劉嵐昕于素晗李娜，2，王赫冷雪飛李崇包震宇

(1.遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧 沈陽 110161；2.大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；3.沈陽師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，遼寧 沈陽 110034)

隨著中國(guó)城市化的快速發(fā)展和工業(yè)的不斷擴(kuò)張，生活污水和工業(yè)廢水的排放量顯著增加，使得水污染問題形勢(shì)嚴(yán)峻，大量含有氮磷的有機(jī)污染物進(jìn)入城市水體，使得城市大量河流水質(zhì)惡化嚴(yán)重，黑臭現(xiàn)象頻發(fā)[1]。黑臭水體污染日益增加，城市河道水體的生態(tài)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重的破壞，不僅威脅沿岸居民的身心健康，同時(shí)也制約著我國(guó)良好的城市發(fā)展模式[2]。國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》指出，到2030年這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，處于城市建成區(qū)的黑臭水體應(yīng)該總體得到消除。雖然多年來在國(guó)家及省科技部門的大力支持下，已經(jīng)研發(fā)了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)成果，突破了一些關(guān)鍵技術(shù)，取得了一些治理成效，但返黑返臭現(xiàn)象頻發(fā)。針對(duì)城市水體水質(zhì)長(zhǎng)效改善，現(xiàn)有水污染治理技術(shù)仍需完善提升，以滿足支撐遼河流域水環(huán)境改善的需求。

目前，國(guó)內(nèi)外城市黑臭水體修復(fù)方法有物理法、化學(xué)法和生物生態(tài)法。物理方法，包括人工曝氣、疏浚沉積物、引水稀釋和機(jī)械除藻，這些是基本的傳統(tǒng)方法，需要大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間?；瘜W(xué)方法，包括化學(xué)氧化、增強(qiáng)絮凝、化學(xué)沉淀和化學(xué)除藻，使用這些方法產(chǎn)生二次污染是不可避免的。生物生態(tài)方法，包括植物凈化技術(shù)、微生物技術(shù)、生物膜技術(shù)、人工濕地技術(shù)和組合生物技術(shù)，這些方法都是環(huán)保的，旨在提高河流的自凈能力，恢復(fù)其生態(tài)系統(tǒng)[3]。與傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法相比，生物生態(tài)法可以更有效地去除污染物，對(duì)人類和環(huán)境的影響相對(duì)較小。目前，生物處理黑臭水體是一種長(zhǎng)期可行的策略[4]。

生物-生態(tài)污水原位治理方法是利用植物或微生物的生命活動(dòng)，對(duì)水體中的污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解，從而凈化水體的技術(shù)。沉水植物是水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展程度的標(biāo)志，沉水植物可改善水體水質(zhì)，恢復(fù)水體生態(tài)。趙文婧等[5]對(duì)金魚藻、穗花狐尾藻、苦草凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的處理效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在人工浮床種植模式下，苦草、穗花狐尾藻和金魚藻對(duì)自然水體中總氮的去除率分別為49.4%、55.9%和53.8%，總磷的去除率分別為15.0%、39.6%和47.8%，表明沉水植物種植浮床生長(zhǎng)模式可以有效凈化處理不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化水體。Zhang等[6]為了確定改善水質(zhì)所需的最佳沉水植物覆蓋率，在我國(guó)白洋淀的一個(gè)子湖進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查和模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)了2個(gè)季節(jié)和5個(gè)沉水植物覆蓋梯度的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，覆蓋度為25%、50%、75%和90%的總氮含量分別比0%下降了76.43%、90.98%、88.28%和84.32%，總磷含量分別下降了85.15%、88.48%、87.76%和79.00%。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，生物-生態(tài)水體凈化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，優(yōu)化生物生態(tài)治理技術(shù)，提高微生物、植物的適應(yīng)性，將是下一步的研究方向。

鐵碳內(nèi)電解是利用金屬腐蝕原理法，形成原電池對(duì)廢水進(jìn)行處理的良好工藝，內(nèi)電解技術(shù)是處理高濃度有機(jī)廢水的一種理想工藝。其是在不通電的情況下，利用填充在廢水中的微電解材料自身產(chǎn)生1.2V電位差對(duì)廢水進(jìn)行電解處理，以達(dá)到降解有機(jī)污染物的目的。鐵碳內(nèi)電解是一種低成本、高效的電化學(xué)方法，用于處理不同類型的廢水，包括制藥、石油、化工等廢水。Huang等[7]建立了含鐵碳填料和含陶粒填料的人工濕地，探索含鐵碳填料的人工濕地的污染物去除性能，結(jié)果表明，無碳源的CW-Fe系統(tǒng)具有更好的總磷去除性能。Li等[8]對(duì)鐵碳內(nèi)電解基質(zhì)人工濕地脫氮除磷及其機(jī)理進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)人工濕地相比，F(xiàn)e和Fe-C組合的總氮去除率分別為76.1±0.6%和86.5±1.7%，對(duì)于Fe-C組合，F(xiàn)e是去除硝酸鹽的電子供體。Fe產(chǎn)生了大量的Fe2+和Fe3+，生物炭為細(xì)菌粘附和Fe陽離子與磷酸鹽的共沉淀提供了大的表面，添加Fe-C后，總磷去除率高達(dá)98%，F(xiàn)e-C組合是人工濕地的高效、環(huán)保的功能基質(zhì)。

