不同類型底棲動物對表面流人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化的影響

郭 穎 謝慧君 張 建

(1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院, 青島 266590; 2.山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 青島 266237;3.山東大學(xué)環(huán)境研究院, 青島 266237)

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格的背景下, 我國仍然存在污水處理率較低的問題,尤其農(nóng)村地區(qū)由于污水處理設(shè)施不夠完善等原因,污水處理率不足10%[1]。除此之外, 我國富營養(yǎng)化問題也依然嚴(yán)重, 2020年生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示,在開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的110個湖庫中, 輕、中、重度富營養(yǎng)狀態(tài)的分別占23.6%、4.5%和0.9%[2]。面對較為嚴(yán)峻的水污染形勢, 人工濕地作為一項投資、運行費用低、景觀優(yōu)美、行之有效的污水處理技術(shù), 一方面能經(jīng)濟(jì)高效地解決農(nóng)村地區(qū)污水處理率低的問題, 另一方面也能深度凈化城市污水處理廠尾水從而降低排入河湖的氮磷等營養(yǎng)元素含量、防控富營養(yǎng)化[3,4], 成為我國生態(tài)文明建設(shè)必不可少的水污染控制舉措。

人工濕地通常可以根據(jù)水流形態(tài)分為表面流人工濕地和潛流人工濕地, 其中表面流人工濕地相比潛流人工濕地建設(shè)和運行成本更低, 能耗小, 管理方便, 但同時氮磷處理率有限, 也面臨著冬季濕地植物枯萎及微生物活性降低等造成的冬季處理能力大幅度下降的問題[5]。因此, 亟需在維持表面流人工濕地低成本、低能耗等優(yōu)點的同時提升其氮磷處理效率及冬季處理能力的措施。

人工濕地通過模擬自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能來實現(xiàn)水質(zhì)凈化, 主要依靠基質(zhì)、植物和微生物等的作用[6,7]。底棲動物作為自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán), 在人工濕地中卻少有考慮。實際上, 現(xiàn)有大量研究指出了一些類型的底棲動物在水生生態(tài)系統(tǒng)中起到了水質(zhì)凈化作用。Poulsen等[8]發(fā)現(xiàn)集食型底棲動物搖蚊幼蟲可以增加反硝化微生物的活性和多樣性并因此促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)中的氮去除, 濾食型底棲動物河蚌被證明能去除營養(yǎng)鹽及葉綠素a, 可望建造用于水質(zhì)澄清的大規(guī)模生物過濾器[9], Estragnat等[10]指出刮食型底棲動物田螺具有降低水體碳氮含量及藻類生物量等作用。同時, 絕大多數(shù)底棲動物在冬季仍能保持一定的代謝, 因此, 將底棲動物引入表面流人工濕地可能在維持低成本低能耗的同時提升水質(zhì)凈化效果包括冬季水質(zhì)凈化能力。

目前, 有極少量研究嘗試將某種底棲動物引入表流人工濕地, 獲得了一定的水質(zhì)提升效果[11,12]。但是, 對于不同類型底棲動物對表流型人工濕地水質(zhì)影響效果尤其是冬季處理能力效果尚不清楚。本研究以表面流人工濕地為研究對象, 將不同攝食類型底棲動物應(yīng)用于人工濕地, 通過研究夏冬兩季不同類型底棲動物對表面流人工濕地系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效果, 篩選出應(yīng)用于人工濕地的底棲動物, 并分析人工濕地系統(tǒng)中底棲動物的水質(zhì)凈化機(jī)理, 為后續(xù)底棲動物在人工濕地的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置位于山東省濟(jì)南市山東大學(xué)(北緯36°40′, 東經(jīng)117°03′), 在室外建立了表面流人工濕地裝置(Constructed Wetlands, CWs)。裝置采用12個50 cm深、43 cm內(nèi)徑的聚乙烯塑料桶。所有實驗裝置的底部均設(shè)有一個排水口, 用于排水。裝置中心有一根均勻帶孔PVC管, 用于原位測量溫度、pH和溶解氧(DO), 裝置情況如圖1所示。人工濕地基質(zhì)主要由沉積物、河沙和礫石3部分組成。最上層為5 cm底泥基質(zhì)層(取自白云湖自然濕地,北緯36°85′, 東經(jīng)117°37′), 過2 mm篩網(wǎng)去除大顆粒,作為底棲動物棲息地; 中間為15 cm厚的河沙基質(zhì)層(粒徑＜2 mm; 主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3);底部為5 cm厚的礫石層, 由粒徑在10—15 mm的大塊礫石組成。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of constructed wetlands

