潮汐運(yùn)行方式對(duì)人工濕地處理含鹽廢水脫氮性能的影響?

張曉雨， 王福浩， 夏振剛， 佘宗蓮??

(1. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100； 2. 青島水務(wù)環(huán)境公司， 山東 青島 266021)

迄今為止，針對(duì)垂直流人工濕地處理含鹽廢水的研究主要集中在傳統(tǒng)垂直流人工濕地和復(fù)合垂直流人工濕地，利用TFCW處理含鹽廢水的研究較少，尤其是關(guān)于高鹽條件下F/R對(duì)TFCW脫氮性能的影響尚未見報(bào)道。本研究利用TFCW處理含鹽廢水，探究了不同F(xiàn)/R條件下的污染物去除效率，確定了實(shí)現(xiàn)高效脫氮的F/R，結(jié)合濕地內(nèi)無機(jī)氮的沿程分布特征和微生物群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，闡析了無機(jī)氮的去除途徑。

1 材料與方法

1.1 人工濕地的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

本研究采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的潮汐流人工濕地，露天放置在中國海洋大學(xué)校園內(nèi)(山東省青島市)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)期為春、夏和秋3個(gè)季節(jié)，總計(jì)185 d。實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水溫度范圍為12～28 ℃。

圖1 潮汐流人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of a TFCW system

人工濕地直徑為0.3 m、高1.0 m，填料高度為0.78 m。填料從上到下依次為：5 cm粗砂層(粒徑1～4 mm)、30 cm爐渣層(粒徑2～10 mm)、28 cm細(xì)礫石層(粒徑5～20 mm)和15 cm粗礫石(粒徑50～100 mm)。沿濕地深度設(shè)置4個(gè)水樣取樣口，距基質(zhì)表面深度(即沿程深度)分別為27、43、59和76 cm，其中76 cm取樣口與電磁閥連接，通過繼電器控制電磁閥定時(shí)排水。此外，沿濕地深度設(shè)置4個(gè)基質(zhì)取樣口，距基質(zhì)表面深度分別為0～5 cm、18～23 cm、38～43 cm和58～63 cm(編號(hào)為S1、S2、S3和S4)。濕地表面栽種2株鹽地堿蓬(Suaedasalsa(L.) Pall.)，幼株采自李村河，為一年生草本植物，多生長(zhǎng)在鹽堿地、海灘和湖邊，具有較好的耐鹽性。

廢水由蠕動(dòng)泵送入表面的布水系統(tǒng)，均勻噴撒在濕地表面，向下流動(dòng)進(jìn)入濕地內(nèi)；濕地進(jìn)水流速為230 mL·min-1，平均表面負(fù)荷為0.33 m3·(m2·d)-1。實(shí)驗(yàn)分4個(gè)階段，各階段運(yùn)行條件如表1所示。階段1、2和3運(yùn)行過程中，濕地1次潮汐(即1個(gè)周期)歷時(shí)均為24 h，但3個(gè)階段的F/R不同，以比較F/R對(duì)濕地內(nèi)污染物去除效果的影響，這3個(gè)階段進(jìn)水結(jié)束后濕地內(nèi)填料處于完全淹沒狀態(tài)。階段4在24 h內(nèi)總淹沒時(shí)間和總空閑時(shí)間與階段3相同，且24 h內(nèi)處理的水量與前3個(gè)階段相同，但階段4實(shí)驗(yàn)期間24 h經(jīng)歷2次潮汐(即1次潮汐歷時(shí)12 h)，且階段4進(jìn)水結(jié)束后淹沒期濕地處于半淹沒狀態(tài)(水位距濕地表面為43 cm，即淹沒階段濕地分為上部不飽和區(qū)和下部飽和區(qū))，以對(duì)比分析潮汐頻次和淹沒深度對(duì)濕地性能的影響。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

1.3 水質(zhì)測(cè)定和分析方法

每個(gè)階段運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，在1個(gè)周期內(nèi)每隔1 h從4個(gè)水樣取樣口采集水樣，測(cè)定污染物濃度和環(huán)境參數(shù)，重復(fù)取樣3次(1次/d)。

表1 濕地運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operational parameters of wetland

(1)

