Effects of plants and temperature on nitrogen removal and microbiology in pilot-scale horizontal subsurface flow constructed wetlands treating domestic wastewater

植物和溫度對水平潛流人工濕地處理生活污水脫氮及微生物的影響

來源：Ecological Engineering 108 (2017) 70–77/ Ecological Engineering，卷108，2017年，頁碼70-77

 

論文摘要總結(jié)

本文研究了植物和溫度對中試規(guī)模水平潛流人工濕地（HSSFCWs）處理生活污水時氮去除及微生物特性的影響。研究設(shè)置兩個濕地，分別種植菖蒲（Acorus calamus）和蘆葦（Phragmites australis），在2012年9月19日至12月12日期間以間歇模式運行（水力負荷率0.15 m3 m?2 d?1）。重點比較了根際與非根際區(qū)域的氮轉(zhuǎn)化特性。結(jié)果表明，濕地平均總氮（TN）去除效率為45.2%；根際的硝化強度、氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）數(shù)量顯著高于非根際（p < 0.05），與植物根系釋氧相關(guān)；反硝化強度和反硝化細菌數(shù)量則在非根際更高。盡管菖蒲根表溶解氧（DO）濃度和氮循環(huán)細菌數(shù)量高于蘆葦，但兩種濕地的氮去除效率無顯著差異，可能因進水氮濃度較低（TN均值12.1 mg L?1）。此外，NH??-N和NO??-N的去除效率與水溫呈顯著正相關(guān)（p < 0.05）。研究揭示了植物通過調(diào)控根際氧環(huán)境驅(qū)動微生物群落空間分異，從而影響氮轉(zhuǎn)化路徑。

研究目的

 

量化植物效應(yīng)：探究菖蒲和蘆葦?shù)母H與非根際區(qū)域在硝化/反硝化強度、功能菌數(shù)量及氧環(huán)境方面的差異，明確植物在濕地氮去除中的作用。

比較物種特性：分析不同植物（菖蒲vs蘆葦）的根系釋氧能力及其對微生物群落的差異化影響。

評估環(huán)境因子：揭示溫度對氮去除效率的調(diào)控機制，為人工濕地在季節(jié)性氣候變化下的優(yōu)化運行提供依據(jù)。

 

完善工藝設(shè)計：通過耦合微生物學(xué)與水文參數(shù)，為水平潛流濕地的多生境構(gòu)建和功能強化提供理論支撐。

 

研究思路

研究遵循"濕地構(gòu)建-動態(tài)監(jiān)測-微生物分析-機制關(guān)聯(lián)"的邏輯鏈：

 

實驗設(shè)計：建立兩個平行HSSFCWs（8 m × 3 m），填充礫石介質(zhì)（孔隙率42%），分別種植菖蒲和蘆葦（密度80株/m2），以間歇模式運行（水力停留時間2.5天）。

采樣與監(jiān)測：在6個時間點（9月19日至12月6日）采集進水和出水水樣，測定TN、NH??-N、NO??-N、NO??-N濃度及水溫；同步采集根際和非根際介質(zhì)樣品。

微生物分析：測定介質(zhì)硝化/反硝化強度（單位：mg N kg?1 h?1），采用MPN法計數(shù)AOB、NOB和反硝化菌數(shù)量。

氧環(huán)境表征：使用丹麥Unisense微電極測量根表DO濃度，解析氧微環(huán)境空間分異。

 

數(shù)據(jù)整合：通過ANOVA和Pearson相關(guān)性分析（SPSS 13.0）驗證植物、溫度與氮去除的關(guān)聯(lián)性。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

氮濃度與去除效率動態(tài)（來自圖2）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：進水TN濃度穩(wěn)定（均值12.1 mg L?1），出水TN為5.83-7.98 mg L?1；TN去除效率38.1-51.6%（均值45.2%）。NH??-N去除率從9月65%降至12月20%，與水溫下降同步。

 

研究意義：證實低溫抑制硝化作用，揭示季節(jié)性運行中溫度是氮去除的關(guān)鍵限制因子；濕地對中等氮負荷污水具有穩(wěn)定處理能力。

 

硝化強度空間分異（來自圖3）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：根際硝化強度（最高0.036 mg kg?1 h?1）顯著高于非根際（最高0.028 mg kg?1 h?1）（p < 0.05），菖蒲濕地略高于蘆葦濕地。

 

研究意義：直接驗證植物根系釋氧創(chuàng)造好氧微環(huán)境，促進硝化菌活性；為根際工程強化硝化提供實驗證據(jù)。

 

