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微納米曝氣聯(lián)合苦草對(duì)污染景觀水體的修復(fù)效果

來(lái)源:建樹(shù)環(huán)保 2025-06-07 16:51:36 141

景觀水體是濕地公園、城市旅游景點(diǎn)的重要組成部分,然而城市景觀水體大部分是封閉或者是半封閉狀態(tài),其自凈能力弱,環(huán)境容量小,生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,水質(zhì)穩(wěn)定性差,易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。由于地表徑流、無(wú)組織排放污水的流入以及內(nèi)源性污染物的釋放,導(dǎo)致景觀水體藻類大量生長(zhǎng),甚至出現(xiàn)黑臭,大大降低了其景觀價(jià)值。因此,如何修復(fù)治理污染景觀水體,使其水質(zhì)長(zhǎng)期維持穩(wěn)定,成為生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域急需解決的環(huán)境問(wèn)題。

污染景觀水體的修復(fù)方法主要包括物理、化學(xué)、生物生態(tài)處理法,如曝氣、化學(xué)藥劑或微生物菌劑的投加、水生植被恢復(fù)等。由于化學(xué)藥劑的使用成本高,容易產(chǎn)生二次污染,而投加微生物菌劑的治理效果不穩(wěn)定,且存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),因此,曝氣增氧和水生植物恢復(fù)成為污染水體修復(fù)常用措施。

盡管曝氣增氧是水體污染修復(fù)的一個(gè)重要手段,但是傳統(tǒng)鼓風(fēng)曝氣產(chǎn)生的氣泡大、氧傳質(zhì)效率低、能耗大。近年來(lái),微納米曝氣技術(shù)因產(chǎn)生的氣泡體積小、比表面積大、在水中停留時(shí)間長(zhǎng)、氧傳質(zhì)效率高、能產(chǎn)生活性氧等優(yōu)點(diǎn),而備受關(guān)注??嗖菔俏覈?guó)地表水體典型沉水植物,其繁殖速度快,根系較發(fā)達(dá),對(duì)天然水體水質(zhì)凈化,維持水生態(tài)平衡發(fā)揮重要作用,是地表污染水體生態(tài)修復(fù)優(yōu)先選擇的物種。已有微納米曝氣應(yīng)用在生物膜污水處理、微納米氣泡浮選、“微納米曝氣-臭氧”耦合處理技術(shù)在生活污水、工業(yè)廢水、地表水體及地下水污染修復(fù)等方面的研究報(bào)道,但微納米曝氣聯(lián)合水生植物修復(fù)城市污染景觀水體的研究處于起步階段,尚未探明微納米曝氣聯(lián)合植被恢復(fù)作用對(duì)污染景觀水體微生態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)理。

鑒于此,本研究采用微納米曝氣聯(lián)合苦草(micro-nanoaerationcombinedwithVallisnerianatans,MAVS)對(duì)合肥濕地公園污染景觀水體進(jìn)行修復(fù)治理,考察COD、NH4+-N、TP、TN的處理效果及微生物種群結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,旨在為MAVS技術(shù)修復(fù)污染城市景觀水體提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域概況

工程實(shí)施的景觀水體位于安徽省合肥濱湖濕地森林公園中部區(qū)域(東經(jīng)31°43′15.53″,北緯117°23′16.70″),水體封閉,長(zhǎng)50m、寬3m、水深約80cm。合肥濱湖濕地森林公園靠近巢湖,屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),季風(fēng)明顯,氣候溫和,雨量充沛,年平均氣溫和降雨量分別為16.1℃和1215mm。

1.2 樣品采集與處理

沿水體長(zhǎng)度方向,在中線附近設(shè)置4個(gè)水體采樣點(diǎn)和3個(gè)底泥采樣點(diǎn)(圖1)。水體采樣點(diǎn)和底泥采樣點(diǎn)分別命名為A1、A2、A3、A4和B1、B2、B3,相鄰采樣點(diǎn)間距約15m。微納米曝氣與苦草聯(lián)合修復(fù)工程實(shí)施前(3月份)和實(shí)施后3個(gè)月(6月份)、6個(gè)月(9月份)、7個(gè)月(10月份)和9個(gè)月(12月份),在設(shè)定的采樣點(diǎn)及采樣時(shí)刻(16:00)分別采集表層水樣和底泥樣。各采樣點(diǎn)初始水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1,每個(gè)底泥樣為抓斗采樣器抓3次的混合樣。樣品采集后立即帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存供后續(xù)分析使用。