使用IBM SPSS Statistics 23軟件對(duì)各階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法(ANOVA,Analysis of variance)檢驗(yàn)不同階段污染物去除效果的差異性，當(dāng)p<0.05 時(shí)，認(rèn)為組間具有顯著性差異。

1.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，從4個(gè)基質(zhì)取樣點(diǎn)采集填料樣品，稱取20～60 g置于三角瓶中，加入40 mL PBS緩沖液，超聲振蕩30 min后置于搖床中常溫震蕩3 h(220 r/min)，使填料上的生物膜脫落并破碎，震蕩后的混合液用滅菌紗布過濾以除掉填料等雜質(zhì)，濾液為含有生物膜的混濁液，濾液置于50 mL離心管中在5 000 r/min條件下離心10 min，棄去上清液，底部沉淀物即為提取的生物膜。使用Powerful Soil DNA試劑盒(MoBio Laboratories，USA)提取生物膜中的DNA，將提取的DNA采用引物515F(5′-GTGCCAGCAGCCGCGGTAA-3′)和907R(5′-CCGTCAATTCCTTTGAGTTT-3′)通過聚合鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增16S rDNA的V4-V5高變區(qū)，擴(kuò)增產(chǎn)物提交給專業(yè)測(cè)序公司Novogene(中國北京)，在Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，測(cè)序原始數(shù)據(jù)在經(jīng)質(zhì)量過濾、去除嵌合體等質(zhì)控步驟后，以相似度97%對(duì)所有序列進(jìn)行OTU劃分，并利用SILVA、RDP classifier等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物種注釋，運(yùn)用QIIME等軟件進(jìn)行包括Alpha多樣性、Beta多樣性在內(nèi)的指數(shù)進(jìn)行多樣品比較分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 淹沒/空閑時(shí)長(zhǎng)比對(duì)污染物去除效果的影響

各階段濕地運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)出水環(huán)境參數(shù)見表2。

表2 進(jìn)出水環(huán)境參數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 2 Average values of environmental parameters of influent and effluent (mean ± SD)

F/R為13.2 h/8.8 h和14.5 h/7.5 h時(shí)，出水水溫均高于進(jìn)水水溫，可能是階段1和階段2的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定期為夏季(6—8月)，較長(zhǎng)時(shí)間的太陽照射提高了濕地內(nèi)水溫。各階段出水DO 含量均明顯低于進(jìn)水(p<0.05)，這是因?yàn)闈竦靥幱谘蜎]狀態(tài)時(shí)好氧微生物氧化有機(jī)物和氮的過程會(huì)消耗水中溶解氧，導(dǎo)致出水DO水平下降。淹沒時(shí)間較長(zhǎng)的階段2和階段3的出水DO濃度低于淹沒時(shí)間較短的階段1，說明淹沒時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致濕地內(nèi)DO水平下降；此外，階段4的出水DO濃度高于階段3，說明總淹沒時(shí)間相同時(shí)增加潮汐流頻次有利于濕地復(fù)氧。

階段1、2和4 條件下出水 pH 均低于進(jìn)水，這與階段1、2中淹沒反應(yīng)時(shí)間較短、反硝化釋放的堿度較少有關(guān)；階段4經(jīng)歷2次潮汐流，強(qiáng)化了濕地復(fù)氧，更有利于硝化作用和有機(jī)物氧化，但弱化了反硝化作用和堿度的釋放。對(duì)于階段1、2和3來講，出水pH隨F/R增大和濕地淹沒時(shí)間增加而升高，階段3時(shí)F/R最大、出水pH最高，且略高于進(jìn)水，這可以從階段3淹沒時(shí)間較長(zhǎng)、反硝化反應(yīng)較充分、產(chǎn)生堿度較多來解釋。

圖2 F/R對(duì)污染物去除的影響Fig. 2 The effect of F/R on the pollutant removal efficiency

各F/R條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，COD去除效果均較好，F(xiàn)/R為13.2 h/8.8 h時(shí)，COD去除率高達(dá)98.17%，F(xiàn)/R增加至14.5 h/7.5 h和15.5 h/6.5 h后，COD去除率分別降至88.72%和91.96%，說明延長(zhǎng)淹沒時(shí)間、減少空閑時(shí)間會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物去除效率下降，這是因?yàn)殡S淹沒時(shí)間的增加使?jié)竦貎?nèi)DO含量降低(如表2所示)，導(dǎo)致有機(jī)物氧化效能降低。F/R為7.75 h/3.25 h條件下，COD去除率(93.10%)比F/R為15.5 h/6.5 h階段略高，這可歸因于前者比后者多了1次潮汐流，促進(jìn)了濕地復(fù)氧，從而有利于有機(jī)物的氧化分解。表2中顯示的階段4出水DO濃度高于階段3的結(jié)果可以支持這種解釋。

