三级表面流人工湿地对猪场废水深度净化效果研究_徐少奇.pdf

DOI：10.19965/ki.iwt.2022-0843第 43 卷第 7 期2023年 7 月Vol.43 No.7Jul.，2023 工业水处理Industrial Water Treatment86三级表面流人工湿地对猪场废水深度净化效果研究徐少奇1，贾凯雪1，解林奇2，王志刚2，李季1，3，魏雨泉1，3（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.北京大北农科技集团股份有限公司，北京 100080；3.中国农业大学有机循环研究院（苏州），江苏苏州 215100）摘要 构建三级表面流人工湿地处理低浓度猪场废水并评价其净化效果，同时利用高通量测序技术表征湿地运行前后底泥微生物群落结构变化。低浓度猪场废水中化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）分别为 87.7、32.3、29.5、3.3 mg/L，经三级人工湿地处理后出水各指标平均质量浓度分别为 20.0、8.7、8.5、0.5 mg/L，即该人工湿地对各指标的去除率分别为 77%、73%、71%、84%。表面流人工湿地的运行影响了底泥微生物群落结构，各级人工湿地底泥细菌群落多样性和丰富度均显著高于原始土壤。微生物群落分析表明，酸杆菌门（Acidobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）以及脱硫菌门（Desulfobacterota）是底泥微生物群落的优势门。基于共线网络分析发现，m（COD）/m（P）、m（N）/m（P）以及 TP是影响底泥菌群结构的主要环境因素，其对 Acidobacteria以及 Desulfobacterota有显著影响。关键词 表面流人工湿地；猪场废水；微生物群落；网络分析中图分类号 X703.1 文献标识码 A 文章编号 1005-829X（2023）07-0086-08Deep purification effect of three-stage surface flow constructed wetland on pig farm wastewaterXU Shaoqi1，JIA Kaixue1，XIE Linqi2，WANG Zhigang2，LI Ji1，3，WEI Yuquan1，3（1.College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China；2.Beijing Dabeinong Technology Group Co.，Ltd.，Beijing 100080，China；3.Organic Recycling Research Institute（Suzhou）of China Agricultural University，Suzhou 215100，China）Abstract：A three-stage surface flow constructed wetland was constructed to treat low concentration pig farm wastewater and its purification effect was evaluated.At the same time，high-throughput sequencing technology was used to characterize the changes of microbial community structure in the sediment before and after the wetland operation.The average influent mass concentrations of chemical oxygen demand（COD），total nitrogen（TN），ammonia nitrogen（NH4+-N）and total phosphorus（TP）were 87.7，32.3，29.5 and 3.3 mg/L respectively.After treatment by three-stage constructed wetland，the average effluent mass concentrations were 20.0，8.7，8.5 and 0.5 mg/L respectively.That meant the removal rates of the indexes reached 77%，73%，71%and 84%.The operation of surface flow constructed wetland affected the microbial community structure of the sediment.The diversity and richness of the bacterial community in the sediment of constructed wetlands at all levels were significantly higher than that of the original soil.The overview of microbial community showed that Acidobacteria，Proteobacteria，Chloroflexi and Desulfobacterota were the dominant phylum of the microbial community in the sediment.Based on the collinear network analysis，it was found that m（COD）/m（P），m（N）/m（P）and TP were the main environmental factors