復(fù)合垂直流水平流人工濕地凈化效果及菌落多樣性研究

賈樹(shù)勝，黃 明，劉紹根，王 坤

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

人工濕地是為了加強(qiáng)廢水處理的自然過(guò)程而設(shè)計(jì)和建造的大型工程污水處理系統(tǒng)。人工濕地因其投資低、可持續(xù)、美觀環(huán)保、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛普及[1-2]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，微生物在人工濕地中發(fā)揮了極大作用[3]。梁威等[4]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CODCr的去除與人工濕地中微生物的數(shù)量存在極大相關(guān)性。盧少勇等[5]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人工濕地中硝化、反硝化細(xì)菌與氨氮和TN的去除有關(guān)。Stottmeister[6]等發(fā)現(xiàn)人工濕地中單胞菌數(shù)量與總磷的去除具有顯著的相關(guān)性。杜剛[7]發(fā)現(xiàn)不同類型人工濕地中微生物分布及對(duì)污染物去除效果存在差異。本文采用復(fù)合垂直流-水平流人工濕地，以探討該系統(tǒng)對(duì)低污染河水中主要污染物的去除效果。借助Illumina MiSeq高通量測(cè)序法，研究各濕地單元中微生物菌落結(jié)構(gòu)與功能變化，進(jìn)而分析微生物菌落多樣性與豐富度變化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次人工濕地系統(tǒng)由復(fù)合垂直流人工濕地單元和水平流人工濕地單元組成，共設(shè)置3級(jí)濕地單元，各級(jí)濕地單元之間利用集水井銜接。復(fù)合垂直流是由兩級(jí)垂直流濕地單元串聯(lián)組成，每級(jí)垂直流濕地單元進(jìn)出水順序依次為垂直下行流和垂直上行流。水平流人工濕地采用一般推流式進(jìn)出水方式。各濕地單元的尺寸為長(zhǎng)8 m、寬2 m、高1.5 m，集水井的尺寸為長(zhǎng)0.7 m、寬2 m、高1.5 m。每級(jí)濕地單元上均勻種植64株美人蕉。垂直流人工濕地單元的基質(zhì)從上到下依次為土壤層0.3 m厚、填料層1.1 m厚(上層為5～7 cm碎石厚0.4 m，中層為3～5 cm礫石厚0.4 m，底層為1～3 cm沸石厚0.3 m)。水平流人工濕地單元的基質(zhì)沿水流方向依次為5～7 cm碎石、3～5 cm礫石、1～3 cm沸石。本次人工濕地系統(tǒng)采用24 h連續(xù)進(jìn)水的方式。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水和微生物樣品的采集

2019年3月系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)用水從巢湖市西撇洪溝(低污染河水)通過(guò)潛污泵提升至水箱后，自流進(jìn)入濕地系統(tǒng)。6月份運(yùn)行穩(wěn)定后，開(kāi)始連續(xù)運(yùn)行并采集水樣和監(jiān)測(cè)水質(zhì)，進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。各級(jí)濕地單元的進(jìn)出水在集水井和出水口進(jìn)行采集，依次記為A1、A2、A3。微生物樣品的采集取自第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)濕地單元中美人蕉根系，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在各級(jí)濕地單元平均設(shè)置6個(gè)取樣點(diǎn)，將6個(gè)取樣點(diǎn)的美人蕉根系均勻混合為一個(gè)獨(dú)立的樣品，3個(gè)濕地單元的微生物樣品依次記為B1、B2、B3。

表1 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本次檢測(cè)的主要污染指標(biāo)分別為氨氮、TN、TP和COD，其主要分析方法如表2所示。微生物檢測(cè)借助于第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，采用Illumina Miseq高通量測(cè)序法[8]對(duì)含有微生物的美人蕉根系進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合垂直流水平流人工濕地凈化效果分析

