潛流-表面流復(fù)合人工濕地處理超低總氮廢水

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(lái)凈化生活和工業(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，并可實(shí)現(xiàn)廢水資源化處理。國(guó)內(nèi)外對(duì)人工濕地基質(zhì)的粒徑和植物對(duì)廢水的去除效率進(jìn)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(chǎng)所，有利于微生物的生長(zhǎng)。

研究表明，不同的基質(zhì)大小和植物會(huì)影響微生物群落。在人工濕地運(yùn)行中，種植植物的脫氮效率明顯好于無(wú)植物的對(duì)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(wú)植物的對(duì)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(dòng)桿菌、根瘤菌和芽孢桿菌)的豐度增加，增強(qiáng)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(cè)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(jìn)水中TN的質(zhì)量濃度為25 & # 12316；40毫克/升低含量污水；但對(duì)進(jìn)水TN濃度在7.94-11.21mg/L的研究較少，對(duì)基質(zhì)和植物種植對(duì)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(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(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(shí)驗(yàn)進(jìn)水為生活污水稀釋的超低含量污水，引入人工濕地進(jìn)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(yú)藻、苦草、滿(mǎn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法

人工濕地于2018年4月初建成并開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)水方式為連續(xù)進(jìn)水。選取5月至11月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。進(jìn)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(guò)硫酸鉀消解分光光度法測(cè)定，總磷含量采用過(guò)硫酸鉀-鍍鋁分光光度法測(cè)定，氨氮含量采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，溶解氧含量采用HACH(hqlld)儀器測(cè)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(guò)PCR擴(kuò)增提取的DNA。所有的系列讀數(shù)被聚類(lèi)到操作分類(lèi)單元(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

使用單因素方差分析來(lái)分析差異并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異。所有統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 23.0版軟件進(jìn)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(duì)NH3-N、TN和TP的去除率見(jiàn)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(duì)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(jìn)出水中NH3-N含量的變化。

從圖2可以看出，進(jìn)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(shuō)明基質(zhì)粒徑和植物對(duì)NH3-N的去除效果有影響，圓葉莎草的處理效果好于梭魚(yú)，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(zhǎng)，增加了微生物對(duì)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(jī)草和風(fēng)車(chē)草在細(xì)顆?；|(zhì)中的硝化作用優(yōu)于粗顆粒基質(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?yàn)椴煌参锏母繑y帶不同的微生物，而梭魚(yú)和風(fēng)車(chē)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(jìn)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?yàn)榧?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?yàn)榧?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(qiáng)NH3-N的去除效果

總氮的去除

圖3顯示了潛流人工濕地進(jìn)出水中TN含量的變化。

從圖3可以看出，復(fù)合人工濕地進(jìn)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(jìn)水中氮的主要來(lái)源(約90%)，說(shuō)明NH3-N并沒(méi)有通過(guò)轉(zhuǎn)化為其他形式的氮而被還原，即潛流濕地具有較強(qiáng)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(duì)TN的處理效果有影響，風(fēng)車(chē)草的處理效果優(yōu)于梭魚(yú)，但植物根部會(huì)分泌碳源，改變微生物群落，有利于反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，增加微生物對(duì)TN的去除效果。

野馬追和風(fēng)車(chē)草在細(xì)顆粒基質(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(jìn)出水中TP含量的變化。

由圖4可知，復(fù)合人工濕地進(jìn)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(guò)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(jī)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(duì)磷的吸附、截留、交換等功能所占比例約為26%。。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基質(zhì)和植物的粒徑對(duì)總磷的去除有影響。細(xì)顆粒組的去除率明顯優(yōu)于對(duì)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(dòng)桿菌和假單胞菌等)。).研究發(fā)現(xiàn)，上述不動(dòng)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(yú)組，可能是由于分泌物和碳源有利于不動(dòng)桿菌和假單胞菌的生長(zhǎng)，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(duì)潛流濕地根部土壤進(jìn)行微生物測(cè)序，微生物多樣性和豐度見(jiàn)表3。

從表3可以看出，每組潛流濕地根系微生物測(cè)序的序列覆蓋率均大于0.98，表明測(cè)序結(jié)果較好地反映了樣品的真實(shí)情況。A1組圓葉莎草的3個(gè)豐富度指數(shù)均較高，而B(niǎo)2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(shuō)明風(fēng)車(chē)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(zhǎng)。

通過(guò)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(zhǎng)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(mén)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(mén)為主要門(mén)，共8個(gè)門(mén)。其中，六個(gè)優(yōu)勢(shì)門(mén)是變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、氯菌門(mén)、酸菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)。A1組中變形菌的相對(duì)豐度較低，因?yàn)轱L(fēng)車(chē)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(pán)菌屬富含反硝化菌屬，在反硝化過(guò)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(duì)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(yú)門(mén)的豐度差異較大，可能是由于圓葉莎草和梭魚(yú)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(duì)較低，這是因?yàn)榧?xì)顆粒尺寸提高了微生物的多樣性。底物的粒徑對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)桿菌、假單胞菌。風(fēng)車(chē)草中假單胞菌、不動(dòng)桿菌和芽胞桿菌的豐度明顯高于梭魚(yú)，說(shuō)明風(fēng)車(chē)草更有利于富集反硝化除磷細(xì)菌，這可能是由于風(fēng)車(chē)草分泌更多的碳源，加速了異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)。不動(dòng)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?yàn)榧?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(zhǎng)環(huán)境。

硝化單胞菌(氨氧化細(xì)菌)的豐度遠(yuǎn)小于硝化菌(硝化細(xì)菌)，但所有人工濕地對(duì)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(chē)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(dòng)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(dòng)桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌(TN去除率高)的總豐度較高，說(shuō)明不動(dòng)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(dòng)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(dòng)桿菌和假單胞菌的總豐度較高，而B(niǎo)2組中梭魚(yú)的總豐度較低，說(shuō)明不動(dòng)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(duì)NH3-N、TN和TP均有較好的處理效果，各組對(duì)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(dòng)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(dòng)桿菌和假單胞菌。

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(dòng)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(duì)NH3-N、TN和TP的處理效果好于梭魚(yú)，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(dòng)桿菌、假單胞菌和芽生菌等氮磷功能微生物在風(fēng)車(chē)草組顯著高于梭魚(yú)組，因此風(fēng)車(chē)草的氮磷處理效果優(yōu)于梭魚(yú)。(來(lái)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(kù)區(qū)環(huán)境與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載是出于傳遞更多信息之目的，并不意味贊成其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容真實(shí)性。轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)立即聯(lián)系網(wǎng)站編輯，我們會(huì)予以更改或刪除相關(guān)文章，保證您的權(quán)利。
標(biāo)簽:  潛流一表流復(fù)合人工濕地處理超低TN含量廢水