垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果.pdf

中国环境科学 2023,43(8)：39563965 China Environmental Science 何 强,胡书山,向泽毅,等.垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果 J.中国环境科学,2023,43(8):3956-3965.He Q,Hu S S,Xiang Z Y,et al.Study on the nitrogen removal ability of vertical flow constructed wetland treating tailwater of sewage plant J.China Environmental Science,2023,43(8):3956-3965.垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果 何 强1,胡书山1,向泽毅2,朱 越2,张凌凌2,杨雨静1,程 呈1*(1.重庆大学,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045；2.长江重庆航道工程局,重庆 400011)摘要：以污水厂尾水作为处理对象,将椰棕-陶粒(实验组 1,YTCW),砾石-陶粒(实验组 2,LTCW),砾石-石英砂(对照组,CCW)组合基质的垂直流人工湿地作为研究对象,探究不同组合基质人工湿地在冬、夏两季对模拟污水厂尾水的氮污染物去除效果和转化机制.结果表明,夏季 3 组人工湿地装置对于氨氮、硝氮都有较好的去除效果和较低的氧化亚氮释放通量;冬季实验组氨氮和硝氮去除率与对照组相比分别提升了 23.8%、26.9%和 32.2%、34.0%,且典型周期内氧化亚氮的平均释放通量由 1.17mg/(m2h)降低为 0.18mg/(m2h)和 0.03mg/(m2h);高通量测序分析结果表明,相较于对照组,陶粒和椰棕作为人工湿地基质可以提高脱氮功能微生物的相对丰度,从而改善低温人工湿地脱氮效果下降的问题.关键词：垂直流人工湿地；陶粒；脱氮；氧化亚氮 中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2023)08-3956-10 Study on the nitrogen removal ability of vertical flow constructed wetland treating tailwater of sewage plant.HE Qiang1,HU Shu-shan1,XIANG Ze-yi2,ZHU Yue2,ZHANG Ling-ling2,YANG Yu-jing1,CHENG Cheng1*(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Regions Eco-Environment,State Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China；2.Changjiang Waterway Engineering Bureau,Chongqing 400011,China).China Environmental Science,2023,43(8)：39563965 Abstract：Three groups of vertical flow constructed wetlands,filled with coconut fiber and ceramsite(experimental group 1,YTCW),gravel and ceramsite(experimental group 2,LTCW),and gravel quartz sand(control group,CCW),respectively,were employed to treat synthetic tailwater of the sewage plant.Nitrogen pollutants removal efficiency and transformation mechanisms in winter and summer were