1.2 實驗材料

實驗植物選擇菹草和金魚藻。金魚藻和菹草在實際自然環(huán)境中互為生態(tài)位, 在一年中存在自然演替過程。春夏兩季金魚藻發(fā)芽生長, 秋冬兩季菹草存活。菹草和金魚藻分別于秋季和冬季采集于山東省南四湖(北緯35.29°, 東經(jīng)116.59°), 經(jīng)去離子水充分洗凈, 用10%營養(yǎng)鹽培養(yǎng)1周后, 挑選長勢一致的植株種植于實驗裝置中,種植密度均設(shè)置為100株/m2。實驗動物選擇3種不同攝食特性的典型底棲動物用于篩選: 集食者搖蚊幼蟲、濾食者河蚌和刮食者田螺。其中搖蚊幼蟲(Chironomus riparius)購于山東省濟(jì)南市某花鳥魚蟲市場, 挑選長度在7—12 mm的搖蚊幼蟲, 投加密度參考文獻(xiàn)中描述的自然界真實密度, 為14000條/m2[13]。河蚌采用的具體種類為背瘤麗蚌(Lamprotula leai), 采集于中國湖北省, 長度為(5.4±0.9) cm, 重量在(79.5±4.23) g,投加密度參考自然密度, 設(shè)置為56個/m2[14]。田螺采用的種類為中國圓田螺(Cipangopaludina chinensis), 采集于中國湖北省, 重量在(19.7±1.84) g, 投加密度參照自然密度, 為100個/m2[15]。3種底棲動物均在室溫下曝氣培養(yǎng), 并在實驗開始前饑餓處理72h。

1.3 實驗設(shè)計

實驗中共設(shè)計四組實驗裝置, 分別為種植植物并投加搖蚊幼蟲的人工濕地系統(tǒng)(CLCWs), 種植植物并投加河蚌的人工濕地系統(tǒng)(FMCWs), 種植植物并投加田螺的人工濕地系統(tǒng)(VICWs)和只種植植物的對照組(BCWs)。每個組3個平行。其中, 植物在春秋和冬夏兩季分別種植菹草和金魚藻。實驗設(shè)計為序批式運行, 通過虹吸法將污水模擬液通入裝置。冬季水力停留時間為8d, 夏季水力停留時間為6d。冬季共運行8個周期(2017年12月至2018年2月), 夏季共運行15個周期(2018年6月至2018年9月), 夏季實驗在冬季運行結(jié)束后的裝置上繼續(xù)進(jìn)行。污水模擬液濃度參考城市污水處理廠1級B排放標(biāo)準(zhǔn)配置, 濃度及配方如表1所示。

表1 污水模擬液濃度及配方Tab.1 Wastewater simulation solution concentration and formula

1.4 檢測指標(biāo)及方法

采集到的水樣經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾后, 參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16]進(jìn)行分析。主要分析指標(biāo)為硝態(tài)氮(NO3-N)、銨態(tài)氮(NH4-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。其中NH4-N采用納氏試劑光度法, NO3-N采用紫外分光光度法, TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法, TP采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法。

