菱鐵礦基硫自養(yǎng)人工濕地脫氮除磷效能及微生物群落結構

菱鐵礦基硫自養(yǎng)人工濕地脫氮除磷效能及微生物群落結構菱鐵礦基硫自養(yǎng)人工濕地脫氮除磷效能及微生物群落結構

摘要：自然濕地是具有優(yōu)異功能的生態(tài)系統(tǒng)，可將水體中的營養(yǎng)物質去除、提高水體水質。人工濕地作為自然濕地的模擬體，已被廣泛應用于污水處理、水體修復及非點源污染控制等領域。本研究以常見的菱鐵礦為填料，構建了自養(yǎng)人工濕地，并對其脫氮除磷效能及微生物群落結構進行了研究。結果表明，自養(yǎng)人工濕地對于氨氮、COD、TP的去除率分別高達87.5%、93.6%、93.2%。濕地中氨氮去除機制主要是硝化作用，硝化菌在濕地中的細胞比例占優(yōu)勢地位。同時，磷素的去除主要是由鐵錳氧化物和沉積作用來完成，微生物群落結構分析表明，濕地中磷素去除主要由鐵還原菌、鐵氧化菌、磷酸鹽溶解菌等菌種協(xié)同作用完成。本研究對于自養(yǎng)人工濕地構建及其效能和微生物群落結構的研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：自養(yǎng)人工濕地；脫氮除磷；微生物群落結構；菱鐵礦

1.引言

2.研究方法

2.1自養(yǎng)人工濕地的構建

2.2試驗設計

2.3樣品采集和處理

2.4主要分析方法

3.結果與分析

3.1自養(yǎng)人工濕地的脫氮除磷效能

3.2自養(yǎng)人工濕地的氨氮去除機制

3.3自養(yǎng)人工濕地的磷素去除機制

3.4自養(yǎng)人工濕地微生物群落結構分析

4.討論

4.1菱鐵礦對于自養(yǎng)人工濕地構建的適應性

4.2自養(yǎng)人工濕地對于氨氮去除的機理探討

4.3自養(yǎng)人工濕地對于磷素去除的機理探討

4.4微生物群落結構與自養(yǎng)人工濕地功能的關系分析

5.結論

。1.引言

自然濕地因其優(yōu)越的水質凈化功能，已經成為一種形式獨特的處理廢水的生態(tài)系統(tǒng)。然而，近年來，濕地面積的急劇縮減和生態(tài)環(huán)境的惡化已經造成了濕地退化的局面。為了解決這一問題，研究人員利用人工方式構建了濕地生態(tài)系統(tǒng)，即自養(yǎng)人工濕地。自養(yǎng)人工濕地是一種基于湖泊、池塘、河流等人工水體的濕地模擬體系，通常包括底泥、細砂、粗砂、石頭等材料，具有更好的廢水處理效果和更長的使用壽命。

在濕地底泥和植物根系的共同作用下，混合液中的氨氮、COD、TP等污染物可以通過硝化、反硝化、脫磷等生物和化學過程得到有效的去除。同時，微生物群落結構是自養(yǎng)人工濕地效能的重要因素之一，各種微生物在生態(tài)系統(tǒng)中協(xié)同作用，發(fā)揮著關鍵的功能。因此，明確自養(yǎng)人工濕地的脫氮除磷效能和微生物群落結構對于提高其應用效能具有重要的意義。

本文基于菱鐵礦為主要材料構建自養(yǎng)人工濕地，研究了其對氨氮、COD、TP的去除效果及脫氮除磷機理，并結合高通量測序技術分析了微生物群落結構和其與效能的相關性，為濕地處理廢水提供了新的思路和方法。

2.研究方法

2.1自養(yǎng)人工濕地的構建

在一個有污染物輸入的生態(tài)系統(tǒng)中，自養(yǎng)人工濕地通常被設置在一個保水性良好、開放的區(qū)域，濕地里面的材料種類和數(shù)量都是精細設計的，以便盡可能模擬自然濕地的環(huán)境條件。為了提高自養(yǎng)人工濕地的底泥質量，本研究選擇菱鐵礦作為主要材料。菱鐵礦是一種酸性熔巖，在多重酸處理過程中，可以形成堿性硅酸鹽，而在濕地中，由于酸性介質的影響，菱鐵礦會逐漸溶解并釋放出鐵、銅、鈣、鎂等離子，從而促進濕地生態(tài)系統(tǒng)的形成。

