05潜流一表流复合人工湿地处理超低TN含量废水.docx

潜流一表流复合人工湿地处理超低TN含量废水人工湿地是20世纪70年代兴起的一种新型处理污水方式，它利用湿地中基质、水生植物、微生物之间的相互作用，净化生活及工业污水，具有较强的脱氮除磷能力和显著的生态环境效益，能够实现废水资源化处理。国内外进行了大量有关人工湿地基质粒径和植物对废水去除效率的研究和应用。人工湿地不仅可以进行废水处理，同时湿地中的植物和基质会为微生物提供附着位点，有利于微生物的生长。研究表明，不同的基质粒径和植物会影响微生物的群落。在人工湿地运行中，种植植物的脱氮效果显著优于无植物对照组,加种植物后湿地脱氮效率提高了17%65%。LU等研究了种植不同植物与无植物对照组相比，微生物丰富度和生物多样性增加，而且相关的反硝化菌属（假单胞菌、不动杆菌、根瘤菌和芽抱杆菌）丰度增加，增强了脱氮效果。DU等发现植物的种植增加了垂直流人工湿地功能微生物的丰度，并推测假单胞菌属可能是微生物除磷吸附的主要菌属。但是，大量的研究采用的进水TN的质量浓度为2540mgL的低含量污水；而进水TN的质量浓度在7.94-11.21mgL的研究较少，且对于基质和植物种植对微生物群落的影响以及与处理效果之间关系研究较少。为了系统地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，研究采用构建4组潜流-表面流复合人工湿地进行实验以及高通量测序的方法，考察不同基质粒径与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以及潜流湿地微生物群落的变化，以及潜流湿地脱氮除磷性能与微生物群落的关系。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，潜流湿地反应器尺寸为L2mx0.4mxl.lm,表面流湿地尺寸为L5mx0.4mxl.2m,湿地小试装置均由PVC板材构建而成。实验反应器位于重庆大学校内，实验进水采用生活污水稀释过后的超低含量污水，通入人工湿地中进行净化。复合人工湿地共设置4组，分为ALA2、BLB2,基质为砾石，厚度均为30cmo基质上部均为30200mm的碎石表层，厚度15cm。下部为2040mm的碎石承托层,厚度30cmo潜流湿地与表流湿地的具体配置如表1所示水平潜流人工湿地布水区挺水植物希用潸营沉水植物表面流入工淞地图1复合人工湿地实验装置表I植物与基质砾石粒径搭配Tab.lMatchofPlantandgravelmatrixparticlesize湿地基质粒径/mm植物潜流湿地表面流湿地Al520H中慈姑、花叶芦竹、水生美人焦A2520梭鱼草纸莎草、再力花、黄花莺尾Bl2040风乍草慈姑、花叶芦竹、水生美人蕉B22040梭鱼草纸莎草、再力花、黄花店尾4组复合湿地的表面流湿地底部由厚度0.2m粒径为30400mm的碎石承托层和0.3m的土壤组成。在4组表面流人工湿地中，均投加沉水植物、浮水植物，黑藻、金鱼藻、苦草、大萍和粉绿狐尾藻。复合人工湿地植物的种植密度为50株m%每组复合人工湿地实验进水体积流量为120m3d,整体水力负荷为0.12m7(m2d),总HRT为3d。1.2 实验方法复合人工湿地于2018年4月初搭建完毕并开始运行，进水方式为连续进水。实验选取511月的数据进行分析。进水TN、NH3-N、TP的质量浓度平均分别为(8.59±0.79)s(8.18±0.82)s(0.58±0.10)mgLo1.3 分析方法TN含量测定采用碱性过硫酸钾消解分光光度法测定，TP含量测定采用过硫酸钾-铝酸镀分光光度法测定，NH3-N含量测定采用纳氏试剂分光光度法测定，Do含量采用HACH(hqlld)仪器测定。使用通用细菌弓I物16SrRNA的5'-AcTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'禾5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3,(V3-V4区)对提取的DNA进行PCR扩增。将所有序歹I读数聚类到操作分类单位(OTU)(相似性阈值为97%)o高通量测序服务由上海某生物平台提供。1.4 统计方法用单因素方差分析(One-WayANOVA)进行差异性分析，检验数据间的差异性。所有统计分析均采用SPSS23.0版软件进行，并在P<0.05水平时被认为是显著的。二、结果与讨论2.1 污水的净化效果复合人工湿地NH3-N,TN和TP去除率如表2所示。表2人工湿地中NHrNN和TP的去除率Tab.2RemovalrateOfNHvN.TNandTPinCWs湖NHrN去除率/%TN去除率/%TP去除率/%地潜流表面流%L潜流衣面流总潜流灰面流Al64.079.9874.0562-S10.8373.6141.8912.7554.64A253.4815.5669.0450.7914.7465.5338.7311.3750.1013157.9412J070.0454.8711.5466.4133.819.9843.79B246.6419.9066.5444.3117.2461.5530.897.2738.16由表2可知，NH3-N、TN、TP总去除率最高的均为AI组。潜流湿地的脱氮除磷主要发生在潜流湿地内部，表面流湿地脱氮除磷较少，因此将4组潜流湿地的脱氮除磷差异作为主要分析对象。脱氮效果最好的为Al组，与其他组有显著差异。