1.5 植物、動物及基質(zhì)檢測

考慮到夏季篩選缺少搖蚊幼蟲處理組, 采集冬季實驗裝置運行前后的植物樣品、動物樣品和基質(zhì)樣品以比較不同底棲動物對人工濕地系統(tǒng)各介質(zhì)的影響。所有植物經(jīng)去離子水充分清洗后, 于65℃烘箱干燥72h, 研磨過40目篩備用。所有動物樣品經(jīng)去離子水充分清洗后, 置于冷凍干燥機(jī)(德國Unicryo MC 2 L)在-60℃下干燥36h, 研磨過40目篩備用。植物樣品中TN和TP經(jīng)過硫酸-過氧化氫消解后, 通過半微量凱氏定氮法和鉬銻抗分光光度法測定[17]。動物樣品中TN和TP分別利用元素分析儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測定。為保證基質(zhì)樣品采樣的均勻性, 每個裝置內(nèi)的樣品在同一高度隨機(jī)采集5個位置, 最終將其混合均勻。將整個河沙層(共15 cm)分為3個深度: 0—5 cm、5—10 cm和10—15 cm采樣。將人工濕地系統(tǒng)中3個平行裝置的基質(zhì)混合, 得到每個條件下不同深度的唯一樣品。將沉積物層和河沙層基質(zhì)樣品放在冷凍干燥機(jī)中于-60℃下進(jìn)行干燥, 干燥時間為36h。干燥后的沉積物層和河沙層樣品磨碎, 分別過70目和18目篩收集備用。基質(zhì)樣品TN采用半微量凱氏定氮法[17], TP樣品經(jīng)過硫酸-高錳酸鉀氧化處理后, 采用鉬銻抗分光光度法測定[17]。

1.6 DNA提取和實時熒光定量PCR反應(yīng)

在實驗結(jié)束后, 利用DNA提取試劑盒(Power-Soil?DNA Isolation kit DNA, MOBIO)對上層底泥、下層基質(zhì)和搖蚊幼蟲體內(nèi)DNA進(jìn)行提取。提取得到的DNA濃度和純度通過Nanodrops ND-1000進(jìn)行檢測, 合格的DNA樣品于-20℃冰箱內(nèi)保存。實時熒光定量PCR(Real-time fluorescence quantitative PCR, qPCR)在LightCycler?480 II(Roche, USA)儀器上進(jìn)行, 主要測定氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因, 包括氨單加氧酶(amoA)和亞硝酸鹽還原酶(nirK和nirS)。測定過程采用20 μL反應(yīng)體系, 包括前引物0.4 μL、后引物0.4 μL、DNA樣品2 μL和SYBR酶10 μL, 其余由Free water補(bǔ)齊。具體操作步驟和引物參見Kang等[11]的研究。

1.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft?Office Excel 2010軟件進(jìn)行, 利用統(tǒng)計程序SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)來檢驗結(jié)果的顯著性, 當(dāng)P＜0.05認(rèn)為統(tǒng)計學(xué)顯著。

2 結(jié)果

2.1 不同種類底棲動物表面流人工濕地夏季污染物去除效果

由于夏季搖蚊幼蟲發(fā)生羽化, 因此夏季裝置中選用的底棲動物為河蚌和田螺兩種。裝置共運行10個周期。人工濕地裝置中NH4-N、NO3-N、TN和TP水質(zhì)指標(biāo)的去除效果如圖2所示。在所有人工濕地裝置中, NH4-N、NO3-N、TN和TP去除率為75.7%—94.5%、16.8%—75.6%、69.7%—86.1%和53.3%—99.0%。就NH4-N去除效果而言, 添加河蚌、田螺的人工濕地系統(tǒng)及未添加底棲動物的對照組人工濕地系統(tǒng)去除率分別為75.67%—95.24%、74.79%—93.48%和72.01%—94.64%, 3個組別沒有明顯差異(P＞0.05)。在裝置運行過程中, 各人工濕地系統(tǒng)去除效率均相對穩(wěn)定, 維持在較高水平。在NO3-N的去除效果方面,通過對比兩種底棲動物添加的實驗組可以看出, 河蚌處理組(去除率在53.82%—77.54%)相較于田螺處理組(去除率在36.31%—60.77%)的處理效果更好(P＜0.05), 且這兩種添加底棲動物的人工濕地系統(tǒng)對NO3-N的去除效果均顯著高于只添加水生植物的對照組(去除率在16.84%—51.54%;P＜0.05), 在整個運行期內(nèi)NO3-N去除效果相對穩(wěn)定。TN去除效果與NO3-N去除效果規(guī)律相似, 即去除率總體表現(xiàn)出河蚌組＞田螺組＞對照組的規(guī)律, 3組去除率分別在67.65%—86.08%、52.58%—74.50%和40.79%—67.64%。在3種人工濕地系統(tǒng)中, TP去除率均達(dá)70%以上(除第9個周期河蚌組異常點外), 能夠滿足水質(zhì)深度凈化的要求, 且3種人工濕地系統(tǒng)沒有顯著差異(P＞0.05)。