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1.3 微納米曝氣裝置的安裝與調(diào)試運(yùn)行

工程選用的微納米曝氣裝置由安徽新宇環(huán)保科技股份有限公司提供。實(shí)驗(yàn)裝置主要分為箱體、提升泵、進(jìn)水口、儲(chǔ)水罐、進(jìn)氣口、自吸式氣液混合泵、溶氣罐及釋氣頭,水泵流量為20m3·h?1,進(jìn)氣量為2m3·h?1,該曝氣裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。曝氣裝置安裝在景觀水體旁,曝氣頭安置在景觀水體中部,微納米氣泡經(jīng)曝氣頭向水體四周擴(kuò)散,每日曝氣時(shí)刻為09:00—12:00、13:00—17:00。

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1.4 苦草的栽種

工程所用苦草由安徽新宇環(huán)保科技股份有限公司提供??嗖莘N植前,通過(guò)水泵排水使施工景觀水體水深降至20cm左右,然后栽種苦草。單簇苦草10顆左右,每簇左右間隔約30cm,前后約80cm,苦草栽植10d后恢復(fù)至原水位,之后安裝微納米曝氣裝置。

1.5 分析項(xiàng)目及方法

水體溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)用HACH(HQ40d)多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定?;瘜W(xué)需氧量(COD)檢測(cè)采用快速消解法、氨氮(NH4+-N)檢測(cè)采用納氏試劑分光光度法、總磷(TP)檢測(cè)采用鉬銻抗分光法、總氮(TN)檢測(cè)采用堿性過(guò)硫酸鉀法。底泥樣品DNA采用FASTDNA?SpinKitforSoil試劑盒進(jìn)行提取,提取的DNA由杭州明科生物技術(shù)有限公司進(jìn)行純化、擴(kuò)增、測(cè)序,得到原始數(shù)據(jù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控后,使用FLASH(version1.2.7)軟件進(jìn)行拼接,再使用Usearch軟件中UPARSE算法(version7.1),根據(jù)97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行操作分類單元(operationaltaxonomicunits,OTUs)聚類并剔除嵌合體。處理后,得到微生物門(mén)、屬水平的相對(duì)豐度。利用R語(yǔ)言包繪制主坐標(biāo)分析圖(principalco-ordinatesanalysis,PCoA),使用Origin2019進(jìn)行繪圖,并用Canoco軟件分析水體理化指標(biāo)對(duì)微生物群落變化的影響。

2、結(jié)果與討論

2.1 MAVS對(duì)景觀水體水質(zhì)的影響

1)MAVS對(duì)DO的影響。工程實(shí)施前后景觀水體DO的變化如圖3所示。可以看出,工程實(shí)施前景觀水體溶解氧維持在2~4mg·L?1。工程實(shí)施后,水體DO逐漸上升,15d左右,白天曝氣過(guò)程中DO穩(wěn)定在6~8mg·L?1,由此可知工程實(shí)施顯著提高了水體的DO值。工程實(shí)施160d后,微納米曝氣系統(tǒng)因故障停止運(yùn)行,水中DO逐漸下降至3~5mg·L?1,但與MAVS工程實(shí)施初期相比,仍有一定程度的提升。這是因?yàn)樗wDO除來(lái)自于微納米曝氣系統(tǒng)外,亦有部分來(lái)自于苦草的光合作用。