explored.The higher removal efficiency of ammonium and nitrate,as well as lower emission flux of nitrous oxide,were observed in summer than in winter.In winter,the removal efficiency of ammonia nitrogen increased by 23.8%(YTCW)and 26.9%(LTCW)compared with CCW.Nitrate removal efficiency in the experimental group was 32.2%(YTCW)and 34.0%(LTCW)higher than those in CCW.The average nitrous oxide emission flux in a typical cycle was 0.18mg/(m2h)(YTCW),0.03mg/(m2h)(LTCW)and 1.17mg/(m2h)(CCW),respectively.The results of high-throughput sequencing showed that the relative abundance of nitrogen removal functional microorganisms was increased in experimental groups than control,which could improve the nitrogen removal efficiency of constructed wetlands under low temperatures.Key words：vertical flow constructed wetland；ceramsite；nitrogen removal；nitrous oxide 据统计,2020 年全国废水总氮和氨氮的排放量较 2019 年提高了 112%和 174%1,水中氮污染物浓度的增加会直接和间接地影响环境健康2,因此,脱氮效率在污水处理过程中受到高度重视.目前部分污水厂的氨氮和总氮排放仍然按照一级 B 标准(15和20mg/L),分别是一级A标准中氨氮和总氮排放标准(8 和 15mg/L)的 1.8 倍和 1.3 倍,过量的氮排放进入自然水体会造成水体富营养化等严重的生态问题.人工湿地因其成本低,维护简单,景观价值高等优点被用于污水处理厂尾水的提标改造3.但是目前人工湿地处理效果受季节变化影响较大,从而限制了其推广及应用4.因此,有必要研究在低温条件下提高人工湿地污水脱氮效率的有效途径.人工湿地基质配置会影响微生物生长条件,从而减轻低温对于人工湿地污水处理的不利影响5.在冬季,砾石、石英砂等基质构建的传统人工湿地会由于植物落叶而出现堵塞问题,从而导致内部氧气供应不足和污染物传质效率下降,大大降低了污染物的去除效率6.有研究证明选用具有多孔结构的材料作为人工湿地的基质能够缓解低温对于人工湿地污水处理的不利影响7.例如,生物炭具有较高 收稿日期：2023-01-09 基金项目：国家自然科学基金(U20A20326,52100112)*责任作者,副研究员, 8 期 何 强等：垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果 3957 的孔隙率和比表面积,可为反硝化细菌提供大量的附着位点,其作为人工湿地基质有助于提高低温条件下反硝化效率8,但是由于生物炭成本(约50元/kg)较高,如果在构建湿地系统中大量使用生物炭,势必会导致建设成本大大提高.因此,在低温条件下利用同样具有孔隙率高、比表面积大等特点且价格更加低廉的陶粒(约 5 元/kg)作为基质构建人工湿地是更好地选择,相关研究表明陶粒作为基质的人工湿地系统也能够有效去除含氮污染物,其中氨氮去除率可达 70%以上9.此外,曹和张10发现以稻草作为填充基质相较塑料作为填充基质构建的生态浮床NH4+-N 和NO3-N 去除率分别提高了 19.8%和 75.2%,并且稻草生态浮床上有更多脱氮微生物的富集.椰棕与稻草结构相似,比表面积大,具有较好的生物亲和力,可以为微生物提供更多的繁殖空间,还有相关研究将其作为单级自养脱氮工艺系统的填料 11,而目前对于椰棕和陶粒两种基质构建的湿地系统在低温条件下能否提升对污水厂尾水脱氮效果尚不清楚.