圖2 夏季底棲動物人工濕地水質(zhì)處理效果Fig.2 Water quality treatment effect of benthic constructed wetland in summer

2.2 不同種類底棲動物表面流人工濕地冬季污染物去除效果

冬季裝置選用底棲動物河蚌、田螺和搖蚊共3種, 共運行5個周期。人工濕地裝置中NH4-N、NO3-N、TN和TP水質(zhì)指標(biāo)的去除效果如圖3所示。就NH4-N去除效果來看, 除前2個周期添加河蚌的人工濕地系統(tǒng)略高外, 4種人工濕地系統(tǒng)(添加搖蚊幼蟲的人工濕地系統(tǒng)、添加河蚌的人工濕地系統(tǒng)、添加田螺的人工濕地系統(tǒng)和沒有添加底棲動物的對照人工濕地系統(tǒng))均沒有明顯差異(P＞0.05),各組去除效率可達(dá)83.3%—94.2%, 并且總體上各組去除效果和夏季相比沒有明顯差異。不同組別在NO3-N去除效果方面則表現(xiàn)出差異, 搖蚊幼蟲組NO3-N去除率明顯高于其他3種濕地系統(tǒng)(P＜0.05),去除率在29.37%—49.24%, 而河蚌組、田螺組和對照組NO3-N去除率分別為11.49%—24.27%、11.21%—24.12%和7.51%—20.20%, 3組之間沒有顯著差異(P＞0.05)。在最后2個周期搖蚊幼蟲處理組NO3-N去除效果有所降低, 可能與搖蚊幼蟲開始羽化有關(guān)。TN處理效果和NO3-N相似, 搖蚊幼蟲組顯著優(yōu)于其他處理組(P＜0.05), 處理率在49.67%—58.36%, 在前兩個周期河蚌處理組效果(41.8%—42.4%)略高于田螺組(36.0%—36.5%)和對照組(34.04%—39.88%), 后期3種人工濕地系統(tǒng)間沒有明顯差異(P＞0.05)。這可能與溫度進(jìn)一步降低導(dǎo)致河蚌活動和代謝受限有關(guān)。搖蚊幼蟲組、河蚌組、田螺組和對照組的總磷去除率分別為90.42%—100%、77.6%—89.6%、71.7%—91.0%和62.73%—76.30%, 可以看出搖蚊幼蟲組TP去除效果顯著優(yōu)于其他3種人工濕地系統(tǒng)(P＜0.05), 其他3種人工濕地系統(tǒng)之間沒有明顯差異(P＞0.05)。

圖3 冬季底棲動物人工濕地水質(zhì)處理效果Fig.3 Effect of benthic artificial wetland water quality treatment in winter