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2)MAVS對(duì)COD的影響。工程實(shí)施前后景觀水體COD變化如圖4所示。工程實(shí)施前,水體COD超過(guò)了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。工程實(shí)施后,60~100d期間,COD呈現(xiàn)下降趨勢(shì),COD在20mg·L?1上下波動(dòng);100d后,穩(wěn)定在20mg·L?1以下,處在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類,工程實(shí)施約120d,水中COD降至15mg·L?1以下,此時(shí)各采樣點(diǎn)COD去除率分別為55.61%、67.49%、53.95%和56.70%。微納米曝氣聯(lián)合苦草凈化水體COD包括2個(gè)方面:一是微納米曝氣激活了一些有機(jī)物降解菌群,強(qiáng)化了污染物生物降解;二是苦草生長(zhǎng)對(duì)污染物的吸收。160d時(shí)(9月中旬),微納米曝氣系統(tǒng)停止運(yùn)行,水體COD開(kāi)始上升,重新曝氣后COD又開(kāi)始下降,最終穩(wěn)定在20mg·L?1以下。微納米曝氣系統(tǒng)因故障停止時(shí)氣溫呈下降趨勢(shì),200d時(shí)(10月下旬),苦草基本停止生長(zhǎng),水質(zhì)凈化能力減弱,且開(kāi)始出現(xiàn)衰亡腐爛并釋放一定量有機(jī)物,從而導(dǎo)致COD升高;系統(tǒng)再次啟動(dòng),提高了水體DO,促進(jìn)了有機(jī)污染物的降解,COD又開(kāi)始下降。

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3)MAVS對(duì)N的影響。工程實(shí)施前后景觀水體NH4+-N、TN變化如圖5所示。可以看出,工程實(shí)施前,采樣點(diǎn)NH4+-N、TN質(zhì)量濃度分別為0.8~1.0mg·L?1、2.0~2.3mg·L?1,NH4+-N達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),而TN達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。工程實(shí)施后,水體NH4+-N、TN質(zhì)量濃度不斷下降,實(shí)施60d左右,TN達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),此后NH4+-N、TN質(zhì)量濃度進(jìn)一步下降。實(shí)施120d左右,其NH4+-N、TN達(dá)到最佳凈化效果,各采樣點(diǎn)NH4+-N轉(zhuǎn)化率分別為89.97%、88.00%、91.45%和89.82%,TN去除率為89.50%、75.55%、92.22%和89.81%。由于微納米曝氣系統(tǒng)是間歇運(yùn)行,白天曝氣階段,水體DO可以達(dá)到7mg·L?1左右,水體處在好氧狀態(tài);夜晚停止曝氣,DO降低,部分區(qū)域出現(xiàn)缺氧狀態(tài)。在好氧、缺氧交替變化條件下,水體NH4+-N被氧化為硝態(tài)氮而后被反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻O到y(tǒng)因故障停止曝氣期間,水中部分苦草衰亡分解和底泥污染物釋放導(dǎo)致NH4+-N呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì),隨著曝氣系統(tǒng)再次啟動(dòng),NH4+-N、TN質(zhì)量濃度又開(kāi)始下降??傮w上,水中NH4+-N、TN的變化與COD變化有高度相似性。

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4)MAVS對(duì)TP的影響。工程實(shí)施前后景觀水體TP變化如圖6所示??梢钥闯?,工程實(shí)施后,30d左右,TP逐漸下降,水體TP含量趨于穩(wěn)定,維持在0.1mg·L?1左右,與工程實(shí)施前相比,各點(diǎn)TP質(zhì)量濃度分別下降了78.96%、82.81%、83.70%和80.67%。停止曝氣期間,TP質(zhì)量濃度有所上升,后期即使恢復(fù)曝氣,TP質(zhì)量濃度仍略高于曝氣停止前的水平。這與后期氣溫下降、苦草停止生長(zhǎng)、進(jìn)入衰亡期、吸收磷的能力下降有關(guān)??傮w上,TP的變化與DO的變化趨勢(shì)相反。由此推測(cè),工程實(shí)施前上覆水中的磷主要來(lái)自于DO低時(shí)底泥的釋放。工程實(shí)施后,磷逐漸下降主要有2個(gè)原因:一是微納米曝氣提高了水中DO及氧化還原電位,有效抑制了底泥中磷的釋放;二是苦草生長(zhǎng)吸收了水體中的磷。

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由此可知,MAVS對(duì)污染景觀水體有較好的修復(fù)效果,苦草在成熟期和衰亡期對(duì)污染物吸收能力減弱,并且在衰亡期由于自身腐爛導(dǎo)致水體COD呈升高趨勢(shì)。因此,在修復(fù)水體過(guò)程中,建議在苦草進(jìn)入衰亡期前對(duì)其進(jìn)行收割打撈。