因此,本研究通过构建陶粒和椰棕、陶粒和砾石以及砾石和石英砂 3 种不同组合基质的人工湿地系统,探究其冬、夏两季污染物去除情况,通过元素平衡分析、污染物转化动力学分析和微生物高通量测序来解析湿地系统的氮转化机制,预期为人工湿地系统运用于污水厂尾水处理提供理论参考.1 材料与方法 1.1 实验装置 实验系统建于重庆大学三峡库区生态环境教育部实验室内,实验设置了 3 组人工湿地小试系统,装置如图 1 所示,装置采用直径为 20cm,高度为60cm 的亚克力圆柱体,底部设有出水口,用于水质常规监测的取样;装置背部每隔 15cm 设有基质取样口,用于后续基质表面生物膜的采集.实验总共设置了3组基质条件,分别为椰棕-陶粒组(YTCW),砾石-陶粒组(LTCW)和砾石-石英砂组(CCW).其中 YTCW最上层基质铺设高度约 15cm 的椰棕,中间层填充了约 20cm 的硅酸盐陶粒;LTCW 最上层基质铺设约15cm 的砾石,中间层填充了约 20cm 的硅酸盐陶粒;CCW 最上层基质铺设高度约为 15cm 的砾石,中层基质添加了高度约 20cm 的石英砂;3 组底部的承托层均填充了高度约为 15cm 的大块砾石.湿地植物选择的是生长适应性较强的典型湿地植物风车草(Cyperus involucratus Rottboll).植物购自于四川宜宾,使用 10%霍格兰营养液12培养 2周后,选择生长状况相近的植物种植于系统中,种植密度为 40 株/m2.模拟污水(一级 B 标)(a)YTCW 组(b)LTCW 组(c)CCW 组 出水口出水口出水口 图 1 垂直流人工湿地实验装置示意 Fig.1 Schematic of vertical flow constructed wetlands 1.2 运行条件 进水按城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)13中一级 B 标准配置.模拟污染物由葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、KNO3配制而成,其中 COD浓度为 60mg/L;NH4+-N 浓度为 8mg/L,NO3-N 浓度为 12mg/L,PO43-浓度为1mg/L.各系统均采用间歇进3958 中 国 环 境 科 学 43 卷 出水的运行方式,水力负荷为 0.12m3/(m2d),水力停留时间为 7d.在实验开始前,接种鸡冠石污水厂(重庆,中国)二沉池污泥于湿地系统中,并采用人工配置的污水进行驯化,以形成稳定的生物膜.驯化一个月后,开始进行常规水质监测试验,实验总共运行248d.1.3 样品采集与分析方法 1.3.1 水样采集及分析方法 待系统运行稳定后,在实验周期的第 1,4,7d 分别对进、出水水质进行监测.选取冬季(153)和夏季(303)的一个典型实验周期在进水后的第 6,12,24,48,72,96,120,144,168h 进行水质监测.水质监测指标包括NH4+-N、NO3-N、NO2-N,监测方法按照水和废水监测分析方法(第四版).所测水质样品均在取样后经 0.45m 滤膜过滤并立即监测.1.3.2 气体采集及分析 氧化亚氮(N2O)气体的排放通量采用静态箱法测定.在采集时,为各实验装置配置了气体采集罩.气体采集罩为圆柱形(20cm 40cm);罩体材料为亚克力材料,顶部设有风扇以确保罩内气体混合均匀;上部设有采样口,同时内部还设有温度、气压探头以方便实时测量.于冬季和夏季水质条件稳定后进行 N2O 气体释放通量测定,在进水后2h内每隔30min用注射器抽取采集罩中10mL气体,气体样品采集后,立即用气相色谱仪(岛津,GC-2010,日本)测定,并根据不同时间的气体含量来计算 N2O 的释放通量.计算公式如下:000d=dc MPTFHt VPT(1)式中:F 为气体通量,mg/(m2h);dc/dt 为采样时气体含量随时间变化速率,mm3/(m3h);M 为被测气体摩尔质量,g/mol;P为静态箱内气压,Pa;T为取样阶段的平均温度,K;V0为标准状态下的气体摩尔体积,ml/mol;P0为标准状态下的气压,Pa;T0为标准状态下的温度,K;H 为水面以上采样箱高度,m.1.3.3 基质表面微生物样品采集及高通量测序分析 分别在冬、夏两季实验周期结束时,从装置背面基质取样口挖取不同实验装置各层的基质材料体积约50mL,放入100mL塑料瓶中加入磷酸盐缓冲液,振荡 12h 收集液体后以 6000r/min 转速离心 5min,离心 3 次,取沉淀物用于提取 DNA 样品.