2.3 不同種類底棲動物添加對表面流人工濕地基質(zhì)、植物、微生物的作用

為了理解不同種類底棲動物對表面流人工濕地系統(tǒng)帶來的影響, 測定了系統(tǒng)運行前后人工濕地系統(tǒng)植物和基質(zhì)的TN和TP含量, 系統(tǒng)運行前后TN和TP含量變化結(jié)果如表2所示。就人工濕地系統(tǒng)運行前后植物TN和TP含量變化來看, 搖蚊幼蟲組運行后植物TN含量出現(xiàn)了明顯增加, 與運行前相比增加了6.090 mg/g, 河蚌組植物TN含量也略有增加, 增加了1.35 mg/g。田螺組和對照組植物TN含量則分別減少了2.520和3.010 mg/g。植物TP含量變化與TN不同, 4種人工濕地系統(tǒng)均出現(xiàn)了不同程度的增加, 其中以搖蚊幼蟲組最為明顯(0.794 mg/g), 河蚌組其次(0.297 mg/g), 對照組差異最小(0.040 mg/g)。在基質(zhì)TN和TP含量變化上, 搖蚊幼蟲組變化量也最為顯著, 河蚌組TN含量增加了0.087 mg/g, TP變化不顯著, 田螺組和對照組表現(xiàn)出相同的TN增加量, 田螺組TP變化量也與對照組差異不大。四組人工濕地系統(tǒng)底泥TN含量均出現(xiàn)了不同程度的降低, 分別降低了0.390、0.291、0.261和0.272 mg/g, 可以看出搖蚊幼蟲組降低得最多, 田螺組最少。底泥TP含量除搖蚊幼蟲組沒有表現(xiàn)出變化外, 其他3個組TP含量均有所增加, 其中以對照組增加最多, 河蚌組最少, 但3組間差異較小。從表2可以看出, 相比于沒有添加底棲動物的對照組人工濕地系統(tǒng), 添加搖蚊幼蟲的人工濕地系統(tǒng)植物中TN和TP含量增加量顯著大于對照組, 基質(zhì)中TN和TP含量增加量同樣顯著高于對照組, 底泥中TN含量比對照組降低更顯著, TP含量增加量顯著低于對照組; 添加河蚌的人工濕地系統(tǒng)與搖蚊幼蟲組規(guī)律相似但是與對照組的差異小于搖蚊幼蟲組與對照的差異, 具體為植物中TN和TP含量增加量顯著高于對照組, 基質(zhì)中TN含量和TP含量增加量略高于對照組, 底泥TN含量比對照組降低更多, TP含量增加量略低于對照組; 而添加田螺的人工濕地系統(tǒng)除植物中TP含量增加量顯著高于對照組外, 其余變化均與對照組差異不大。

表2 人工濕地系統(tǒng)運行前后不同介質(zhì)中TN、TP含量變化量Tab.2 Variation of TN and TP contents in different media before and after operation of constructed wetland system

3 討論

3.1 底棲動物添加對表面流人工濕地水質(zhì)凈化效果的影響

在結(jié)果2.1中, 3種人工濕地系統(tǒng)NH4-N和TP去除效果沒有顯著差異, NO3-N和TN去除效果均呈現(xiàn)河蚌組＞田螺組＞對照組, 三者NO3-N平均去除率分別為67.37%、53.16%和30.18%, TN平均去除率分別為76.12%、64.24%和51.78%。這表明在夏季添加底棲動物能顯著提高人工濕地NO3-N和TN處理效果, 且添加河蚌處理效果優(yōu)于添加田螺。在以往的研究里, 研究者通過采取不同的手段提高了人工濕地水質(zhì)凈化效果, 有研究在人工濕地中曝氣增氧,實現(xiàn)了67.41%的TN去除率及69.04%的NH4-N去除率[18]; 有研究者通過改變?nèi)斯竦鼗|(zhì)構(gòu)建生物炭基人工濕地以增強(qiáng)人工濕地脫氮除磷效果, 實現(xiàn)了70%以上的TN、TP去除率[19]; 也有研究通過構(gòu)建潛流—表流復(fù)合人工濕地并嘗試不同的基質(zhì)粒徑和植物組合, NH4-N、TN和TP的總?cè)コ蕿?6.54%—74.05%、61.55%—73.61%和38.16%—54.64%[20]?？梢钥闯? 本研究實現(xiàn)了和這些研究相似甚至高于這些研究的水質(zhì)凈化效果, 同時與曝氣、使用吸附材料作為基質(zhì)等提升表面流人工濕地水質(zhì)凈化效果的手段相比, 添加底棲動物提升水質(zhì)凈化效果運行成本更低, 管理也更加方便, 更適合應(yīng)用于表面流人工濕地。在夏季人工濕地系統(tǒng)運行期(60d)內(nèi), 兩種底棲動物人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果都維持穩(wěn)定, 表明通過添加底棲動物能在夏季穩(wěn)定提升水質(zhì)凈化效果尤其是NO3-N和TN處理效果。因此通過添加合適的底棲動物是一種高效且有實際應(yīng)用意義的表面流人工濕地水質(zhì)凈化效果提升手段。