2.2 淹沒期氮沿程分布

((a)～(d)分別為F/R (h/h)=13.2/8.8、14.5/7.5、15.5/6.5和7.75/3.25。 (a)～(d) represent the F/R (h/h)=13.2/8.8、14.5/7.5、15.5/6.5 and 7.75/3.25, respectively.)

((a)～(d)分別為F/R (h/h)=13.2/8.8、14.5/7.5、15.5/6.5和7.75/3.25). (a)～(d) represent the F/R (h/h)=13.2/8.8、14.5/7.5、15.5/6.5 and 7.75/3.25, respectively.)

2.3 微生物群落的豐富度和多樣性

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)取不同深度填料樣品，采用高通量測(cè)序技術(shù)分析了濕地內(nèi)不同深度細(xì)菌和古菌群落的豐富度和多樣性，結(jié)果見表3。通過對(duì)相似度為97%以上的序列進(jìn)行聚類分析，得到3 473個(gè)OTUs。所有樣品的測(cè)序覆蓋率均超過99%，說明測(cè)序的結(jié)果涵蓋了絕大部分的物種，能夠有效地反映微生物的豐富度和多樣性[20]。微生物豐富度由Chao1和ACE指數(shù)表示，濕地內(nèi)細(xì)菌和古菌的豐富度均隨深度增加而明顯提高，較深的爐渣層和礫石層中微生物的豐富度較頂部的粗砂層更高，可能是由于爐渣的多孔結(jié)構(gòu)和礫石粗糙的表面結(jié)構(gòu)為微生物提供了適宜的生存環(huán)境，有利于微生物富集[17]。微生物多樣性由Shannon和Simpson指數(shù)表示，隨深度增加細(xì)菌多樣性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在18～23 cm深度達(dá)到最高；隨深度增加古菌多樣性呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在0～5 cm表層最高。另外，濕地各層中細(xì)菌的豐富度和多樣性均高于古菌，這可能由于細(xì)菌更容易在充氧條件良好的濕地系統(tǒng)中富集，在Pelissari等[21]利用垂直流人工濕地進(jìn)行生物脫氮的研究中也有類似的報(bào)道。

2.4 微生物在門水平的群落結(jié)構(gòu)

相對(duì)豐度最高的古菌門為奇古菌(Thaumarchaeota，37.20%～81.80%)，是人工濕地好氧/缺氧環(huán)境中常見的氨氧化古菌[27-28]，曾有報(bào)道在垂直流人工濕地中擁有很高的豐度(57.00%)[29]。本研究濕地中檢測(cè)出高豐度的奇古菌，說明該菌門在潮汐流人工濕地脫氮過程中發(fā)揮了重要作用。

表3 濕地內(nèi)微生物群落豐富度和多樣性Table 3 Diversity and richness of the microbial community in wetland

表4 古菌群落在門水平的分布Table 4 Microbial composition of archaea at phylum level %

圖5 細(xì)菌群落在門水平的分布Fig. 5 Microbial composition of bacteria at phylum level

2. 5 微生物在屬水平的群落結(jié)構(gòu)