通过E.Z.N.A.Soil DNA Kit(Omega Bio-Tek,美国)试剂盒提取 DNA.用引物 515F(GTGCCAGCMGC-CGCGG)和 907R(CGTCAATTCCTTTGAGTTT)扩增细菌 16s 基因的 V4-V5 区域.扩增条件为:98(3min)初始变性,然后进行 27 个循环,包括 95变性30s,55退火 30s,72延伸 45s,最后 72延伸10min.委托上海美吉生物医药科技有限公司利用Miseq PE300 平台进行测序分析.1.4 氮元素平衡分析 人工湿地中氮的去除主要依靠基质吸附和微生物自身合成代谢利用,出水排出的含氮化合物,植物吸收,微生物的分解代谢释放气体(一氧化氮、N2O和氮气)以及其他形式流失的氮.由于 3 组装置中植物的种类、种植密度等种植条件控制相同,且植物吸收对于氮吸收作用较小14,故本实验并没有考虑植物吸收的作用.出水排出的含氮化合物计算公式如下:outout,out,=1=niiiNCV(2)式 中:Cout,i为 运 行 周 期 内 每 次 出 水 总 氮 的 含量,mg/L;Vout,i为运行周期内每次出水的体积,L.基质吸附的氮的计算公式如下:sdsd1sdsd0sd=NC WC W(3)式中:Nsd为基质吸附的氮,mg;Csd1和Csd0分别为实验结束和开始时基质中氮含量,mg/g;Wsd为所取基质的重量,g.微生物释放的 N2O 气体的计算公式如下:22N ON O=FStMNM(4)式中:2N ON为微生物释放的 N2O 的氮,mg;2N OF为N2O 的释放通量,mg/(m2d);S 为湿地装置的横截面积,m2;t 为实验运行时间,d;M 为 N2O 的相对分子量;M为 N 的相对分子量.其他形式流失的氮的计算公式如下:otherininoutsdN O12n,i,ii=N=C VNNN(5)式中:Nother为其他形式流失的氮,mg;Cin,i为运行周期内每次进水总氮的含量,mg/L;Vin,i 为运行周期内每次进水的体积,L.1.5 统计分析 数据统计分析采用 Excel 2020 软件,图表绘制采用 Origin Pro 2018C,通过 SPSS 22.0 软件对数据进行相关性分析和显著性检验,采用单因素方差进行分析.8 期 何 强等：垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果 3959 2 结果与分析 2.1 不同组合基质人工湿地的污水处理效果 3组湿地装置长期运行过程中NH4+-N、NO3-N和 NO2-N 的浓度变化如图 2 所示.由图 2(a)可知,YTCW 和 LTCW 组的平均 NH4+-N 去除率分别为 84.1%和 86.0%,而 CCW 组的平均 NH4+-N 去效率仅为 71.6%;如图 2(b)所示,LTCW 和 YTCW 组的NO3-N 平均去除率分别为 66.4%和 62.7%,均显著高于 CCW 组(45.7%)(p0.05)(图 2(a).这主要是由于参与硝化过程的微生物在 540内能正常生长,微生物会对季节引起的温度变化产生适应性16,从而导致夏冬两个季节的 NH4+-N 去除效果不具有显著差异.但是,季节变化对湿地装置中 NO3-N 的去除效率影响显著,YTCW,LTCW 和 CCW 3 组装置冬季(55.9%,56.7%和 42.3%)对 NO3-N 的去除率相较于夏季(77.9%,77.3%和 59.9%)分别降低了 28.2%,26.6%和29.4%.由此可见,反硝化过程受到温度变化影响更大,因为反硝化菌的最适温度为 3017,冬季温度降至(153),反硝化过程受到抑制,从而致使 NO3-N的累积.值得注意的是,YTCW 和 LTCW 组的NO3-N 去除效果相较于 CCW 组受温度影响更小,说明陶粒作为基质能够改善湿地装置冬季 NO3-N去除率下降的问题.综上可得,在较低温度条件下,陶粒作为基质时,湿地装置氮污染物出水浓度仍能满足一级 A 标准,其中 NH4+-N 浓度甚至可以达到 地表水环境质量标准(GB 3838-2002)规定的地表 V类水标准18.2.2 典型周期内氮污染物去除效果 为了探究一个水力停留时间内湿地系统中污染物的变化规律,分别于夏、冬两季对一个典型周期内的污染物出水浓度进行了监测(图 3).