本研究從城市水體生態(tài)修復(fù)入手，以城市黑臭水體為處理對(duì)象，構(gòu)建了鐵碳內(nèi)電解強(qiáng)化的沉水植物凈化城市水體的耦合體系，分析其對(duì)城市水體的凈化效能以及耦合體系中的微生物群落結(jié)構(gòu)演變，為黑臭水體除污富氧提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。主體部分是總?cè)莘e為25L的方形塑料箱，箱高35cm，上口徑邊長(zhǎng)為30cm，下口徑邊長(zhǎng)為27cm?？嗖莘N植于圓形定植籃中，定植籃中的基質(zhì)由上到下依次為鐵碳填料、生物填料、陶粒。將種植好苦草的定植籃按相應(yīng)的投加量置于方桶底部，注入黑臭污水。試驗(yàn)于室溫條件下進(jìn)行，溫度為18～22℃，白天苦草用全光譜補(bǔ)光燈補(bǔ)充光照，照度為6000lx，6500～7500k冷色溫，光照10h。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

鐵碳填料是直徑為2.5cm的橢圓球體，鐵和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為78.57%、11.21%。使用前用1%硫酸溶液浸泡10min，去除填料表面的氧化物，再用清水沖洗至中性[9]。苦草為四季常青矮生苦草，選長(zhǎng)勢(shì)好，根系發(fā)達(dá)，株高及葉片數(shù)相近的苦草進(jìn)行試驗(yàn)。陶粒為輕質(zhì)陶粒，粒徑為1～2mm。生物填料為大連宇都改性生物懸浮填料。本試驗(yàn)中為了試驗(yàn)的快速啟動(dòng)，生物填料先用模擬城市黑臭水掛膜培養(yǎng)20d，待填料表面生成生物膜后再置于定植籃中進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)用水

黑臭水的水質(zhì)受環(huán)境溫度、采樣時(shí)間和位置的影響很大，為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，試驗(yàn)采用模擬黑臭水進(jìn)行。模擬黑臭水的配方[10]：400mg·L-1淀粉，100mg·L-1尿素，100mg·L-1FeSO4·7H2O，50mg·L-1Na2HPO4，10mg·L-1KH2PO4，89mg·L-1CaCl2，50mg·L-1MgSO4，20mg·L-1活性污泥。使用前將混合物在20～25℃密封桶中保存8d。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目與方法

測(cè)試項(xiàng)目包括各種常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)，均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮、NO2--N和NO3--N分別采用納氏試劑比色法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法監(jiān)測(cè)和紫外分光光度法監(jiān)測(cè)。

1.5 微生物高通量測(cè)序分析

為了考察系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)系統(tǒng)中苦草根際微生物群落進(jìn)行了高通量測(cè)序分析。對(duì)苦草根際微生物進(jìn)行DNA提取、PCR擴(kuò)增和產(chǎn)物純化，并使用Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)，由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限進(jìn)行測(cè)序分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 耦合體系的處理效能

耦合體系經(jīng)過25d的運(yùn)行，氨氮的轉(zhuǎn)化率為90.51%，TN去除率為84.93%，TP的去除率為97.38%，取得了較好的處理效果。

2.2 耦合體系中微生物群落演變和相互作用

對(duì)耦合體系中的鐵碳填料、微生物填料和水體中的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。耦合體系運(yùn)行第5天，鐵碳填料、微生物填料和水體的微生物樣本分別為F1、B1、W1；耦合體系運(yùn)行第25天，鐵碳填料、微生物填料和水體的微生物樣本分別為F2、B2、W2。

