨论

2.1污水的净化效果

人工湿地对NH3-N、TN和TP的去除率见表2。

从表2可以看出，al组NH3-N、TN和TP的总去除率较高。潜流湿地脱氮除磷主要发生在潜流湿地，而表面流湿地脱氮除磷较少。因此，本文以四组潜流湿地脱氮除磷的差异为主要分析对象。A1组的脱氮效果较好，与其他组有显著差异。

2.2潜流湿地的净化效果

NH3-n的去除

图2显示了潜流人工湿地进出水中NH3-N含量的变化。

从图2可以看出，进水NH3-N的平均质量浓度为& 18mg/L，a1、A2、B1和B2潜流湿地出水NH3-N的平均质量浓度分别为4.50、4.84、4.95和4.69mg/L，平均去除率分别为64.07%、53.48%、57.94%和46.64%。夏季NH3-N的去除效果好于秋季，说明基质粒径和植物对NH3-N的去除效果有影响，圆叶莎草的处理效果好于梭鱼，植物的直接吸收效果较小，但植物的根系分泌碳源和氧气，有利于微生物的生长，增加了微生物对NH3-N的去除效果，这可能与植物种植引起基质微生物群落的变化有关。

飞机草和风车草在细颗粒基质中的硝化作用优于粗颗粒基质，因此硝化作用和反硝化作用在反硝化作用中起主要作用。因为不同植物的根部携带不同的微生物，而梭鱼和风车草在5 & # 12316；20mm砾石可以为微生物提供更多的附着面积，所以脱氮效果更好。

四组潜流湿地进水和出水的DO质量浓度分别为4.45mg/L、4.84、3.78、4.65和3.51mg/L。因为细粒径的DO量比粗粒径的多，有利于硝化作用。DO含量的增加可以有效提高硝化速率。细粒径的去除效果优于粗粒径，因为细粒径不仅能提供更多的附着面积，还有助于增加DO含量，从而增强NH3-N的去除效果

总氮的去除

图3显示了潜流人工湿地进出水中TN含量的变化。

从图3可以看出，复合人工湿地进水中TN的平均质量浓度为8.59mg/L，潜流湿地a1、A2、B1和B2的出水中TN的平均质量浓度分别为4.50、4.84、4.95和4.69mg/L，平均去除率分别为62.78%、50.79%、54.87%和44.49%。NH3-N和TN的去除效果相似，NH3-N是进水中氮的主要来源(约90%)，说明NH3-N并没有通过转化为其他形式的氮而被还原，即潜流湿地具有较强的反硝化作用。夏季的去除效果好于秋季。结果表明，基质和植物的粒径对TN的处理效果有影响，风车草的处理效果优于梭鱼，但植物根部会分泌碳源，改变微生物群落，有利于反硝化细菌的生长，增加微生物对TN的去除效果。

野马追和风车草在细颗粒基质中的硝化作用优于粗颗粒基质。因此，在脱氮效果上，细颗粒基质具有更大的比表面积，有利于NH3-N的吸附，为微生物提供更多的附着面积，因此脱氮效果更好。

去除总磷

图4显示了潜流人工湿地进出水中TP含量的变化。

由图4可知，复合人工湿地进水中TP的平均质量浓度为0.58mg/L，a1、A2、B1和B2的平均去除率分别为41.89%、38.73%、33.81%和30.89%。夏季的去除效果好于秋季。基质吸附是除磷的主要因素。湿地中的磷主要通过植物吸收、基质吸附和微生物同化作用去除，而基质的物理化学吸附和化学沉降是重要的去除机制，可以有效去除任何形态的磷。

陆等指出，人工湿地中基质填料对磷的吸附、截留、交换等功能所占比例约为26%。。实验结果表明，基质和植物的粒径对总磷的去除有影响。细颗粒组的去除率明显优于对照组(p

人工湿地中的除磷细菌大多为异养细菌(不动杆菌和假单胞菌等)。).研究发现，上述不动杆菌和假单胞菌可能是人工湿地中去除总磷的主要属。圆叶莎草组的除磷效果好于梭鱼组，可能是由于分泌物和碳源有利于不动杆菌和假单胞菌的生长，除磷能力提高，所以除磷效果更好。

2.3人工湿地中的微生物群落

2.3.1微生物序列和多样性

夏季对潜流湿地根部土壤进行微生物测序，微生物多样性和丰度见表3。

从表3可以看出，每组潜流湿地根系微生物测序的序列覆盖率均大于0.98，表明测序结果较好地反映了样品的真实情况。A1组圆叶莎草的3个丰富度指数均较高，而B2组圆叶莎草的丰富度指数较低，表明A1组圆叶莎草的种植有效提高了微生物的丰富度。A1组的Shanoon指数高于B2组，说明风车草属植物的种植能有效提高群落多样性，这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长。