在两个季节中,YTCW 和 LTCW 组对 NH4+-N 的去除率均高于CCW 组.在冬季,YTCW 和 LTCW 组在进水 96h 后对于 NH4+-N 的去除率达到 90.0%以上,最终去除率可达 83.0%和 86.3%.在夏季,YTCW 和 LTCW 组在进水 96h 后对于 NH4+-N 的去除率可达到 93.5%和91.3%,最终去除率可达 97.9%和 96.4%.而 CCW 组在冬季和夏季时,NH4+-N 最高去除率仅为 63.5%和87.6%.孟盼盼等人19使用陶粒作为单一湿地基质时,NH4+-N 去除率仅为 40%50%,本实验通过陶粒与其他基质组合明显提升了 NH4+-N 的去除效果.在冬夏两个季节中,YTCW 和 LTCW 组对NO3-N 的去除率均高于 CCW 组.冬季 YTCW 和LTCW 组 NO3-N 的去除率相较于 CCW 组分别提升了 31.2%和 35.8%(图 3(b),夏季 YTCW 和 LTCW组对于 NO3-N 的去除率相较于 CCW 组分别提升了 14.2%和 13.9%(图 3(a).此外,在冬季 CCW 组有明显 NO2-N 积累,最终出水 NO2-N 浓度高达8.25mg/L,而 YTCW 组和 LTCW 组最终出水浓度仅为0.50和0.85mg/L(图3(a).在夏季3组装置NO2-N积累较少,且 YTCW 组(0.03mg/L)和 LTCW 组(0.04mg/L)的 NO2-N 积累仍远小于 CCW 组(0.35mg/L).综上所述,含有陶粒的实验装置去除效率较高,并且受季节变化影响较小,说明陶粒基质有3960 中 国 环 境 科 学 43 卷 利于缓解低温造成的人工湿地脱氮效率大幅下降的问题.图 3 夏、冬季典型周期内氮污染物去除情况 Fig.3 Concentrations and removal efficiency of nitrogen pollutants in a typical cycle in summer and winter 为了进一步探究不同基质组合对于氮转化的影响,对一个典型周期内不同湿地系统污染物降解速率进行拟合,如图 4 所示.在冬季,实验装置进水后的前 12h,LTCW 组的 NH4+-N 降解速率最快(0.57mg/(Lh),其次是 YTCW(0.50mg/(Lh),CCW组速率最低(0.41mg/(Lh),但 12h 后,YTCW 组的NH4+-N 的降解速率(0.03mg/(Lh)却高于另外两组.在夏季,LTCW 和 YTCW 组的 NH4+-N 降解速率分别为0.67和0.48mg/(Lh),而CCW组较冬季在前12h NH4+-N 降解速率明显升高(0.62mg/(Lh),随后NH4+-N 便几乎不再降解.陶粒等材料对于 NH4+-N的吸附主要是通过物理吸附和离子迁移两种作用,该过程表现为先快速吸附,后缓慢平衡的特点20,而因为陶粒表面粗糙,内部的多孔结构使得陶粒的吸附容量高于砾石、石英砂,从而使得在降解初期含有陶粒的湿地装置有较高的降解速率.图 4(c),(d)展示了湿地装置在夏、冬季 NO3-N 的浓度变化速率.在夏季,3 组湿地装置的 NO3-N 在前 12h 快速降解,3组装置降解速率排序为:YTCW 组(0.79mg/(Lh)CCW 组(0.70mg/(Lh)LTCW 组(0.60mg/(Lh),12h后 LTCW 和 CCW 组以 0.05 和 0.04mg/(Lh)的速率降解 144h,而 YTCW 能够在 72h 内以 0.08mg/(Lh)的降解速率完成对 NO3-N 的降解.在冬季,3 组装置前 12h 的降解速率较夏季均有所下降.虽然 CCW 组前 12h NO3-N 降解速率在 3 组装置中是最快的(0.53mg/(Lh),但是 12h 后 NO3-N 浓度又有所提高并以 0.03mg/(Lh)进行降解,NO3-N 浓度升高可能是因为基质微生物硝化作用将 NH4+-N 转化为NO3-N21.