预曝气与弹性填料对浮萍生态塘氮磷去除的影响及其机理研究

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浮萍,作为一种全球广泛分布的小型漂浮植物,可在污染水体中快速生长并形成浮萍生态塘系统。借助浮萍生长吸收水体氮磷等污染物并合成富含蛋白、淀粉和药用成分的浮萍生物质,浮萍生态塘可用于污水处理并同时实现水质净化、生物质生产及碳氮磷资源回收利用多重目标。此外,浮萍生态塘还兼具建设成本低、运行能耗低和管理简便等众多优势,近年来备受高度关注。然而,浮萍生态塘也存在污染物去除率低及占地面积大的不足,这与其水体溶解氧(DO)低、微生物膜和功能微生物数量少有关,极大限制了该技术的推广应用。鉴于此,本研究拟针对户外中试浮萍生态塘系统进行单项强化技术(预曝气)及复合强化技术(预曝气+人工填料)的研究(预曝气时长为2 h,人工填料为条状人工填料),探究相关强化技术对污染物去除的影响及在浮萍生态塘系统中的应用潜力,并进一步通过高通量测序研究相关强化技术对浮萍生态塘系统微生物群落的影响,进而揭示强化技术促进污染物去除的微生物机理。结果表明:(1)预曝气强化既显著提高了浮萍生态塘的水体DO和ORP(提高率分别为478.26%和54.62%),也显著提高了浮萍干重生长速率和氮磷回收速率(提高率分别为32.87%、27.03%和13.16%),但对浮萍的氮磷含量无显著影响。此外,预曝气强化也能显著促进浮萍生态塘系统对污水TP、TN、氨氮、浊度的去除(提高率分别为84.06%、79.69%、85.50%和28.78%)。尽管曝气强化能同时通过影响浮萍和微生物作用促进氮磷的去除,但通过微生物作用的促进效果更大。细菌群落分析表明,预曝气强化通过增加水体DO,提高浮萍生态塘中植物促生菌群(如Flavobacterium等)、反硝化菌群(Pseudomonas、Sphingomonas等)和聚磷菌群(如Acinetobacter等)的相对丰度,这些变化可能是导致预曝气强化促进浮萍生态塘浮萍生长及污染物去除的主要原因。(2)预曝气+人工填料联合强化既显著提高了浮萍生态塘的水体DO和ORP(提高率分别为243.23%和37.06%),也显著提高了浮萍干重生长速率和氮磷回收速率(提高率分别为31.09%、0.49%和41.67%)。此外,预曝气+人工填料联合强化极显著促进浮萍生态塘系统对污水TP、TN、氨氮、浊度的去除(提高率分别为80.14%、98.10%、84.84%和31.48%)。细菌群落分析表明,联合强化浮萍生态塘中高的微生物除氮贡献率可能与填料表面富集的大量微生物膜及功能菌群有关。同时,联合强化也能提高浮萍生态塘中植物促生菌群(如Flavobacterium等)、反硝化菌群(Pseudomonas等)和聚磷菌群(如Acinetobacter等)的相对丰度,成为联合强化促进浮萍生长及污染物去除的可能原因。值得注意的是,联合强化浮萍生态塘与单项强化浮萍生态塘的优势菌群存在较大差异,表明人工填料的存在对浮萍生态塘的细菌群落也具有重要影响。本研究在中试规模条件下证实了预曝气单项强化和预曝气+人工填料联合强化均能显著提高浮萍生态塘系统中浮萍的生长及污染物的去除,揭示两种强化技术促进浮萍生态塘污染物去除的主要原因和机制,认为两种强化技术能同时通过改善浮萍和微生物的作用促进氮磷去除,但相对而言,微生物作用的促进贡献更大,而且与预曝气或人工填料单项强化技术相比,预曝气+人工填料联合强化的综合表现更佳。该结果能为浮萍生态塘浮萍生长及污染物去除的改善提供指导措施和科学依据,对浮萍生态塘系统的大规模应用具有一定的理论和实际参考价值。
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