2.2 MAVS對(duì)底泥微生物群落的影響

1)MAVS對(duì)底泥微生物多樣性的影響。MAVS工程的實(shí)施改善了景觀水體水質(zhì),同時(shí)引起水體底泥微生物群落發(fā)生相應(yīng)變化。本研究中,4個(gè)季節(jié)總計(jì)15個(gè)底泥樣的測(cè)序結(jié)果顯示,測(cè)序基因序列數(shù)為33460~59316,覆蓋率約為97%,能真實(shí)地反映景觀水體微生物組成。表2反映了工程實(shí)施前后不同時(shí)期底泥微生物種群多樣性特征??梢钥闯觯琈AVS實(shí)施后,Chao、Shannon指數(shù)呈先下降后升高的趨勢(shì),工程實(shí)施后的3個(gè)月(6月份),底泥微生物種群多樣性下降,推測(cè)是由于MAVS的實(shí)施改變了水環(huán)境條件,促進(jìn)了一些優(yōu)勢(shì)微生物種群繁殖及微生物種群演替。此后,隨著水質(zhì)進(jìn)一步改善,微生物種群豐富度和多樣性逐漸升高。

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2)MAVS對(duì)底泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。利用物種Venn圖(圖7)進(jìn)一步分析修復(fù)過(guò)程中景觀水體不同時(shí)期底泥微生物種群結(jié)構(gòu)??梢钥闯?,5個(gè)階段樣品中獨(dú)特的OTUs分別為547、268、291、393、554,表明MAVS激活了一些在景觀水體中存在但不具有代謝活性的微生物。此外,5個(gè)階段OTUs為1818,占整個(gè)樣品的OUTs的比例較低。這表明,與修復(fù)工程實(shí)施前相比較,修復(fù)工程實(shí)施后微生物群落發(fā)生了明顯的變化。

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為明確景觀MAVS修復(fù)工程實(shí)施對(duì)水體底泥微生物群落的影響規(guī)律,在門(mén)、屬分類水平上對(duì)底泥優(yōu)勢(shì)微生物進(jìn)行了分析,結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。

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由表3可知,修復(fù)工程實(shí)施前,Proteobacteria(變形菌門(mén))、Bacteroidetes(擬桿菌門(mén))、Acidobacteria(酸桿菌門(mén))和Chloroflexi(綠灣菌門(mén))是豐度較高的4個(gè)菌門(mén),占比分別為53.54%、9.95%、9.51%、6.14%。隨著修復(fù)工程實(shí)施時(shí)間的延長(zhǎng),不同月份的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)保持相對(duì)穩(wěn)定,但它們的相對(duì)豐度發(fā)生了一定程度的改變。Proteobacteria、Bacteroidetes的豐度隨修復(fù)過(guò)程的進(jìn)行而下降,Proteobacteria是細(xì)菌中數(shù)量最多的細(xì)菌門(mén),Bacteroidetes是參與有機(jī)碳和蛋白質(zhì)物質(zhì)循環(huán)的異養(yǎng)微生物,通常在厭氧和缺氧環(huán)境中豐度更高;而Acidobacteria、Chloroflexi豐度在修復(fù)過(guò)程的前期均有所升高,但在12月份Acidobacteria豐度有所降低。

由屬水平微生物群落組成(表4)可知,景觀水體在工程實(shí)施前,不可培養(yǎng)的紅環(huán)菌屬(Rhodocyclus_uncultured)、XanthomonadalesIncertaeSedis_uncultured、不可培養(yǎng)的產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes_uncultured)和BacteroidetesvadinHA17_norank是底泥微生物種群豐度較高的4個(gè)屬,占比分別為8.81%、8.50%、2.94%、2.73%,其豐度隨修復(fù)過(guò)程的進(jìn)行而改變。Rhodocyclus_uncultured可利用不同有機(jī)底物作碳源和電子供體進(jìn)行厭氧代謝,XanthomonadalesIncertaeSedis_uncultured通常存在于活性污泥中,Alcaligenes_uncultured和BacteroidetesvadinHA17_norank是2類專性或兼性厭氧微生物。工程修復(fù)前,因水體有機(jī)物質(zhì)量濃度高,DO質(zhì)量濃度低,故這幾種菌屬微生物占比高;此后,這4種菌屬的微生物豐度隨著修復(fù)過(guò)程的進(jìn)行呈下降趨勢(shì),在10月份停止曝氣期間降至最低,而微納米曝氣設(shè)備重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)其又呈升高趨勢(shì)??傮w上,這幾類菌屬微生物的演替與水體COD、DO變化分別呈相同和相反的變化趨勢(shì),但在時(shí)間上存在一定的滯后性。由此進(jìn)一步證實(shí),微納米曝氣聯(lián)合苦草修復(fù)能促進(jìn)底泥有機(jī)物的降解,調(diào)節(jié)水體溶解氧,調(diào)控水中好氧、厭氧或兼性厭氧微生物結(jié)構(gòu)組成及豐度。