对 于NO3-N,YTCW(0.32mg/(Lh)和LTCW 组(0.19mg/(Lh)在前 12h 中冬季降解速率较夏季分别下降 59.5%和 68.3%,随后两组降解速率又下降至 0.04 和 0.05mg/(Lh),且两组 NO3-N 最终出水浓度相近.YTCW组在前期对于NO3-N的降解速率要明显优于 LTCW 组,主要是因为陶粒表面的多孔结构容易附着生物膜,加强了陶粒对氮污染物的吸附能力,然后通过反硝化作用去除 NO3-N22,而YTCW 组中椰棕的引入可能为反硝化过程提供了碳源,从而促进了反硝化过程的进行,使得 YTCW 组能够保持一个相对较高的 NO3-N 降解速率.综上所述,虽然椰棕和陶粒的组合不能进一步提升 NH4+-N的降解效果,却能够提高湿地装置夏季 NO3-N 的降解速率和减轻低温造成的 NO3-N 还原速率下降.8 期 何 强等：垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果 3961 图 4 典型周期内 NH4+-N 和 NO3-N 浓度随时间变化及速率拟合 Fig.4 Reduction and model fit of NH4+-N and NO3-N in a typical cycle 2.3 典型周期内 N2O 气体释放规律 N2O气体是由微生物硝化过程和反硝化过程产生的中间产物23,目前已经证实 N2O 是温室气体的主要潜在来源之一24.因此,有必要对 3 组湿地装置的 N2O 气体释放通量进行测量分析.本研究分别于冬季、夏季对人工湿地系统温室气体释放情况进行持续一周的收集监测(图 5).由图 5 可见,冬季 CCW组(1.17mg/(m2h)的 N2O 平均释放通量明显高于YTCW 组(0.18mg/(m2h)和 LTCW 组(0.03mg/(m2h).微生物完整的脱氮过程是将 NO3-还原为N2(NO3-NO2-NON2ON2),该过程受到 NO3-浓度、可利用碳源、温度和 pH 值等多重因素的影响25.YTCW 组和 LTCW 组的 N2O 释放通量明显低于 CCW 组,这可能是由于陶粒为反硝化细菌提供更有利的生存条件,如更好的附着点和截留更多的污染物26,有利于 NO3-被还原为 N2,而 CCW 组中的砾石和石英砂并不能为微生物提供实现完全反硝化的有利条件,从而导致 NO3-积累和 N2O 的大量释放.与冬季相比,3组装置夏季的N2O释放通量有所降低.夏季CCW组的N2O最大释放通量为0.39mg/(m2h),而 YTCW 组和 LTCW 组的 N2O 最高释放通量仅为0.09 和 0.11mg/(m2h).温度作为影响硝化和反硝化过程的重要因素27,夏季较高的温度有利于完全反硝化过程进行,使得夏季的 N2O 释放通量普遍低于冬季 N2O 的释放通量.值得注意的是,YTCW 组在引入了椰棕作为基质后,N2O 释放通量在冬季第 2、3d和夏季第 2d 明显高于 LTCW 组,造成这种结果的原因可能是椰棕可作为碳源,它能促进反硝化过程的进行并导致更多的 N2O 产生28-29.此外还有研究表明,NO3-也会影响N2O的释放,因为NO3-比N2O更容易接受电子30,NO3-会与 N2O 竞争碳源释放的电子,从而导致 N2O 的产生和排放增多.结合图 4(c)和(d)可以发现典型周期内YTCW组的NO3-N还原速率均高于 LTCW 组,说明椰棕释放的碳源优先被 NO3-利用从而导致 N2O 释放通量变大.总体而言,在夏季和冬季 YTCW 组和 LTCW 组的 N2O 释放通量都明3962 中 国 环 境 科 学 43 卷 显低于 CCW 组,这表明陶粒作为基质能够降低 N2O的排放,促进湿地系统实现完整的反硝化过程以达到更好的硝酸盐去除效果.图 5 典型周期内 N2O 释放通量 Fig.5 N2O release flux in a typical cycle 2.4 人工湿地氮平衡分析 图 6 人工湿地系统氮去除途径相对比例 Fig.6 Relative proportion of nitrogen removal paths in constructed wetlands 人工湿地中的含氮污染物主要去除路径有基质吸附和微生物自身合成代谢利用,出水,植物吸收以及微生物的分解代谢31.通过氮平衡计算得出,3 组湿地装置中,不同氮去除路径的贡献率如图 6 所示.3 组湿地装置中出水对氮去除的贡献率占 33.3%53.6%,基质吸附和微生物自身合成代谢去除的氮约占总负荷的2.2%3.0%,系统通过微生物作用释放的N2O 约占 1.4%19.7%,而通过植物吸收和微生物作用产生释放其他反硝化产物(NO,N2O)约占 23.7%63.2%.