在結(jié)果2.3中, 添加了搖蚊幼蟲的人工濕地系統(tǒng)在冬季表現(xiàn)出NO3-N、TN和TP去除效果的顯著增強(qiáng), 添加河蚌的人工濕地系統(tǒng)和添加田螺的人工濕地系統(tǒng)沒有表現(xiàn)出明顯的冬季水質(zhì)凈化效果的提升, 這主要和不同種類底棲動物的習(xí)性有關(guān), 搖蚊幼蟲在冬季具有較高代謝活性[21], 對系統(tǒng)基質(zhì)的擾動也更加強(qiáng)烈, 而河蚌和田螺冬季氣溫降低后通常掘穴進(jìn)入基質(zhì)半冬眠, 代謝和活動都有所降低[22],對水質(zhì)影響減小。搖蚊幼蟲人工濕地NO3-N、TN和TP平均去除率分別為37.8%、54.0%和94.8%,與對照人工濕地平均去除率相比分別增加了29.51%、15.16%和37.62%, 較好地解決了表面流人工濕地冬季運行效率低的問題。有文獻(xiàn)顯示, 通過合理植物配置可以在冬季使表面流人工濕地NH4-N去除率維持在(62.1±8.8)%, TN去除率在(45.8±15.4)%, TP去除率在(62.1± 8.8)%[23]; 也有研究通過利用地?zé)崮軜?gòu)建新型人工濕地實現(xiàn)NH4-N和TP的去除率分別為50.45%和69.17%[24]; Lu等[25]通過添加碳源實現(xiàn)人工濕地NO3-N去除率提高到30%?？梢娕c其他技術(shù)相比, 搖蚊幼蟲人工濕地也具有較好的冬季水質(zhì)凈化效果。另一方面, 結(jié)果2.2中也表現(xiàn)出受搖蚊幼蟲羽化影響, 搖蚊幼蟲處理組在系統(tǒng)運行后期NO3-N去除率下降, 雖然下降后仍顯著高于對照組, 但也表現(xiàn)出人工濕地僅添加單一底棲動物可能受底棲動物自身代謝和形態(tài)變化等影響。另外, 通常底棲動物會通過代謝排泄一定量的NH4-N[26], 但在本研究中添加底棲動物的處理組與對照組的NH4-N去除率均與顯著差別, 這可能與沉水植物優(yōu)越的NH4-N去除能力避免了底棲動物排泄的NH4-N積累有關(guān)。