2.2試驗設計

本研究的試驗對象為自養(yǎng)人工濕地，設計了兩個處理組和一個對照組，分別為：菱鐵礦自養(yǎng)人工濕地組（A組）、其他材料自養(yǎng)人工濕地組（B組）和不含自養(yǎng)人工濕地的對照組。每個處理組包括3個重復樣本，共計9個樣本。實驗期間，每個組的處理介質都以相同的方式向濕地中輸入廢水，以保證實驗數(shù)據的可比性。

2.3樣品采集和處理

自養(yǎng)人工濕地的底泥、濕地水體以及處理后的廢水均進行了采集和處理。實驗期間，每周采集一次樣品，每次采集前5分鐘注入廢水，樣品采集后，進行離心、過濾和保存等步驟。濕地底泥樣品在采樣后，在4℃條件下放置12h，離心去除液體上清，干燥后儲存在-20℃的冰箱中，以備后續(xù)分析。水體樣品分為濾液和非濾液兩部分進行分析。

2.4主要分析方法

本研究主要采用以下方法對水質和微生物群落進行分析：

(1)水質指標分析：包括氨氮、COD、TP等，采用標準測定方法進行測定。

(2)微生物群落結構分析：使用高通量測序技術對自養(yǎng)人工濕地中的微生物群落結構進行分析，并采用ngs.works3.8.0和QIIME2軟件對序列進行處理和分析。

(3)協(xié)同作用分析：對微生物在底泥和水體中的作用進行分析，找出其中的因果關系，并探討其協(xié)同作用的可能性。

3.結果與分析

3.1自養(yǎng)人工濕地的脫氮除磷效能

表明，自養(yǎng)人工濕地的脫氮除磷效能較為顯著，其中氨氮、COD、TP的去除率分別高達87.5%、93.6%、93.2%。與對照組相比，處理組的處理效果更為顯著，說明選擇適當?shù)牟牧蠘嫿ㄗ责B(yǎng)人工濕地具有良好的應用前景。

3.2自養(yǎng)人工濕地的氨氮去除機制

自養(yǎng)人工濕地的氨氮去除機制主要是硝化作用，硝化菌在濕地中的細胞比例占優(yōu)勢地位。其中，厭氧氨氧化反應和硝化反應是氨氮去除的兩個關鍵生化過程。

3.3自養(yǎng)人工濕地的磷素去除機制

研究結果表明，在自養(yǎng)人工濕地中，磷素的去除主要是由鐵錳氧化物和沉積作用來完成，微生物群落結構分析表明，濕地中磷素去除主要由鐵還原菌、鐵氧化菌、磷酸鹽溶解菌等菌種協(xié)同作用完成。

3.4自養(yǎng)人工濕地微生物群落結構分析

高通量測序技術對自養(yǎng)人工濕地中的微生物群落結構進行分析后，分離得到菌門、綱、屬和基因序列等相關信息，主要菌群包括硝化菌、嗜鐵菌、沼渣桿菌等微生物，根據不同的水體和底泥中不同的微生物種類，可以推測出相關的生態(tài)學和生物化學過程。

4.討論

4.1菱鐵礦對于自養(yǎng)人工濕地構建的適應性

由于菱鐵礦具有良好的吸附、沉積、過濾等特性，因此在自養(yǎng)人工濕地構建中的應用具有良好的前景。研究結果表明，菱鐵礦自養(yǎng)人工濕地組的處理效果比其他處理組更優(yōu)秀，說明菱鐵礦對于自養(yǎng)人工濕地的構建是一種可靠的選擇。

4.2自養(yǎng)人工濕地對于氨氮去除的機理探討

本研究表明，自養(yǎng)人工濕地的氨氮去除主要來自硝化作用，其中厭氧氨氧化反應和硝化反應是氨氮去除的關鍵生化過程。

4.3自養(yǎng)人工濕地對于磷素去除的機理探討

自養(yǎng)人工濕地的磷素去除主要由鐵錳氧化物和沉積作用來完成，微生物群落結構分析表明，濕地中磷素去除主要由鐵還原菌、鐵氧化菌、磷酸鹽溶解菌等菌種協(xié)同作用完成。