潘傲等13通过研究不同植物对于人工湿地系统的净化影响,发现通过微生物作用去除的氮约占 34.8%45.4%,植物吸收的氮仅占 5.4%9.8%,说明微生物的硝化反硝化作用是湿地系统脱氮的主要路径.通过对3组结果进行比较,发现YTCW组(56.8%)和LTCW组(63.2%)相较于 CCW(23.7%)组微生物的脱氮作用显著增加(p0.05),说明采用陶粒作为基质湿地装置可能通过促进硝化和反硝化过程微生物的生长,从而提高湿地的脱氮效果.2.5 微生物群落结构分析 本实验通过对湿地系统中基质表面生物膜样本进行高通量测序来研究人工湿地去除污染物的微 生 物 作 用 机 制.由 图 7 可 知,变 形 菌 门(Proteobacteria)是不同基质生物膜样品中相对丰度最高的门类(33.34%75.9%),该门中包含了大量参与 碳 氮 循 环 的 微 生 物32,其 次 是 放 线 菌 门(Actinobacteriota)(10.25%42.05%),绿 湾 菌 门(Chloroflexi)(1.38%15.14%),拟杆菌门(Bacteroidota)(0.71%10.85%),其中变形菌门、放线菌门包含了许多与脱氮相关的细菌.Han 等33使用沸石和火山岩组成的人工湿地的优势菌门在一定程度上与本文的研究结果相似.夏季的变形菌门相对丰度较冬季均有所下降,这可能是夏季温度升高,导致其他微生物多样性和丰度的增加.值得注意的是,冬季 LTCW组中陶粒表面放线菌门的相对丰度明显高于其它基质,此前有研究表明,放线菌门在有机物含量较低的环境中也具有较好的脱氮效果34,从而使得LTCW 组在后期有机物不足时对 NO3-N 依然有较好的去除效果.图 8 是 3 组湿地系统的不同基质生物膜样品属水平上的微生物群落的相对丰度.图中陶厄氏菌属(Thauera)为各组填料层的优势菌属(3.4%37.6%),其是变形菌纲下的一类具有反硝化能力的细菌35.除 陶 厄 氏 菌 属(Thauera)外,假 黄 色 单 胞 菌 属(Pseudoxanthomonas),噬氢菌属(Hydrogenophaga),红杆菌属(Rhodobacter)也是参与硝化反硝化过程的重要功能细菌36-38.如图 8 所示,YTCW(25.5%,47.0%),LTCW 组(33.0%,66.5%)在夏季和冬季与反硝化相关的细菌相对丰度均高于 CCW 组(19.0%,20.5%),这说明陶粒作为基质时有助于富集反硝化细菌,从而达到提升湿地装置的脱氮效果的目的.此8 期 何 强等：垂直流人工湿地系统净化污水厂尾水脱氮效果 3963 外,冬季属水平上 YTCW 组第二丰富的菌属为噬氢菌属(15.5%),其主要分布于 YTCW 装置的椰棕层上,是一种可利用氢来完成反硝化过程的自养反硝化菌39.冬季 LTCW 组红杆菌属相对丰度也比较高,其在 LTCW 装置的陶粒层(13.1%)和砾石层(10.9%)上均有分布,它是一种光能营养型反硝化菌,可以在光能异养和缺氧黑暗的条件下去除大量的 NO3-N 和NH4+-N40.综上可得,陶粒和椰棕作为湿地基质能够通过改变微生物群落结构来强化反硝化过程,从而提高整个湿地系统的脱氮效果.图 7 人工湿地基质中微生物群落在门水平上的相对丰度 Fig.7 Relative abundance of microbial communities in the substrate of constructed wetland at the phylum level 图 8 人工湿地基质中微生物群落在属水平上的相对丰度 Fig.8 Relative abundance of microbial communities in the substrate of constructed wetland at the genus level 3 结论 3.1 夏季 3 组人工湿地对氮污染物都有较好的去除效果;冬季以陶粒作为基质较以砾石和石英砂作为基质的人工湿地脱氮效果有明显提升,YTCW 和LTCW 组较 CCW 组 NH4+-N 去除率分别提高了23.8%和 26.9%,NO3-N 去除率分别提高了 32.2%和34.0%.3.2 以陶粒为基质与以砾石、石英砂作为基质的人工湿地相比减少了 N2O 排放.在夏季,N2O 平均释放通量由 0.39mg/(m2h)降至 0.09 和 0.11mg/(m2h);在冬季,N2O 平均释放通量由 1.17mg/(m2h)降至 0.18和 0.03mg/(m2h).3.3 陶粒和椰棕能够改善微生物群落结构,从而提高湿地装置的脱氮效果.