濕地系統(tǒng)中氨氮、TN、TP、COD的濃度和去除率變化如圖1～圖4所示。

圖1 各濕地單元對(duì)氨氮的去除效果 圖2 各濕地單元對(duì)TN的去除效果

圖3 各濕地單元對(duì)TP的去除效果 圖4 各濕地單元對(duì)COD的去除效果

從圖1～圖4可以看出，復(fù)合垂直流水平流人工濕地對(duì)各污染物凈化效果明顯，污染物的濃度沿水流移動(dòng)方向不斷降低，對(duì)氨氮、TN、TP、COD的去除率為82.5%、84.0%、61.0%、67.9%。主要原因來(lái)自于植物、基質(zhì)和微生物之間共同作用的結(jié)果。

由于垂直流人工濕地具有良好的充氧條件，有利于硝化反應(yīng)過(guò)程的順利進(jìn)行，并且能完成對(duì)氨氮、TN的高效去除。從圖1和圖2可以看出，關(guān)于氨氮、TN的去除效果，垂直流濕地單元比水平流濕地單元更具優(yōu)勢(shì)，但水平流濕地單元仍能有效地降低低污染河水的氨氮和TN的濃度。從圖3和圖4可以看出，復(fù)合垂直流-水平流人工濕地各單元對(duì)TP去除較為均衡，COD的去除率較高。

2.2 微生物菌落結(jié)構(gòu)與功能的分析

根據(jù)3組樣品在“門”分類水平上的菌落結(jié)構(gòu)組成，研究各級(jí)濕地單元中微生物多樣性，進(jìn)一步分析各濕地單元中微生物的污水處理作用。各級(jí)濕地單元中細(xì)菌在“門”分類水平上的分布如圖5所示。在B1、B2、B3三組樣品中，細(xì)菌種類和比例不盡相同。Cyanobacteria(藍(lán)細(xì)菌門)和Proteobacteria(變形菌門)在樣品中占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)。Cyanobacteria可有效去除廢水中的TN和TP。Cyanobacteria在3級(jí)人工濕地單元的豐度分別為39.3%、57.8%、61.0%，水平流人工濕地單元中Cyanobacteria的豐度明顯高于垂直流人工濕地單元。Proteobacteria類微生物中包含硝化、亞硝化、反硝化細(xì)菌，具有良好的硝化脫氮功能，有利于氨氮的吸收和去除。Proteobacteria在3級(jí)人工濕地單元中的豐度分別為56.1%、31.6%、27.8%，主要富集于第一級(jí)垂直流人工濕地單元，明顯高于第二、三級(jí)人工濕地單元。另外，Bacteroidetes(擬桿菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)等在人工濕地中也發(fā)揮一定的作用。

圖5 細(xì)菌在“門”分類水平上的分布

2.3 微生物菌落多樣性分析

借助Illumina MiSeq高通量測(cè)序法對(duì)美人蕉根系中微生物菌落多樣性進(jìn)行分析，3組樣品中菌落多樣性分析情況如表3所示。

表3 樣品多樣性及豐度指數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：*—樣品多樣性指數(shù)，數(shù)值大小與群落多樣性呈正比；**—樣品豐富度指數(shù)，數(shù)值大小與群落豐富度呈正比。

從Simpson和Shannon指數(shù)可以看出，因環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化，各級(jí)濕地單元中菌落多樣性沿水流移動(dòng)方向逐漸降低，垂直流濕地單元的菌落多樣性高于水平流濕地單元。從Chao1和ACE指數(shù)可以看出，在復(fù)合垂直流濕地階段，Chao1和ACE指數(shù)逐漸增大，隨著環(huán)境條件的改變，在水平流濕地單元略有降低，表明垂直流濕地單元的菌落豐富度略高于水平流濕地單元。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)復(fù)合垂直流水平流人工濕地處理低污染河水效果顯著，各污染物去除率分別為82.5%(氨氮)、84.0%(TN)、61.0%(TP)、67.9%(COD)。

(2)垂直流人工濕地和水平流人工濕地中的微生物菌落結(jié)構(gòu)相似性較高，均有各自的優(yōu)勢(shì)菌群，Cyanobacteria(藍(lán)細(xì)菌門)和Proteobacteria(變形菌門)在垂直流和水平流人工濕地較豐富。

(3)垂直流人工濕地的菌落多樣性和豐富度高于水平流人工濕地。