复合垂直流水平流人工湿地净化效果及菌落多样性研究

贾树胜，黄 明，刘绍根，王 坤

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

人工湿地是为了加强废水处理的自然过程而设计和建造的大型工程污水处理系统。人工湿地因其投资低、可持续、美观环保、操作简单等诸多优点，已经得到广泛普及[1-2]。相关研究发现，微生物在人工湿地中发挥了极大作用[3]。梁威等[4]实验结果表明，CODCr的去除与人工湿地中微生物的数量存在极大相关性。卢少勇等[5]实验发现，人工湿地中硝化、反硝化细菌与氨氮和TN的去除有关。Stottmeister[6]等发现人工湿地中单胞菌数量与总磷的去除具有显著的相关性。杜刚[7]发现不同类型人工湿地中微生物分布及对污染物去除效果存在差异。本文采用复合垂直流-水平流人工湿地，以探讨该系统对低污染河水中主要污染物的去除效果。借助Illumina MiSeq高通量测序法，研究各湿地单元中微生物菌落结构与功能变化，进而分析微生物菌落多样性与丰富度变化。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本次人工湿地系统由复合垂直流人工湿地单元和水平流人工湿地单元组成，共设置3级湿地单元，各级湿地单元之间利用集水井衔接。复合垂直流是由两级垂直流湿地单元串联组成，每级垂直流湿地单元进出水顺序依次为垂直下行流和垂直上行流。水平流人工湿地采用一般推流式进出水方式。各湿地单元的尺寸为长8 m、宽2 m、高1.5 m，集水井的尺寸为长0.7 m、宽2 m、高1.5 m。每级湿地单元上均匀种植64株美人蕉。垂直流人工湿地单元的基质从上到下依次为土壤层0.3 m厚、填料层1.1 m厚(上层为5～7 cm碎石厚0.4 m，中层为3～5 cm砾石厚0.4 m，底层为1～3 cm沸石厚0.3 m)。水平流人工湿地单元的基质沿水流方向依次为5～7 cm碎石、3～5 cm砾石、1～3 cm沸石。本次人工湿地系统采用24 h连续进水的方式。

1.2 实验用水和微生物样品的采集

2019年3月系统开始运行，实验用水从巢湖市西撇洪沟(低污染河水)通过潜污泵提升至水箱后，自流进入湿地系统。6月份运行稳定后，开始连续运行并采集水样和监测水质，进水水质如表1所示。各级湿地单元的进出水在集水井和出水口进行采集，依次记为A1、A2、A3。微生物样品的采集取自第一级、第二级和第三级湿地单元中美人蕉根系，为了保证实验数据的可靠性，在各级湿地单元平均设置6个取样点，将6个取样点的美人蕉根系均匀混合为一个独立的样品，3个湿地单元的微生物样品依次记为B1、B2、B3。

表1 人工湿地进水水质

1.3 实验方法

本次检测的主要污染指标分别为氨氮、TN、TP和COD，其主要分析方法如表2所示。微生物检测借助于第三方检测机构，采用Illumina Miseq高通量测序法[8]对含有微生物的美人蕉根系进行检测。

2 结果与讨论

2.1 复合垂直流水平流人工湿地净化效果分析

湿地系统中氨氮、TN、TP、COD的浓度和去除率变化如图1～图4所示。

图1 各湿地单元对氨氮的去除效果 图2 各湿地单元对TN的去除效果

图3 各湿地单元对TP的去除效果 图4 各湿地单元对COD的去除效果

从图1～图4可以看出，复合垂直流水平流人工湿地对各污染物净化效果明显，污染物的浓度沿水流移动方向不断降低，对氨氮、TN、TP、COD的去除率为82.5%、84.0%、61.0%、67.9%。主要原因来自于植物、基质和微生物之间共同作用的结果。

由于垂直流人工湿地具有良好的充氧条件，有利于硝化反应过程的顺利进行，并且能完成对氨氮、TN的高效去除。从图1和图2可以看出，关于氨氮、TN的去除效果，垂直流湿地单元比水平流湿地单元更具优势，但水平流湿地单元仍能有效地降低低污染河水的氨氮和TN的浓度。从图3和图4可以看出，复合垂直流-水平流人工湿地各单元对TP去除较为均衡，COD的去除率较高。

2.2 微生物菌落结构与功能的分析

根据3组样品在“门”分类水平上的菌落结构组成，研究各级湿地单元中微生物多样性，进一步分析各湿地单元中微生物的污水处理作用。各级湿地单元中细菌在“门”分类水平上的分布如图5所示。在B1、B2、B3三组样品中，细菌种类和比例不尽相同。Cyanobacteria(蓝细菌门)和Proteobacteria(变形菌门)在样品中占据较大优势。Cyanobacteria可有效去除废水中的TN和TP。Cyanobacteria在3级人工湿地单元的丰度分别为39.3%、57.8%、61.0%，水平流人工湿地单元中Cyanobacteria的丰度明显高于垂直流人工湿地单元。Proteobacteria类微生物中包含硝化、亚硝化、反硝化细菌，具有良好的硝化脱氮功能，有利于氨氮的吸收和去除。Proteobacteria在3级人工湿地单元中的丰度分别为56.1%、31.6%、27.8%，主要富集于第一级垂直流人工湿地单元，明显高于第二、三级人工湿地单元。另外，Bacteroidetes(拟杆菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)等在人工湿地中也发挥一定的作用。

图5 细菌在“门”分类水平上的分布

2.3 微生物菌落多样性分析

借助Illumina MiSeq高通量测序法对美人蕉根系中微生物菌落多样性进行分析，3组样品中菌落多样性分析情况如表3所示。

表3 样品多样性及丰度指数统计

注：*—样品多样性指数，数值大小与群落多样性呈正比；**—样品丰富度指数，数值大小与群落丰富度呈正比。

从Simpson和Shannon指数可以看出，因环境和营养物质变化，各级湿地单元中菌落多样性沿水流移动方向逐渐降低，垂直流湿地单元的菌落多样性高于水平流湿地单元。从Chao1和ACE指数可以看出，在复合垂直流湿地阶段，Chao1和ACE指数逐渐增大，随着环境条件的改变，在水平流湿地单元略有降低，表明垂直流湿地单元的菌落丰富度略高于水平流湿地单元。

3 结 语

(1)复合垂直流水平流人工湿地处理低污染河水效果显著，各污染物去除率分别为82.5%(氨氮)、84.0%(TN)、61.0%(TP)、67.9%(COD)。

(2)垂直流人工湿地和水平流人工湿地中的微生物菌落结构相似性较高，均有各自的优势菌群，Cyanobacteria(蓝细菌门)和Proteobacteria(变形菌门)在垂直流和水平流人工湿地较丰富。

(3)垂直流人工湿地的菌落多样性和丰富度高于水平流人工湿地。