在低温条件下,YTCW 组的椰棕层中噬氢菌属和 LTCW 组陶粒和砾石层中红杆菌属丰度明显上升,这可能是冬季两组装置能够有效去除 NH4+-N 和 NO3-N 的原因之一.参考文献：1 中华人民共和国生态环境部.2020 年中国环境生态年报 R.2020.Ministry of Ecology and Environment.2020 China environmental ecology annual report R.2020.2 Hernndez-del Amo E,Baeras L.Effects of high nitrate input in the denitrification-DNRA activities in the sediment of a constructed wetland under varying C/N ratios J.Ecological Engineering,2021,159:106098.3 常尧枫,谢嘉玮,谢军祥,等.城镇污水处理厂提标改造技术研究进展 J.中国给水排水,2022,38(6):20-28.Chang Yao-feng,Xie Jia-wei,Xie Jun-xiang,et al.Research progress on upgrading and reconstruction technology of urban sewage treatment plants J.China water and wastewater,2022,38(6):20-28.4 Zhao Z,Xu C,Zhang X,et al.Addition of iron materials for improving the removal efficiencies of multiple contaminants from wastewater with a low C/N ratio in constructed wetlands at low temperatures J.Environmental Science and Pollution Research,2019,26:11988-11997.5 Yang Y,Zhao Y,Liu R,et al.Global development of various emerged substrates utilized in constructed wetlands J.Bioresource technology,2018,261:441-452.6 Varma M,Gupta A K,Ghosal P S,et al.A review on performance of constructed wetlands in tropical and cold climate:Insights of mechanism,role of influencing factors,and system modification in low temperature J.Science of the Total Environment,2021,755:142540.7 Ji M,Hu Z,Hou C,et al.New insights for enhancing the performance of constructed wetlands at low temperatures J.Bioresource technology,2020,301:122722.8 Li J,Fan J,Zhang J,et al.Preparation and evaluation of wetland plant-based biochar for nitrogen removal enhancement in surface flow constructed wetlands J.Environmental Science and Pollution 3964 中 国 环 境 科 学 43 卷 Research,2018,25:13929-13937.9 Cao W,Wang Y,Sun L,et 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