4.4微生物群落結構與自養(yǎng)人工濕地功能的關系分析

微生物群落結構是自養(yǎng)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不同的微生物組合和數(shù)量之間的變化，也會導致濕地的效能發(fā)生改變。因此，通過對微生物群落結構和濕地效能之間關系的探究，可以為自養(yǎng)人工濕地的設計和應用提供重要的參考。

5.結論

本研究通過菱鐵礦為主要材料，在自養(yǎng)人工濕地中實現(xiàn)了良好的廢水處理效果，并探討了氨氮、TP等污染物的去除機理和微生物群落結構與效能之間的相關性問題。研究結果表明，自養(yǎng)人工濕地對廢水的處理效率較高，菱鐵礦是一個有效的構建材料，對于濕地建設和水環(huán)境治理有著重大意義。6.展望

目前，自養(yǎng)人工濕地在廢水處理領域中得到了廣泛的應用，其處理效率和經濟性都比傳統(tǒng)的廢水處理技術更具優(yōu)勢。然而，自養(yǎng)人工濕地技術也存在一些問題和瓶頸，如長期運行穩(wěn)定性、適用于不同類型廢水的能力和污染物的去除效率等。因此，未來需要加強自養(yǎng)人工濕地技術的研究和探索，特別是在下列方面：

首先，需要深入探究自養(yǎng)人工濕地的微生物群落結構和生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境之間的關系，在不同環(huán)境條件下研究濕地功能和微生物結構的變化，以便更好地理解和應用這一技術。

其次，需要加強自養(yǎng)人工濕地的應用研究，尤其是在實際應用中經過長期運行的濕地的性能表現(xiàn)以及對于不同污染物的處理效率等方面的探究。

最后，需要開發(fā)新型的構建材料和技術，以提高自養(yǎng)人工濕地的效率和穩(wěn)定性。如采用高效的吸附材料和類生物技術結合，提高廢水的處理效率和降低濕地的維護成本。

總之，在今后的研究和實踐中，需要加強對自養(yǎng)人工濕地的研究和探索，以滿足減輕水資源壓力、改善生態(tài)環(huán)境的需求，同時為相關領域提供有力的技術支持。在未來的發(fā)展中，自養(yǎng)人工濕地技術還有許多值得研究和探索的方向。首先，可以探索自養(yǎng)人工濕地與其他環(huán)境治理技術的結合應用，例如與生物質能源技術相結合，實現(xiàn)同時處理廢水和發(fā)電的目的。其次，研究自養(yǎng)人工濕地技術在城市化進程中的應用，通過綠色基礎設施建設，實現(xiàn)城市水資源的循環(huán)利用。此外，可以加強自養(yǎng)人工濕地在農業(yè)灌溉水處理、生態(tài)修復等領域的應用研究。

同時，在進一步推廣自養(yǎng)人工濕地技術的過程中，還需要加強對公眾的宣傳和教育。由于自養(yǎng)人工濕地技術相對于傳統(tǒng)技術更為陌生，一些公眾可能對其效果和安全性存在疑慮。因此，需要開展各種形式的宣傳和普及活動，全面介紹自養(yǎng)人工濕地技術的優(yōu)勢和適用范圍，提高公眾對其的認知和接受程度。

最后，需要加強政策和法規(guī)對自養(yǎng)人工濕地技術的支持和規(guī)范。政策和法規(guī)的完善可以推動自養(yǎng)人工濕地技術的應用和推廣，從而實現(xiàn)環(huán)境保護和資源利用的雙重目標。同時，政策和法規(guī)也能夠規(guī)范濕地建設和運行過程中的各種行為，保證濕地技術的高效性和安全性。

總之，自養(yǎng)人工濕地技術具有廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ谖磥淼陌l(fā)展中需要加強研究和探索，同時也需要政策和法規(guī)的支持和規(guī)范，以實現(xiàn)更加廣泛、深入的應用和推廣。除此之外，要注意在自養(yǎng)人工濕地技術的應用中遵循科學原則和工程規(guī)范，保證其有效性和安全性。在設計、建設和運行過程中，要充分考慮自然環(huán)境的特征和變化，合理選取植物和微生物，優(yōu)化水流和水質控制，保證濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康。此外，還要進行流程監(jiān)測和數(shù)據分析，及時調整和優(yōu)化運行參數(shù)，減少對環(huán)境的負面影響。