2.2 潜流湿地的净化效果2.2.1 NH3-N的去除图2为潜流人工湿地中进出水的NH3-N含量变化。IOr(LMlusNLHZa0306090120150180210r/d图2潜流人工湿地中进出水NHN含量由图2可知，进水NH3-N的质量浓度平均为&18mg/L,AlsA2、Bl、B2的潜流湿地出水NH3-N的质量浓度平均分别为4.50、4.84、4.95、4.69mgL,平均去除率分别为64.07%、53.48%、57.94%、46.64%o夏季去除效果要优于秋季,表明基质粒径和植物对NH3-N的处理效果有影响，风车草的处理效果优于梭鱼草，植物的直接吸收作用较小，但是植物根部会分泌碳源和氧气，有利于微生物的生长，增加了微生物对NH3-N的去除作用，这可能与植物的种植改变了基质微生物群落有关。梭鱼草和风车草在细粒径基质中的硝化作用要优于粗粒径基质中，因此在脱氮处理效果中，硝化作用和反硝化作用起到主要作用。由于不同植物根部会携带不同的微生物，而且梭鱼草和风车草在520mm砾石中能够为微生物提供更多的附着面积，因此脱氮效果最好。4组潜流湿地的进水DO的质量浓度为4.45mgL,出水DO的质量浓度分别为4.84、3.78、4.65s3.51mgLo由于细粒径中的DO量要多于粗粒径，有利于硝化作用的进行。DO含量增加可以有效提升硝化反应速率。细粒径去除效果优于粗粒径，是因为细粒径不仅能提供更多的附着面积，还能有利于提高DO含量，所以增强NH3-N的去除效果。2.2.2 TN的去除图3为潜流人工湿地中进出水的TN含量变化。由图3可知，复合人工湿地的进水TN的质量浓度平均为8.59mgLzAlsA2、BLB2的潜流湿地出水TN的质量浓度平均分别为4.50、4.84s4.95、4.69mgL,平均去除率分别为62.78%、50.79%s54.87%s44.31%oNH3-N和TN的去除效果较为相似，且NH3-N是进水中氮的主要来源（90%左右），说明了NH3-N并不是转化为其他形式的氮而降低，即潜流湿地有较强的反硝化作用。夏季去除效果要优于秋季。表明基质粒径和植物对TN的处理效果有影响，风车草的处理效果优于梭鱼草，但是植物根部会分泌碳源，改变了微生物群落，有利于反硝化细菌的生长，增加了微生物对TN的去除作用。梭鱼草和风车草在细粒径基质中的硝化作用要优于粗粒径基质中，因此在脱氮处理效果中，由于细粒径基质由更大的比表面积，有利于对NH3-N的吸附，且为微生物提供更多的附着面积，因此脱氮效果更好。2.2.3 TP的去除图4为潜流人工湿地中进出水的TP含量变化。GqM三Mdl"d图4潜流人工湿地中进出水TP含量由图4可知，复合人工湿地的进水TP的质量浓度平均分别为0.58mgLzAlsA2、BLB2的平均去除率分别为41.89%、38.73%s33.81%、30.89%o夏季去除效果要优于秋季。基质吸附是磷去除的主要因素。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，而基质对磷的物化吸附和化学沉降是最重要的去除机理，对以任何形式存在的磷均能有效去除。LU等指出，人工湿地基质填料对磷的吸附、截留、交换等作用的比例大约为26%oo本实验结果表明，基质粒径和植物对TP的去除均有影响。细粒径组的去除率显著优于(p<0.05)粗粒径组，粒径5-2Omm的砾石比粒径2040mm的砾石有着更大的比表面积，可以更好地吸附磷。人工湿地中除磷菌多为异养细菌(不动杆菌和假单胞菌等)。DU发现上述不动杆菌和假单胞菌可能是主要的在人工湿地中负责去除TP的属叩。风车草组除磷效果优于梭鱼草组，这可能是分泌物和碳源有利于不动杆菌和假单胞菌生长，提高了除磷能力，因此除磷效果更好。2.3 人工湿地微生物群落2.3.1 微生物序列和多样性采用夏季潜流湿地根系土壤进行微生物测序，微生物多样性和丰度如表3所示。表3人工湿地微生物多样性和丰富度Tab.3ThediversityandrichnessofmicrobialinCWs潜流湿地植物多样性丰富度序列覆盖率ShannonSimpsonSobsAceChaoAI风乍草6.280.00321206I30513130.994A2梭鱼草5.810.007810601189I2190.992Bl风车草6.050.0055I0661122I1570.995B2梭鱼草5.540.0202992103410540.997由表3可知，各组潜流湿地中根系微生物测序中序列覆盖率大于0.98,说明了测序结果很好显示了样本的真实情况。Al组风车草的3个丰富度指标均最高，B2组梭鱼草最低，说明Al组风车草的种植有效改善了微生物丰富度。Al组风车草的Shanoon指数最高，B2组梭鱼草Shanoon指数最低，说明了风车草的种植能有效的改善群落多样性，这可能是植物根系泌氧和根系分泌碳源的原因，有利于微生物富集与生长。通过ALA2与BLB2比较，发现细粒径植物根系微生物多样性和丰富度都比粗粒径组要高，这可能与水体DO含量较高以及细粒径有更大的比表面积，有利于微生物的生长有关。2.3.2 微生物组成差异潜流人工湿地各组微生物门水平组成如表4o表4人工湿地基质门分类前落组成Tab.4PercentofcommunityabundanceonOfCWsPhylumlevelinsubstrate菌门AlIA2一度/%BlB2Proteobactcria一；45.9242.0050.00Chloroflexi16.9510.9912.8310.74Acidobacteria7.09«.169.172.81Actinobacteria7.6