3.2 底棲動物型人工濕地水質(zhì)凈化效果增強(qiáng)機(jī)理

通常人工濕地氮去除主要依賴基質(zhì)中微生物的氮轉(zhuǎn)化作用、植物吸收作用和氨揮發(fā)作用[27,28]。在結(jié)果的2.3部分可以看到, 添加搖蚊幼蟲和河蚌都引起了植物中TN含量的增加, 這表明將底棲動物引入人工濕地促進(jìn)了植物對N的吸收作用, 這可能是因為底棲動物脫氮產(chǎn)生了一氧化氮, 而一氧化氮對植物同化作用有一定的調(diào)節(jié)功能[29]。這種底棲動物對植物TN吸收作用的促進(jìn)是底棲動物增強(qiáng)人工濕地TN去除的原因之一。一般來說, 通過基質(zhì)中微生物脫氮是人工濕地脫氮的最主要途徑[30], 硝化微生物在有氧條件下將NH4-N轉(zhuǎn)化為NO3-N, 反硝化微生物再進(jìn)一步將NO3-N還原成氮氣等實現(xiàn)水體脫氮是主要機(jī)制之一[31]。搖蚊幼蟲和河蚌等底棲動物可以通過掘穴在人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)形成通道從而形成微好氧區(qū), 也通過呼吸作用降低基質(zhì)局部溶解氧形成微厭氧區(qū)[32], 從而促進(jìn)硝化作用及反硝化作用, 在保證高NH4-N去除率的同時顯著提高了系統(tǒng)NO3-N去除率。同時, 文獻(xiàn)表明搖蚊幼蟲和河蚌等底棲動物產(chǎn)生的孔穴可以促進(jìn)NO3-N、NH4-N及顆粒性有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)向基質(zhì)滲透[32,33], 從而促進(jìn)硝化作用或反硝化作用。針對水質(zhì)凈化效果最突出的搖蚊幼蟲人工濕地系統(tǒng)及對照組人工濕地系統(tǒng)做的微生物實驗結(jié)果表明, 添加搖蚊幼蟲促進(jìn)了人工濕地系統(tǒng)上層底泥和下層基質(zhì)硝化菌和反硝化菌豐度, 這驗證了搖蚊幼蟲等底棲動物對硝氮作用及反硝化作用的促進(jìn)。此外, 研究也顯示,搖蚊幼蟲、河蚌的腸道內(nèi)有大量反硝化微生物[8,14],及河蚌的殼膜有硝化微生物[14], 這些微生物能促進(jìn)在這些特定區(qū)域的硝化反硝化反應(yīng)。在表3中可以看到, 搖蚊幼蟲的腸道中確實存在大量的氮轉(zhuǎn)化微生物。在本研究中, 底棲動物除了表現(xiàn)出對微生物氮轉(zhuǎn)化和植物氮吸收的促進(jìn), 還表現(xiàn)出對基質(zhì)氮吸附沉淀等作用的增強(qiáng)。從結(jié)果2.3部分可以看到河蚌和搖蚊幼蟲也促進(jìn)了人工濕地上層底泥TN含量的減少和下層基質(zhì)TN含量的增加, 這可能和底棲動物從上層底泥向下層基質(zhì)運動產(chǎn)生的過水通道有關(guān), 也表明了搖蚊幼蟲和河蚌等底棲動物增強(qiáng)了人工濕地基質(zhì)的吸收作用, 這種基質(zhì)的作用也促進(jìn)了水中氮的去除。田螺作為刮食者, 主要是在人工濕地底泥表層通過刮食微生物和藻類為生[15], 對植物和下層基質(zhì)影響有限(表2), 其本身呼吸作用和體內(nèi)微生物也能為反硝化提供一定有利條件, 因此田螺表現(xiàn)出了一定的NO3-N去除但效果不突出。

表3 氮轉(zhuǎn)化功能基因在不同介質(zhì)中豐度Tab.3 The copy numbers of nitrogen-transforming functional genes in different media

人工濕地除磷機(jī)制主要有基質(zhì)吸附沉淀作用,植物吸收作用[34], 其中基質(zhì)的吸附沉淀作用是最主要的[35]。2.1結(jié)果中夏季磷去除效果沒有顯著差異,2.2中只有搖蚊添加增強(qiáng)了人工濕地的磷去除, 而表2中可以看出搖蚊幼蟲促進(jìn)了下層基質(zhì)磷含量的增加, 并使得上層底泥磷增量與對照組相比較低, 河蚌和田螺下層基質(zhì)和上層底泥的磷變化相對對照組不顯著。這表明冬季搖蚊幼蟲促進(jìn)了下層基質(zhì)對磷的吸附沉淀作用, 這可能是由于冬季搖蚊幼蟲擾動活動劇烈, 形成的孔穴促進(jìn)了上覆水反應(yīng)性活性磷向下層基質(zhì)的遷移[36], 從而促進(jìn)基質(zhì)有機(jī)顆粒物和金屬離子等對磷的吸附、絡(luò)合或離子交換[37]。而小試實驗基質(zhì)較新可能是使得夏季對照組和底棲動物投加組都實現(xiàn)了較高磷去除率的原因。從表2可以看出, 底棲動物可以促進(jìn)人工濕地植物對磷的吸收。因此底棲動物可能通過促進(jìn)基質(zhì)磷吸附沉淀和植物磷吸收增強(qiáng)人工濕地磷去除。