通过A1和A2与B1和B2的比较，发现细粒植物根部微生物的多样性和丰富度高于粗粒植物，这可能与水中DO含量较高，细粒植物比表面积较大，有利于微生物的生长有关。

2.3.2微生物组成的差异

每组潜流人工湿地中微生物门的水平组成如表4所示。

从表4可以看出，微生物检出频率>:1%的门为主要门，共8个门。其中，六个优势门是变形菌门、厚壁菌门、氯菌门、酸菌门、放线菌门和硝化螺旋菌门。A1组中变形菌的相对丰度较低，因为风车草属植物的培养提高了微生物的多样性。据相关研究，变形菌属和核盘菌属富含反硝化菌属，在反硝化过程中起重要作用，而硝化螺旋菌属富含硝化细菌属。A1组中厚壁组织和硝基螺旋体的相对丰度较高，这可能是A1组潜流湿地脱氮率较高的原因。圆叶莎草和梭鱼门的丰度差异较大，可能是由于圆叶莎草和梭鱼根系分泌物的差异，影响了微生物群落。相比之下，细颗粒基质组中变形菌的丰度相对较低，这是因为细颗粒尺寸提高了微生物的多样性。底物的粒径对微生物群落有影响，可能是粒径的差异引起DO含量的变化，影响微生物群落的结构。

据相关研究表明，人工湿地中存在丰富的反硝化细菌。其中，主要的异养反硝化细菌包括不动杆菌属>:假单胞菌属、芽孢杆菌属、Dec/i/oromonas和Rhodanobacter(# 39；)，等等。主要的自养反硝化细菌有硫杆菌和嗜热单胞菌等。“人工湿地中的主要氨氧化细菌包括氨基芽孢杆菌(4 minobacillus & # 39)，亚硝化单胞菌<〈亚硝化单胞菌& # 39；)、亚硝基螺菌属和亚硝基球菌属等。(.硝化细菌& # 39；)和硝化螺旋菌具有硝化功能。陆等发现不动杆菌和假单胞菌具有较高的聚磷效果，是人工湿地中主要的除磷菌。

表5显示了潜流湿地中氮和磷的功能微生物属，其丰度大于0.5%。

从表5可以看出，主要的反硝化细菌属为不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等异养反硝化细菌属，主要的除磷细菌属为不动杆菌、假单胞菌。风车草中假单胞菌、不动杆菌和芽胞杆菌的丰度明显高于梭鱼，说明风车草更有利于富集反硝化除磷细菌，这可能是由于风车草分泌更多的碳源，加速了异养细菌的生长。不动杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌在细粒径组的丰度明显高于粗粒径组，因为细粒径组具有更高的DO含量，为反硝化细菌和除磷细菌提供了更适宜的生长环境。

硝化单胞菌(氨氧化细菌)的丰度远小于硝化菌(硝化细菌)，但所有人工湿地对氨氮都有较好的去除效果。原因是硝化菌不仅具有硝化功能，还具有氨氧化功能，因此硝化菌是主要的氨氧化细菌。A1组风车草属植物硝化纤维素的丰度(NH3-N去除率较高)较高，表明硝化纤维素的丰度与人工湿地中氨氮的去除率有关。人工湿地中的主要反硝化细菌为异养反硝化细菌(不动杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌)，占总反硝化细菌的70.8%~79.6%，因此这三种细菌是去除TN的主要细菌。A1组中，不动杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌(TN去除率高)的总丰度较高，说明不动杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌的丰度增加有利于人工湿地中TN的去除，它们是人工湿地中主要的反硝化细菌。

不动杆菌和假单胞菌是人工湿地中主要的除磷细菌。A1组中不动杆菌和假单胞菌的总丰度较高，而B2组中梭鱼的总丰度较低，说明不动杆菌和假单胞菌的丰度有利于人工湿地中TP的去除，是人工湿地中主要的除磷细菌。

三。结论

四组人工湿地对NH3-N、TN和TP均有较好的处理效果，各组对NH3-N、TN和TP的总去除率为66.54% & # 12316；74.05%、61.55%〜73.61%、38.16%〜54.64%，氮和磷的去除主要发生在潜流湿地，各组氨氮、总氮和总磷的去除率分别为46.64% & # 12316；64.07%、44.31%〜62.78%和30.89% & # 12316；去除率较高的是A1组。

人工湿地中的反硝化细菌主要是异养反硝化细菌，包括不动杆菌、假单胞菌和芽生菌。人工湿地中主要的除磷细菌是不动杆菌和假单胞菌。

基质粒径对NH3-N、TN和TP的处理效果有影响，5-20mm粒径对NH3-N和TP的处理效果好于20 & # 12316；40mm粒径基质，原因是细粒径增加了DO含量较高、比表面积较大的不动杆菌、假单胞菌和芽生菌的丰度，因此增加了脱氮除磷的效果。

圆叶莎草对NH3-N、TN和TP的处理效果好于梭鱼，这可能是由于根系分泌物不同，富集的微生物不同。红三叶提高了基质微生物的多样性和丰度。不动杆菌、假单胞菌和芽生菌等氮磷功能微生物在风车草组显著高于梭鱼组，因此风车草的氮磷处理效果优于梭鱼。(来源:重庆大学城市建设与环境工程学院；重庆大学三峡库区环境与生态重点实验室)

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