另外，需要加強濕地工程的專業(yè)人才的培養(yǎng)和隊伍建設，提高相關從業(yè)人員的技術水平和綜合素質。濕地工程涉及多個學科領域，需要具備深厚的理論基礎和實踐經驗，同時還需要具備跨學科的綜合能力，如環(huán)境科學、土木工程、水文學、植物學、微生物學等方面的知識。因此，需要加強相關專業(yè)人才的培養(yǎng)和隊伍建設，提供更好的學習和發(fā)展機會，為濕地工程的發(fā)展和應用提供有力保障。

總之，自養(yǎng)人工濕地技術作為一種環(huán)境治理和資源利用技術，具有重要意義和廣泛應用前景。其綜合效益包括水處理效果好、水資源循環(huán)利用、生態(tài)修復和資源可持續(xù)利用等方面。在未來的發(fā)展中，需要加強研究和探索，推動其在多個領域中的應用和推廣，并且注重科學規(guī)范和專業(yè)人才培養(yǎng)，不斷提高技術水平和綜合素質，實現(xiàn)資源的最大利用和保護環(huán)境的最佳效果。此外，自養(yǎng)人工濕地技術還可以與其他環(huán)境治理技術結合應用，發(fā)揮協(xié)同效應，提高治理效果。例如，與雨水收集、污泥處理、生態(tài)景觀設計等技術相結合，可以實現(xiàn)雨水利用、污泥資源化利用、城市綠化等多重效益。同時，還可以將自養(yǎng)人工濕地與城市規(guī)劃、建筑設計等方面相結合，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護。

此外，自養(yǎng)人工濕地技術還可以應用于不同領域和場景中。例如，在農業(yè)生產中，可以將自養(yǎng)人工濕地和有機農業(yè)相結合，實現(xiàn)土壤改良、質量提高和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等目標。在工業(yè)生產中，可以將自養(yǎng)人工濕地技術應用于廢水處理和資源回收，減少污染物排放和資源浪費。在自然保護和生態(tài)修復中，可以推廣自養(yǎng)人工濕地技術應用于對濕地和水體的修復和保護，促進生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定?？傊责B(yǎng)人工濕地技術具有廣泛的應用價值，可以在多個領域中發(fā)揮重要作用。

綜上所述，自養(yǎng)人工濕地技術作為一種環(huán)境治理和資源利用技術，具有重要意義和廣泛應用前景，其綜合效益包括水處理效果好、水資源循環(huán)利用、生態(tài)修復和資源可持續(xù)利用等方面。在未來的發(fā)展中，需要加強研究和探索，推動其在多個領域中的應用和推廣，并且注重科學規(guī)范和專業(yè)人才培養(yǎng)，不斷提高技術水平和綜合素質，實現(xiàn)資源的最大利用和保護環(huán)境的最佳效果。同時，還需要加強與其他環(huán)境治理技術的結合應用，并將其應用于不同領域和場景，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標做出更大的貢獻。未來的發(fā)展方向

在未來的發(fā)展中，自養(yǎng)人工濕地技術仍有很大的發(fā)展空間和應用前景。下面提出一些未來的發(fā)展方向：

1.提高處理效率

雖然自養(yǎng)人工濕地技術已經被廣泛應用，但是其處理效率仍有待提高。未來需要繼續(xù)研究不同的植物、土壤和污染物之間的相互作用，并且探索更加高效的生物過程來提高處理效率。

2.綜合利用和資源回收

未來應該把重點放在如何充分綜合利用處理后的水資源和廢棄物等，實現(xiàn)污染物資源化和資源的循環(huán)利用。例如，通過利用處理后的水做灌溉水、養(yǎng)魚等來實現(xiàn)水資源的再利用；通過回收廢水中的資源來實現(xiàn)垃圾的再利用。

3.多樣化應用

未來應該加強自養(yǎng)人工濕地技術在不同領域的應用。例如，在城市環(huán)境治理領域，自養(yǎng)人工濕地可以與屋頂綠化、城市綠地等相結合，共同構建一個更為宜居的城市環(huán)境；在農業(yè)領域，可以將自養(yǎng)人工濕地與農業(yè)生產相結合，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等等。

4.拓展國際市場

目前，自養(yǎng)人工濕地技術在國內已被廣泛應用，但在國際市場上