小流域富營養(yǎng)化水體修復(fù)研究

摘要：流域水體富營養(yǎng)化已成為水環(huán)境的重要問題。構(gòu)建基于多類型基質(zhì)與浮床植物組合的水平潛流人工濕地，考察其對小流域富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)性能，并通過高通量測序等方法解析該濕地系統(tǒng)微生物群落變化特征。研究結(jié)果表明，以基質(zhì)和浮床植物組合的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可在更短時間完成啟動，對小流域富營養(yǎng)化水體中的總氮（total nitrogen，TN）、總磷（total phosphorus，TP）和氨氮（NH3-N）表現(xiàn)出較強的去除效果；多組合基質(zhì)投至水底，與底泥接觸，其憑借吸附及截留作用，在短時間內(nèi)能有效凈化水中的氮磷；水平潛流人工濕地中，海馬齒浮床根際為水體微生物的固定提供良好場所，使微生物多樣性增加，能加速有機污染物的降解，改善水質(zhì)。

關(guān)鍵詞：小流域；富營養(yǎng)化水體；修復(fù)；海馬齒浮床；基質(zhì)；人工濕地

中圖分類號：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-0-03

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Study on Eutrophic Water Body Restoration in Small Watersheds

—Taking the artificial wetland of Sesuvium portulacastrum combined with multiple substrates as an example

LI Ziling1， ZHANG Wenbin2， WANG Dan2， CAO Yanyu3， WEI Xiangying2， CAO Dingding2

（1. College of Landscape Architecture and Art， Fujian Agriculture and Forestry University; 2. College of Geography and Oceanography， Minjiang University; 3. College of Resources and Environment， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350000， China）

Abstract： Eutrophication of watershed water bodies has become an important issue in the water environment. A horizontal subsurface flow artificial wetland is constructed based on a combination of multiple types of substrates and floating bed plants， its ecological restoration performance is investigated for eutrophic water bodies in small watersheds， and the characteristics of microbial community changes are analyzed in the wetland system through high-throughput sequencing and other methods. The research results indicate that a composite ecosystem composed of substrate and floating bed plants can start up in a shorter time and exhibit strong removal effects on total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， and ammonia nitrogen （NH3-N） in eutrophic water bodies in small watersheds; multiple combinations of substrates are added to the bottom of the water and come into contact with the sediment， with their adsorption and retention effects， they can effectively purify nitrogen and phosphorus in water in a short period of time; in horizontal subsurface flow constructed wetlands， the rhizosphere of Sesuvium portulacastrum floating beds provides a good place for the fixation of water microorganisms， increasing microbial diversity， accelerating the degradation of organic pollutants， and improving water quality.

Keywords： small watershed; eutrophic water bodies; restoration; Sesuvium portulacastrum floating bed; substrates; artificial wetland

近年來，我國積極推進(jìn)重點流域水環(huán)境綜合治理，但流域水環(huán)境問題依然突出，尚未根本緩解。人工濕地被廣泛用于處理各種廢水，利用植物、基質(zhì)和微生物的聯(lián)合作用修復(fù)受污水體。作為一種重要的生物修復(fù)方式，植物修復(fù)技術(shù)利用生態(tài)浮床原位修復(fù)污染水體，簡單高效。基質(zhì)是人工濕地的重要組成部分，能夠強化微生物活性，提高污染物吸附率。與單一基質(zhì)相比，多基質(zhì)組合可增強生態(tài)浮床微生物的多樣性，顯著提高生態(tài)浮床的凈化功能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水平潛流人工濕地選擇海馬齒作為供試植物，它屬于濱海植物。生態(tài)浮床由多個白色泡沫板組合而成，單體長度為120 cm，寬度為60 cm。人工濕地填充3類基質(zhì)，即牡蠣殼、陶瓷環(huán)和鵝卵石。

1.2 試驗方法

試驗在溝渠中構(gòu)建多級人工濕地，依水流去向?qū)⒘饔蚍殖缮嫌?、中游、下游進(jìn)行治理，如圖1所示。將長勢一致、生根良好的海馬齒苗布置在生態(tài)浮床上，使浮床面積約占總水面面積的1/3，并在人工濕地填充3類基質(zhì)，各基質(zhì)投放量均為0.5～1.2 kg/m3。運行30 d時采集進(jìn)出水樣品，立即用孔徑為0.45 μm的濾膜過濾，然后進(jìn)行水質(zhì)檢測。檢測指標(biāo)分為兩類，即常規(guī)污染物和微生物。試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2021軟件和GraphPad Prism軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物去除效果