為了進(jìn)一步揭示MAVS修復(fù)工程實(shí)施前后水體微生物群落隨修復(fù)時(shí)間的演化規(guī)律,根據(jù)不同時(shí)間底泥樣品OUT的分布,進(jìn)行了基于UniFrac的PCOA分析,結(jié)果見(jiàn)圖8。PCoA1和PCoA2的解釋率分別為19.78%和10.71%,表明MAVS修復(fù)工程對(duì)水體微生物群落組成有重要影響。工程實(shí)施前(3月份)與工程實(shí)施一段時(shí)間后(6月份、12月份),底泥微生物群落有明顯的區(qū)分。6月份和12月份有部分微生物群落聚集在一起,表明2個(gè)階段存在一些相同的微生物;而6月份與12月份水體水質(zhì)相似,說(shuō)明微生物群落與景觀水體的污染水平存在一定的相關(guān)性。由10月份、9月份及12月份微生物群落對(duì)比結(jié)果可知,3個(gè)月底泥微生物群落同樣發(fā)生了明顯的變化,推測(cè)是由于10月份微納米曝氣裝置停止運(yùn)行,水體水質(zhì)惡化,導(dǎo)致微生物群落發(fā)生了相應(yīng)改變。

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2.3 微生物群落組成與水體水質(zhì)理化性質(zhì)的相關(guān)性

為考察MAVS工程實(shí)施后水體水質(zhì)特性對(duì)底泥微生物群落的影響,采用Canoco軟件將TN、NH4+-N、COD、TP、DO與微生物群落繪制成CCA圖(圖9),同時(shí)得出理化性質(zhì)對(duì)微生物群落變異性的貢獻(xiàn)率,COD、TP、DO對(duì)微生物群落變化的貢獻(xiàn)率分別為73.9%、10.4%、6.6%。圖9中2個(gè)坐標(biāo)軸反映了34.68%的微生物群落變異,且可以看出DO與其他理化性質(zhì)呈負(fù)相關(guān)??梢钥闯?,COD、TP、DO與微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著相關(guān)性(P<0.05),對(duì)微生物群落變化影響最大的指標(biāo)為COD,其對(duì)微生物群落變化的貢獻(xiàn)率為73.9%。

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3、結(jié)論

1)MAVS可有效調(diào)節(jié)水體DO,強(qiáng)化污染水體中COD、NH4+-N、TP的轉(zhuǎn)化和去除,可促進(jìn)水質(zhì)改善。

2)MAVS工程實(shí)施后,水體底泥微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性增加;而優(yōu)勢(shì)微生物種群組成相對(duì)穩(wěn)定,其豐度呈現(xiàn)出與COD相同、DO相反的變化趨勢(shì),但存在一定滯后性。

3)MAVS在對(duì)水體進(jìn)行修復(fù)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)水質(zhì)理化特性,從而驅(qū)動(dòng)微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度產(chǎn)生變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明COD是驅(qū)動(dòng)微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度變化的最大貢獻(xiàn)者。

  廣東建樹(shù)環(huán)??萍加邢薰臼且患覍I(yè)從事工業(yè)廢水處理、工業(yè)廢氣處理和環(huán)境修復(fù)的環(huán)保設(shè)備研發(fā)與銷售服務(wù)的企業(yè)。為工業(yè)企業(yè)和市政工程等項(xiàng)目提供工業(yè)廢水處理、工業(yè)廢氣處理、有機(jī)廢氣VOCs處理的一體化解決方案,從“工程設(shè)計(jì)”、“工程承包”、“設(shè)備采購(gòu)”、“安裝調(diào)試”、“耗材銷售”、“運(yùn)營(yíng)管理”、“環(huán)評(píng)辦理”等環(huán)節(jié)提供專業(yè)的差異化服務(wù),聯(lián)系電話:135 5665 1700。

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