垂直流人工湿地净化尾水的最佳水力负荷及其微生物生态学研究

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污水处理厂尾水近年来已经成为地表水补充的重要来源。由于排放的尾水中仍含有大量的氮磷等污染物,对受纳水体水环境及生态系统安全仍构成较大威胁,因此,亟需开展污水厂尾水的深度处理。人工湿地因其建造及运行费用低、氮磷去除效率高等特点而成为尾水深度处理的主要工艺之一,能显著削减受纳水体污染负荷。  本文研究了2014-2015年度垂直流人工湿地在不同水力负荷条件下深度处理尾水的年度效果,同时采用MiSeq测序平台解析了人工湿地微生物群落结构及其动态变化,分析了不同水力负荷下湿地微生物群落结构差异及其对环境因子的响应,以期为人工湿地尾水深度处理的工程实践以及人工湿地微生物功能解析提供科学依据。  主要结论如下:  (1)在125、250、375、500mm/d四种水力负荷条件下,垂直流人工湿地均能显著削减尾水中的氮磷等污染负荷,其中TN在秋季去除效果最佳,其全年平均去除率分别为86.62%±6.87、64.73%±12.68、59.13%±9.13、49.88%±11.61;TP在冬季去除效果最佳,全年平均去除率分别为83.81%±6.64、74.55%±8.82、65.95%±13.45、64.27%±13.57;  (2)水力负荷、温度以及氧化还原电位是影响TN、TP去除率的三个重要因子,TN、TP去除效果均随水力负荷的上升而降低;除125mm/d下COD去除率显著高于其他水力负荷外,其余水力负荷下COD去除率差异不显著;  (3)湿地在不同水力负荷下对硝氮均具有良好的去除效果,温度为10℃、溶氧为1.1mg/L是本实验条件下反硝化作用的关键点;  (4)综合考虑处理出水水质要求、污染物去除率和污染物去除总量,该垂直流人工湿地的最佳水力负荷为375mm/d;  (5)湿地运行初期125和375mm/d两种水力负荷下湿地系统中微生物主要由变形菌门、放线菌门、拟杆菌门以及蓝细菌构成,其相对丰度高达95%以上,其中以变形菌门占据绝对优势,放线菌门次之。随着系统运行,微生物多样性逐渐增加,绿弯菌门、绿细菌门、酸杆菌门开始出现并逐渐占据一定的优势;  (6)125mm/d及375mm/d两种水力负荷下湿地微生物群落结构在门类及属类水平均没有显著差异;  (7)运行时间、水力负荷和温度三个主要成分对总体样本差异的解释度最高,其对结果的解释率分别为59.16%、16.7%、8.77%,总解释率达84.63%;  (8)125mm/d及375mm/d两种水力负荷下湿地微生物对不同环境因子呈现出不同的响应情况。在125mm/d下,湿地微生物对DO的响应更明显,与之有显著相关性的有索氏菌属、丛毛单胞菌属、噬氢菌属、PeM15菌属以及丙酸杆菌属,而与温度没有显著相关性;375mm/d下,湿地微生物对温度的响应更明显,与之有显著相关性的有TM7菌属、丛毛单胞菌属、微球菌、PeM15、丙酸杆菌属。
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