人工濕地運行30 d時，測定進(jìn)出水化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總氮（total nitrogen，TN）、氨氮（NH3-N）及總磷（total phosphorus，TP）的濃度，如表1所示。經(jīng)計算，人工濕地運行30 d時，COD去除率為44.62%，TN去除率為59.91%，氨氮去除率為70.11%，TP去除率為62.21%。人工濕地主要依靠微生物的氧化分解、厭氧消化等生物反應(yīng)將COD轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，實現(xiàn)水質(zhì)凈化[1]。另外，基質(zhì)吸附是人工濕地除磷的主要方式。

為評估污染水體流經(jīng)人工濕地后的水質(zhì)變化，人工濕地運行70 d時測定進(jìn)出水的氮磷濃度。結(jié)果顯示，進(jìn)水TN濃度為15.6 mg/L，出水TN濃度為11.8 mg/L；進(jìn)水TP濃度為1.34 mg/L，出水TP濃度為0.82 mg/L。人工濕地運行穩(wěn)定時，TN、TP去除率分別可達(dá)25.60%、38.80%。

2.2 微生物群落變化

對水體的微生物進(jìn)行高通量測序，明確微生物的16SrRNA基因序列，如表2所示。3組進(jìn)出水樣品的覆蓋率均大于99.8%，出水的香農(nóng)指數(shù)大于進(jìn)水，出水的辛普森指數(shù)小于進(jìn)水。結(jié)果表明，人工濕地運行后，生物多樣性明顯提升，水體微生物組成與浮床植物密切相關(guān)。

經(jīng)高通量測序，門水平上，相對豐度排名前三的細(xì)菌門依次為變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門，如表3所示。其中，變形菌門和厚壁菌門的相對豐度增加，擬桿菌門的相對豐度降低[2]。變形桿菌在不同的進(jìn)出水樣品中是細(xì)菌反硝化的主要參與者，而厚壁菌門相對豐度增加，說明人工濕地增強微生物的反硝化作用。屬水平上，相對豐度排名前三的細(xì)菌屬依次為不動桿菌屬、管道桿菌屬和微小桿菌屬，如表4所示。與進(jìn)水相比，出水不動桿菌屬和微小桿菌屬的相對豐度明顯增加，管道桿菌屬的相對豐度下降。不動桿菌對水中營養(yǎng)物質(zhì)有很強的去除效果，能夠通過好氧反硝化去除污染水體中氨氮和硝態(tài)氮。

2.3 小結(jié)

在人工濕地運行過程中，生態(tài)浮床的海馬齒根系與基質(zhì)為功能菌的附著和棲息提供載體，而植物根系分泌的氧氣使微生物處于有氧-缺氧-厭氧的微妙環(huán)境，從而增強微生物硝化和反硝化作用。人工濕地通過植物-基質(zhì)的聯(lián)合作用，能夠改變污水中有益微生物的種類及相對豐度。人工濕地運行30 d時，TN、TP去除率分別為59.91%、62.21%；人工濕地運行70 d時，TN、TP去除率分別為25.60%、38.80%。小流域水體來源復(fù)雜，4—5月雨水較多，上游進(jìn)水在匯合前被雨水稀釋，進(jìn)水氮磷濃度較低。生態(tài)浮床聯(lián)合基質(zhì)對高濃度進(jìn)水營養(yǎng)鹽具有快速穩(wěn)定的去除效果，對低濃度進(jìn)水表現(xiàn)平緩而持久[3]。

3 結(jié)論

人工濕地采用海馬齒與多種基質(zhì)構(gòu)建生態(tài)浮床，以修復(fù)小流域富營養(yǎng)化水體?，F(xiàn)場運行表明，人工濕地可以有效去除進(jìn)水中的氮磷，調(diào)節(jié)出水微生物群落的相對豐度。因此，該方法能夠改善小流域水環(huán)境，凈化水質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

1 王立杰，代學(xué)民，南國英，等.人工濕地基質(zhì)對污水中污染物凈化研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2023（11）：44-46.

2 LU H，LI J，LIU X，et al.Removal of fluoride and arsenic by a hybrid constructed wetland system[J].Chemistry amp; Biodiversity，2019（7）：1900078.

3 萬玉文，郭長強，茆 智，等.多級串聯(lián)表面流人工濕地凈化生活污水效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016（3）：220-227.