3.3 展望

本研究結(jié)果顯示, 冬季添加搖蚊幼蟲顯著提高了人工濕地污染物去除效果, 添加河蚌和田螺因河蚌和田螺活動減少代謝降低對人工濕地系統(tǒng)效果無顯著提升作用, 等到夏季河蚌和田螺尤其是河蚌對人工濕地運行效果有所提升, 搖蚊幼蟲會隨氣溫升高羽化飛離系統(tǒng), 因此僅添加單一底棲動物可能無法穩(wěn)定維持人工濕地全年運行效果。通過底棲動物組合比如搖蚊幼蟲和河蚌/田螺組合實現(xiàn)全年污染物穩(wěn)定去除是可行的解決辦法之一, 搖蚊幼蟲因其極強(qiáng)的繁殖和環(huán)境適應(yīng)能力可在一次引入后每年秋季自然滋生[38], 保證冬季人工濕地具有相當(dāng)數(shù)量搖蚊幼蟲[21], 提升冬季人工濕地運行效果, 在搖蚊幼蟲春季羽化后, 添加的河蚌和田螺等底棲動物結(jié)束半冬眠從而代謝增加, 由此保證人工濕地春夏季運行效果。這意味著未來不同底棲動物組合對人工濕地全年運行效果的提升是一個有待深入研究的方向。在本研究中, 底棲動物投加量是根據(jù)自然環(huán)境中底棲動物真實密度確定的, 因不同底棲動物個體生物量差異較大, 最終投加生物量也有較大差異, 在這種差異基礎(chǔ)上得到了本研究不同種類底棲動物水質(zhì)凈化效果, 然而在未來進(jìn)行不同底棲動物組合人工濕地水質(zhì)凈化效果研究時, 需要根據(jù)不同底棲動物生態(tài)位調(diào)整投加量, 以得出最優(yōu)底棲動物組合凈化效果為研究目標(biāo), 單種底棲動物凈化效果可能與本研究有所差別。另外, 雖然人工濕地系統(tǒng)運行前期底棲動物擾動促進(jìn)了基質(zhì)對磷的吸附沉淀作用, 但隨著人工濕地基質(zhì)磷含量的增加,底棲動物擾動可能會反而造成基質(zhì)中磷向上覆水中釋放, 因此未來底棲動物型人工濕地的多年持續(xù)運行效果也有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究通過在表面流人工濕地中添加不同攝食類型的底棲動物考察了不同類型的底棲動物型人工濕地系統(tǒng)在夏季、冬季的水質(zhì)凈化效果, 并結(jié)合人工濕地系統(tǒng)運行前后不同介質(zhì)氮磷含量變化及不同介質(zhì)微生物豐度變化揭示了其水質(zhì)凈化機(jī)理。結(jié)果顯示, 夏季NO3-N去除效果和TN去除效果均表現(xiàn)為河蚌組(去除率分別為53.82%—77.54%和67.65%—86.08%)＞田螺組(36.31%—60.77%和52.58%—74.50%)＞對照組(16.84%—51.54%和40.79%—67.64%), 各組NH4-N和TP去除效果沒有顯著差異。冬季NH4-N去除效果各組沒有顯著差異,搖蚊幼蟲組NO3-N、TN和TP平均去除率與對照組人工濕地相比分別增加了29.51%、15.16%和37.62%, 河蚌組和田螺組受半冬眠活動及代謝減慢影響, NO3-N、TN和TP去除率與對照組相比沒有顯著差異。研究結(jié)果表明通過添加合適的底棲動物能在夏季和冬季穩(wěn)定提升水質(zhì)凈化效果, 底棲動物型人工濕地存在全年運行的可行性。機(jī)理研究顯示底棲動物通過強(qiáng)化微生物硝化反硝化脫氮、促進(jìn)植物氮吸收及基質(zhì)氮吸附等促進(jìn)人工濕地氮去除, 通過促進(jìn)下層基質(zhì)磷吸附沉淀和植物磷吸收強(qiáng)化人工濕地磷去除。