贵州大学付天岭团队ET&I：三级垂直流人工湿地用于垃圾渗滤液治理

随着经济的发展和人口的增加，城市生活垃圾的数量急剧增加。到2025年，全球每年的城市生活垃圾将超过22亿吨，城市生活垃圾处理是世界面临的重大挑战。生活垃圾填埋是最常见的处理方法，是一种成本低、效率高的成熟处理技术。生活垃圾经过长时间的生化分解和雨水冲刷，形成毒性高、营养失衡、成分复杂的垃圾渗滤液，对周边环境和公众健康构成威胁。垃圾渗滤液具有高NH ₄ ⁺ -N和低C/N的特点，增加了高效处理的成本和难度。人工湿地系统已被证明是处理垃圾渗滤液的可行方法。在本研究中，将采用基于废水再循环的三级垂直流人工湿地处理垃圾渗滤液，揭示三级垂直流人工湿地处理垃圾渗滤液过程中的脱氮效果和微生物学特性。这些发现将为人工湿地的垃圾渗滤液治理提供基础数据。

三级垂直流人工湿地对COD、TN、NH ₄ ⁺ -N和NO ₃ ^- -N的平均去除率分别为88.36%、91.43%、94.19%和98.11%，对垃圾渗滤液具有较好的去除效果(见表1)。CW1对进水中COD的平均去除率为36.89%，CW2和CW3对COD的平均去除率分别为28.28%和23.19%。CW1对进水中TN和NH ₄ ⁺ -N的去除率分别为42.96%和42.41%，出水中氮主要为NH ₄ ⁺ -N和部分NO ₃ ^- -N。CW2对进水中TN和NH ₄ ⁺ -N的去除率分别为27.06%和32.18%，出水中氮为NO ₃ ^- -N。与CW1和CW2相比，CW3进水对TN和NH ₄ ⁺ -N的去除率分别为21.41%和19.60%，出水中氮的主要形态为NH ₄ ⁺ -N和NO ₂ ^- -N。T-VF存在NO ₂ ^- -N积累，积累率从7.39%持续增加到89.91%。

表1 三级垂直流人工湿地不同处理单元的进水和出水污染物浓度

Table 1 Influent and effluent concentrations of different subunits in T-VF

门水平上与脱氮相关的微生物群落以变形菌门( Proteobacteria )、拟杆菌门( Bacteroidetes )和放线菌门( Actinobacteria )为主，相对丰度均在85%以上(见图1)。

图1 三级垂直流人工湿地不同处理单元在门水平上的微生物组成。

Fig. 1 Microbial composition of different subunits in T-VF at phylum level.

在T-VF中，氨氧化菌( Nitrosomonas )的相对丰度从5.25%下降到3.59%，亚硝酸盐氧化菌( Nitrobacter )的相对丰度从2.16%下降到1.57%。除了 Thauera , Lautropia 和 Luteimonas 外。从CW1到CW3 Rhodanobacter 、 Hydrogenophaga 、 Lysobacter 、 Simplicispira  和  Algoriphagus 反硝化菌的丰度增加。对T-VF的优势反硝化菌属进行了分析，平均相对丰度均在2%以上(图2)，其中CW1的优势反硝化菌属为 Thauera (13.11%)、 Thiobacillus (4.59%)和 Lautropia (2.52%)。CW2的优势反硝化菌属为 Thauera (12.51%)、 Thiobacillus (5.59%)和 Pseudomonas (2.33%)。CW3的优势反硝化菌属为 Thauera (9.84%)、 Thiobacillus (5.31%)、 Pseudomonas (2.49%)和 Rubrivivax (2.13%)。

图2三级垂直流人工湿地不同处理单元在属水平上的微生物组成。

Fig. 2 Chord charts of different subunits in T-VF at genus level.

基于KEGG数据库，对与氮代谢相关的功能基因和关键酶进行分类，进一步探索人工湿地的氮转化途径。三级垂直流人工湿地参与5个氮代谢模块，不同处理单元差异较小(图3a)。反硝化模块(M00529)的相对丰度最高，为43.73% ~ 44.04%。异化硝酸还原模块(M00530)的相对丰度为28.16% ~ 29.52%。此外，硝酸盐同化还原模块(M00531)、硝化模块(M00528)和固氮模块(M00175)相对丰度较低，在1% ~ 5%之间。

在三级垂直流人工湿地硝化过程中，氨在氨氧化酶(EC 1.14.99.39)的作用下转化为羟胺，羟胺再被羟胺脱氢酶(EC1.7.2.6)氧化为亚硝酸盐，最后氧化为硝酸盐。其中，主要涉及 amoABC 和 Hao 。 amoABC 和 Hao 在样品中所占比例较高(图3b)，在1% ~ 3%之间，说明T-VF具有较好的短程硝化性能。

图3 三级垂直流人工湿地氮代谢途径。

（a)KEGG功能标注。(b)氮代谢的KEGG途径。(c)氮代谢途径差异检测

Fig. 3 Pathway of nitrogen metabolism in different subunits of T-VF. (A) KEGG functional annotation. (B) KEGG pathway of nitrogen metabolism. (C) Differential detection map of Nitrogen metabolism pathway between groups

在三级垂直流人工湿地反硝化过程中，硝酸盐在EC1.7.99-和EC1.9.6.1活性下转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐在EC1.7.2.1、EC1.7.2.5和EC1.7.2.4活性下转化为氮气。EC1.7.2.4在不同处理单元中的丰度存在显著差异(P<0.05) (图3c)。在与硝酸盐还原同化相关的功能基因中，nasA占相对较高的比例(4.1%-7.1%)。在与异化还原硝酸盐相关的功能基因中，narG所占比例较高(18% ~ 23%)，nirBD在不同不同处理单元中差异显著(P<0.05)。此外，与异化硝酸盐还原相关的功能基因的相对丰度比同化硝酸盐还原更显著6-10倍，表明异化硝酸盐还原是T-VF中硝酸盐还原的主要途径(图4)。硝态氮转化过程( nirKS + norBC + nosZ )功能基因的相对丰度是亚硝酸盐氨转化过程( nirBD + nirA + nrfAH )的3.8 ~ 6.2倍，说明反硝化是实现亚硝酸盐还原的主要途径。

图4 三级垂直流人工湿地不同处理单元功能基因的相对丰度图

Fig. 4 Relative abundance plot of functional genes of different subunits in T-VF

由于三级垂直流人工湿地的协同作用， TN、 NH ₄ ⁺ -N和 NO ₃ ^- -N的平均去除率在90%以上。脱氮主要依靠优势硝化细菌(如 Nitrosomonas、Nitrobacter )和优势反硝化细菌(如 Thauera、Thiobacillus、Lautropia、Pseudomonas 和 Rubrivivax )。在试验期间，当T-VF持续运行时，NO ₂ ^- -N的积累量较高且稳定，从7.39%持续上升到89.91%，说明存在短程硝化作用。