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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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