反硝化強度空間分異（來自圖4）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：非根際反硝化強度高于根際，但無顯著差異（p > 0.05）；反硝化效率與NO??-N去除率正相關(guān)（r = 0.780）。

 

研究意義：反硝化偏好厭氧環(huán)境（非根際），與硝化空間互補形成協(xié)同脫氮路徑；間歇運行促進厭氧區(qū)形成，優(yōu)化脫氮效率。

 

功能菌數(shù)量分布（來自圖5）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：根際AOB和NOB數(shù)量（如菖蒲根際AOB均值1.2×10? MPN g?1）高于非根際（p < 0.01）；反硝化菌在非根際更豐富（菖蒲非根際為根際1.7倍）。

 

研究意義：微生物分布與功能耦合，證實氧梯度是驅(qū)動菌群分異的核心因素；植物根際為硝化菌提供"生態(tài)位"。

 

溫度相關(guān)性數(shù)據(jù)（來自表1）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：TN、NH??-N、NO??-N去除效率與水溫顯著正相關(guān)（r = 0.756-0.990, p < 0.05），水溫范圍12-29°C。

 

研究意義：溫度通過調(diào)控微生物代謝活性影響脫氮效率，為寒區(qū)濕地設(shè)計提供參數(shù)邊界。

 

結(jié)論

 

植物驅(qū)動微環(huán)境分異：根際氧釋放創(chuàng)造好氧條件，促進硝化作用和硝化菌富集；非根際厭氧環(huán)境更利反硝化，形成空間互補的脫氮路徑。

物種差異與效率解耦：菖蒲根表DO（均值82.7 μmol L?1）顯著高于蘆葦（56.5 μmol L?1），但氮去除效率無差異，可能因低氮負荷下微生物功能飽和。

溫度的關(guān)鍵作用：低溫（<15°C）顯著抑制硝化，導(dǎo)致NH??-N去除率下降，提示冬季需優(yōu)化運行策略。

 

工藝啟示：間歇運行結(jié)合植物篩選可強化濕地多生境構(gòu)建，提升脫氮穩(wěn)定性；低氮污水背景下植物選擇靈活性較高。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的意義

丹麥Unisense氧微電極在本研究中用于高精度測量植物根表溶解氧濃度，其數(shù)據(jù)意義如下：

 

直接量化根系釋氧能力：

 

技術(shù)優(yōu)勢：微電極空間分辨率達微米級，可精準定位根表氧濃度（圖6），避免傳統(tǒng)宏觀測量的平均化誤差。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：菖蒲根表DO均值82.7 μmol L?1，顯著高于蘆葦?shù)?6.5 μmol L?1（p = 0.001），證實植物物種間釋氧能力差異。

 

機制闡釋：氧濃度梯度驅(qū)動硝化菌在根際富集（AOB數(shù)量與DO正相關(guān)），解釋圖3中根際硝化強度升高的直接原因。

 

揭示根際微環(huán)境形成機制：

 

動態(tài)關(guān)聯(lián)：根表DO與水溫正相關(guān)（9月高溫期DO最高），說明植物生理活動（光合作用-釋氧）受溫度調(diào)控，間接影響微生物季節(jié)性演替。

 

生態(tài)意義：Unisense數(shù)據(jù)將植物生理（釋氧）與微生物生態(tài)（硝化/反硝化分異）耦合，證實濕地中"植物-微生物"互作是脫氮功能的基礎(chǔ)。

 

指導(dǎo)工藝優(yōu)化：

 

物種選擇依據(jù)：菖蒲更高釋氧能力適于需強化硝化的場景（如高氨氮污水）；蘆葦則可能促進反硝化優(yōu)勢。

 

設(shè)計參數(shù)：根表DO數(shù)據(jù)為濕地模型提供關(guān)鍵輸入，用于預(yù)測氧擴散邊界和功能分區(qū)尺寸。

 

方法學(xué)貢獻：

 

創(chuàng)新點：首次在HSSFCWs中結(jié)合Unisense微電極與微生物功能分析，實現(xiàn)從物理微環(huán)境到生物過程的跨尺度解析。

 

應(yīng)用擴展：該技術(shù)可推廣至其他生態(tài)工程系統(tǒng)（如生物濾池、生態(tài)浮床）的氧微環(huán)境研究。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)不僅驗證了植物根際好氧微環(huán)境的存在，更通過定量化氧梯度，將植物特性、微生物分布和脫氮功能有機鏈接，為人工濕地的精準調(diào)控提供了理論工具和實踐依據(jù)。