affecting the bacterial structure of the sediment，and had a significant impact on Acidobacteria and Desulfobacteria.Key words：surface-flow constructed wetlands；swine wastewater；microbial community；network analysis根据第二次全国污染物普查公告1，我国 2017年畜禽规模养殖场水污染物排放为 COD 604.83万 t，基金项目 国家自然科学基金项目（32071552）；国家环境保护食品链污染防治重点实验室开放课题基金项目（FC2022YB01）；北京大北农科技集团股份有限公司内部项目（DBW0056）开放科学（资源服务）标识码（OSID）：87工业水处理 2023-07，43（7）徐少奇，等：三级表面流人工湿地对猪场废水深度净化效果研究TN 37.00 万 t，TP 8.04 万 t，分别占农业源 COD、TN、TP 排放量的 56.6%、26.1%、37.9%。针对现状，我国着眼于引导规模化的畜禽养殖场和养殖户使用最佳生产工艺和适宜的污染防治技术，但是随着国家污水排放标准的日益更新，养殖废水的治理仍然是环保上的棘手问题。人工湿地（Constructed wetland）作为一种先进的废水处理技术，具有成本低廉、高效、易操作的优点2，目前已作为畜禽养殖废水深度处理技术被广泛应用，具有很大的发展前景。人工湿地有两种主要形式，表面流人工湿地和地下流人工湿地。表面流人工湿地相较于地下流人工湿地具有建设成本低、后期维护简单的优点3。同时多级表面流人工湿地污水处理时间更长，可以提供更多的微生物生长位点4，污水净化效果更佳。但多级表面流人工湿地占地面积较大，多数规模化养殖场不满足建设条件，实际建设过程中只得减少湿地数量，从而导致废水处理不能达到预期效果。若要实现原位提升各级湿地净化效果，则需要明确影响人工湿地废水处理效果的因素。人工湿地利用基质吸附、植物吸收以及微生物同化作用进行污水净化，其污水处理能力取决于湿地设计、微生物群落和植物种类等5。而微生物作为人工湿地净化体系的重要组成部分，在湿地生物地球化学循环中起着重要作用。不同的微生物群落会产生不同的生物化学反应，消耗废水中的营养物质，净化水质6。目前的研究普遍认为，人工湿地中微生物对氮的去除主要通过氨化、硝化和反硝化来完成7-9。En XIE等8发现，放线菌门、厚壁菌门以及变形菌门中的一些微生物具有将有机氮转化为 NH4+的功能。具有反硝化能力的微生物种类较多，包括不动杆菌属（Acinetobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、硫杆菌属（Thiobacillus）、脱氯单胞菌属（Dechloromonas）、罗思河小杆菌属（Rhodanobacter）、热单胞菌属（Thermomonas）和索氏菌属（Thauera）等10-12。另据 S.S.DALAHMEH 等13研究，硝化杆菌属（Nitrobacter）和硝化螺菌属（Nitrospira）具有硝化功能，其与水体中氮素循环有密切关系。人工湿地的生物除磷过程主要是通过聚磷微生物实现的，其在好氧和厌氧交替条件下吸收废水中的磷酸盐并将其储存在细胞中，变形菌门是参与人工湿地生物除磷的主要菌门14，其中，变形菌门、变形菌门和 变形菌门中包含大多数与生物除磷相关的微生物物种15-17。为实现原位提升人工湿地净化效果，本研究构建了一个三级表面流人工湿地用于处理低浓度猪场废水，并基于出水的 COD、TN、NH4+-N 和 TP 评价三级表面流人工湿地净化效果，同时，结合高通量测序技术对运行前后表面流人工湿地底泥的细菌多样性和群落进行了表征，并分析影响人工湿地底泥微生物生长的关键环境因子。1 材料方法1.1试验装置本研究中的三级表面流人工湿地设置在江西省吉安市泰和县禾市镇沙里村（2653N，11441E），试验期间平均气温 13。试验用水为经氧化塘处理后的猪场废水，湿地采取连续流的进水方式，水力停留时间 7 d。每个表面流人工湿地以当地的水稻土作为基质进行填充，填充高度约为0.2 m，每级人工湿地体积260 m3，水深设置为0.4 m。人工湿地中种植了株高 56 cm 的绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum Gaudich），密度为 1620 株/m2，盖度 50%60%。湿地末端设置一生态鱼塘，以强化湿地净化效果。三级表面流人工湿地系统结构及采样点分布见图 1。1.2样品采集与测试待表面流人工湿地稳定运行后采集进出口水样。水样用聚乙烯塑料瓶采集，存放于-18 冰箱中，水样中的NH4+-N、TN、TP、COD采用HACH哈希DR1900便携式分光光度计当日测定。使用直径为 2 cm 的不锈钢螺旋钻在湿地中心底泥表层 05 cm处收集 3个底泥样品，用来分析各级人工湿地底泥细菌群落结构变化。1.3高通量测序分析方法样品根据FastDNA SPIN for soil kit（MP Biomedicals，Solon，USA）说明书进行微生物群落总DNA抽提。对于细菌使用338F（5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3）和 806R（5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3）进行PCR 扩增。AxyPrep DNA 凝胶提取试剂盒（Axygen 图 1三级表面流人工湿地系统结构及采样点分布Fig.1 Structure and sampling point distribution of tertiary surface flow constructed wetland system试验研究工业水处理 2023-07，43（7）88Biosciences，Union City，CA，USA