濕地內(nèi)不同深度微生物群落在屬水平的分布見圖6。不同深度處細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌屬差異較大，0～5 cm、18～23 cm、38～43 cm和58～63 cm深度的優(yōu)勢(shì)菌屬分別為植物內(nèi)生中村氏菌(Nakamurella，6.20%)和獨(dú)島桿菌(Dokdonella，6.00%)、冷單胞菌(Psychromonas，8.20%)和植物內(nèi)生中村氏菌(5.00%)、冷單胞菌(10.30%)和植物內(nèi)生中村氏菌(5.10%)、冷單胞菌(15.70%)和海洋白紅細(xì)菌(Albirhodobacter，9.40%)。冷單胞菌除在表層(0～5 cm)中相對(duì)豐度較低(0.30%)外，在其他深度均為優(yōu)勢(shì)菌屬，且相對(duì)豐度隨深度增加而增加(從0.30%增加到15.7%)；冷單胞菌為嗜鹽菌，在濕地下部飽和區(qū)污水與填料接觸時(shí)間較長(zhǎng)，因而更有利于嗜鹽的冷單胞菌屬富集；冷單胞菌具有降解有機(jī)物的功能[30]，且能促進(jìn)生物膜的形成[31]。據(jù)報(bào)道，在處理非含鹽廢水的TFCW中沒有檢測(cè)到冷單胞菌[32]。

圖6 微生物群落在屬水平的分布Fig. 6 Microbial distribution of microbial at genus level

本研究檢測(cè)到的反硝化菌屬(DNB)大部分屬于變形菌門，其中相對(duì)豐度較高的為獨(dú)島桿菌(Dokdonella，1.40%～6.00%)和植物內(nèi)生中村氏菌(Nakamurella，1.30%～6.20%)，兩個(gè)菌屬的相對(duì)豐度均隨濕地深度的增加而降低，0～5 cm深度處相對(duì)豐度分別為6.00%和6.20%，在58～63 cm深度處相對(duì)豐度降低至1.70%和1.30%。獨(dú)島桿菌和植物內(nèi)生中村氏菌均為異養(yǎng)反硝化菌[36-37]，本研究濕地內(nèi)COD濃度隨深度增加明顯降低(見圖4)，即隨深度增加異養(yǎng)反硝化所需的碳源減少，這不利于濕地深處異養(yǎng)反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，因而使獨(dú)島桿菌和植物內(nèi)生中村氏菌的相對(duì)豐度隨深度增加而降低。

本研究濕地中只檢測(cè)到1個(gè)相對(duì)豐度大于0.5%古菌屬Candidatus_Nitrosoarchaeum，屬于奇古菌門，是一種具有氨氧化功能的古菌[25,32]。Candidatus_Nitrosoarchaeum在各深度處的相對(duì)豐度均很高，在0～5 cm、18～23 cm、38～43 cm和58～63 cm深度的豐度分別為33.90%、78.00%、72.50%和44.50%，可知Candidatus_Nitrosoarchaeum屬是本研究濕地中重要的氨氧化古菌，在濕地脫氮過程中發(fā)揮了重要作用，這與前人的研究結(jié)果一致[38-39]。此外，比較而言，Candidatus_Nitrosoarchaeum在表層和底部的豐度較低(分別為33.90%和44.50%)，在中部的豐度較高(72.50%～78.00%)，說明濕地中部好氧/缺氧的兼性環(huán)境更有利于其生長(zhǎng)繁殖，這與Bouali等[38]的研究結(jié)果類似。

3 結(jié)論

(2)濕地內(nèi)不同深度處微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異，表層細(xì)菌的豐富度和多樣性均明顯低于深層；表層古菌的豐富度低于深層，而表層古菌的多樣性明顯高于深層；濕地內(nèi)各深度處細(xì)菌的豐富度和多樣性均明顯大于古菌。

(3)濕地內(nèi)檢測(cè)到的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門是變形菌(Proteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)、放線菌(Actinobacteria)、綠彎菌(Chloroflexi)、酸桿菌(Acidobacteria)和浮霉菌 (Planctomycetes)；優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬為植物內(nèi)生中村氏菌(Nakamurella)、獨(dú)島桿菌(Dokdonella)、冷單胞菌(Psychromonas)和海洋白紅細(xì)菌(Albirhodobacter)。相對(duì)豐度最高的古菌門是奇古菌(Thaumarchaeota)，優(yōu)勢(shì)古菌屬是Candidatus_Nitrosoarchaeum。

(4)濕地中檢測(cè)到的氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌是亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌(Nitrospira)，主要反硝化細(xì)菌是獨(dú)島桿菌(Dokdonella)和植物內(nèi)生中村氏菌(Nakamurella)。氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌在濕地中下部豐度較高，反硝化細(xì)菌在濕地中上部豐度較高；硝化細(xì)菌的豐度遠(yuǎn)低于反硝化細(xì)菌。