2.2.1 耦合體系中微生物的豐富性和多樣性

如圖2所示，測(cè)序數(shù)量隨著OTU數(shù)量的增加而增加。當(dāng)測(cè)序次數(shù)少于10000次時(shí)，曲線迅速增加，表明檢測(cè)到許多新物種。當(dāng)測(cè)序數(shù)量超過30000時(shí)，曲線增長(zhǎng)較慢，表明檢測(cè)到的新物種較少。大多數(shù)物種是在生長(zhǎng)趨勢(shì)為零時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。每個(gè)樣本的測(cè)序數(shù)量平均達(dá)到40000多個(gè)，可以有效地反映物種的豐富度。此外，稀釋曲線可以反映每個(gè)樣本的物種豐富度。當(dāng)測(cè)序數(shù)量超過10000時(shí)，鐵碳填料和生物填料中的微生物增長(zhǎng)較快，耦合體系中物種豐富度的順序?yàn)镕2>F1>B2>B1>W2>W1。

圖2 Alpha多樣性比較(稀釋曲線)

表1中的覆蓋指數(shù)反映了16s rRNA數(shù)據(jù)庫的測(cè)序覆蓋率，可以看出每個(gè)微生物樣本的覆蓋率均在99.80%以上。Alpha多樣性用于反映每個(gè)樣本的物種多樣性。在Alpha多樣性指數(shù)中，ACE和Shannon用于反映物種豐富度和群落多樣性，這在物種多樣性評(píng)估中很重要。ACE值越高，樣本的物種豐富度就越高，Shannon值越高，樣本的群落多樣性就越高。從表1中可以看出，物種豐富度的順序?yàn)镕2>F1>B2>B1>W2>W1，這與稀釋曲線的結(jié)果一致。同時(shí)，根據(jù)各微生物樣本的Shannon值可以看出，隨著耦合體系的運(yùn)行，系統(tǒng)中微生物的豐富度和多樣性都呈增加趨勢(shì)。這與Zhao等得出的結(jié)論，向人工濕地中添加鐵(Fe0、Fe2+、Fe3+)促進(jìn)了Shannon指數(shù)相一致[11]。

表1 耦合體系微生物樣本的Alpha多樣性

2.2.2 微生物在耦合體系中的分布和演變

圖3所示的Sunburst圖展示了B1、B2、F1、F2、W1、W2 6個(gè)樣品微生物群落的層級(jí)分類學(xué)組成信息。從最里圈向最外圈依次為門、綱、目、科、屬，不同顏色表示不同的門?？梢钥闯鲨F碳填料、微生物填料和水體中的微生物群落結(jié)構(gòu)是不同的，存在差異性，在黑臭水體的生態(tài)修復(fù)中的作用也不盡相同。從圖4微生物功能熱圖可以看出，隨著耦合體系的運(yùn)行，系統(tǒng)的自養(yǎng)脫氮能力有所增強(qiáng)。

圖3 微生物多級(jí)物種Sunburst圖

圖4 微生物的功能熱圖

由圖5可以看出，耦合體系中的優(yōu)勢(shì)菌Rhodobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Pseudoxanthomonas，Arenimonas和Rhodocyclaceae的豐度在系統(tǒng)中呈上升趨勢(shì)，均是有自養(yǎng)反硝化作用的微生物[12]。氨氧化菌Chitinophagaceae豐度在生物填料和鐵碳填料中增加，在水體中減少。與脫氮除磷除碳相關(guān)的微生物norank_f__Rhizobiales_Incertae_Sedis，norank_f__Caldilineaceae，AKYG587，unclassified_f__Comamonadaceae，norank_f__A4b的豐度在耦合體系中均呈上升趨勢(shì)。此外，Hydrogenophaga，Mycobacterium和Rhodobacter有同步硝化反硝化作用，Hydrogenophaga，Rhodobacter，Bacillus與磷循環(huán)相關(guān)，Rhodobacter和Pseudomonas是電活性菌，具有耐低溫特性。norank_f__JG30-KF-CM45利于苦草生長(zhǎng)，Pseudomonadaceae可防植物病蟲害。在Proteobacteria菌門中發(fā)現(xiàn)了Nitrosomonadaceae，屬于AOB。

圖5 屬水平的微生物組成

3 結(jié)論

鐵碳內(nèi)電解強(qiáng)化的沉水植物耦合體系凈化城市水體取得了較好的處理效果，對(duì)耦合體系中的微生物群落分析結(jié)果顯示，耦合體系經(jīng)過20d的運(yùn)行，微生物多樣性和豐富性顯著提高，有自養(yǎng)反硝化作用的微生物Rhodobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Pseudoxanthomonas，Arenimonas和Rhodocyclaceae在耦合體系中為優(yōu)勢(shì)菌，其豐度呈上升趨勢(shì)，耦合體系的脫碳除磷能力增強(qiáng)。