不同類型底棲動物對表面流人工濕地系統水質凈化的影響

郭 穎 謝慧君 張 建

(1.山東科技大學安全與環境工程學院, 青島 266590; 2.山東大學環境科學與工程學院, 青島 266237;3.山東大學環境研究院, 青島 266237)

在經濟發展、人口增加及水質標準日益嚴格的背景下, 我國仍然存在污水處理率較低的問題,尤其農村地區由于污水處理設施不夠完善等原因,污水處理率不足10%[1]。除此之外, 我國富營養化問題也依然嚴重, 2020年生態環境狀況公報顯示,在開展營養狀態監測的110個湖庫中, 輕、中、重度富營養狀態的分別占23.6%、4.5%和0.9%[2]。面對較為嚴峻的水污染形勢, 人工濕地作為一項投資、運行費用低、景觀優美、行之有效的污水處理技術, 一方面能經濟高效地解決農村地區污水處理率低的問題, 另一方面也能深度凈化城市污水處理廠尾水從而降低排入河湖的氮磷等營養元素含量、防控富營養化[3,4], 成為我國生態文明建設必不可少的水污染控制舉措。

人工濕地通常可以根據水流形態分為表面流人工濕地和潛流人工濕地, 其中表面流人工濕地相比潛流人工濕地建設和運行成本更低, 能耗小, 管理方便, 但同時氮磷處理率有限, 也面臨著冬季濕地植物枯萎及微生物活性降低等造成的冬季處理能力大幅度下降的問題[5]。因此, 亟需在維持表面流人工濕地低成本、低能耗等優點的同時提升其氮磷處理效率及冬季處理能力的措施。

人工濕地通過模擬自然濕地生態系統的結構和功能來實現水質凈化, 主要依靠基質、植物和微生物等的作用[6,7]。底棲動物作為自然濕地生態系統中的重要一環, 在人工濕地中卻少有考慮。實際上, 現有大量研究指出了一些類型的底棲動物在水生生態系統中起到了水質凈化作用。Poulsen等[8]發現集食型底棲動物搖蚊幼蟲可以增加反硝化微生物的活性和多樣性并因此促進水生生態系統中的氮去除, 濾食型底棲動物河蚌被證明能去除營養鹽及葉綠素a, 可望建造用于水質澄清的大規模生物過濾器[9], Estragnat等[10]指出刮食型底棲動物田螺具有降低水體碳氮含量及藻類生物量等作用。同時, 絕大多數底棲動物在冬季仍能保持一定的代謝, 因此, 將底棲動物引入表面流人工濕地可能在維持低成本低能耗的同時提升水質凈化效果包括冬季水質凈化能力。

目前, 有極少量研究嘗試將某種底棲動物引入表流人工濕地, 獲得了一定的水質提升效果[11,12]。但是, 對于不同類型底棲動物對表流型人工濕地水質影響效果尤其是冬季處理能力效果尚不清楚。本研究以表面流人工濕地為研究對象, 將不同攝食類型底棲動物應用于人工濕地, 通過研究夏冬兩季不同類型底棲動物對表面流人工濕地系統的水質凈化效果, 篩選出應用于人工濕地的底棲動物, 并分析人工濕地系統中底棲動物的水質凈化機理, 為后續底棲動物在人工濕地的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置位于山東省濟南市山東大學(北緯36°40′, 東經117°03′), 在室外建立了表面流人工濕地裝置(Constructed Wetlands, CWs)。裝置采用12個50 cm深、43 cm內徑的聚乙烯塑料桶。所有實驗裝置的底部均設有一個排水口, 用于排水。裝置中心有一根均勻帶孔PVC管, 用于原位測量溫度、pH和溶解氧(DO), 裝置情況如圖1所示。人工濕地基質主要由沉積物、河沙和礫石3部分組成。最上層為5 cm底泥基質層(取自白云湖自然濕地,北緯36°85′, 東經117°37′), 過2 mm篩網去除大顆粒,作為底棲動物棲息地; 中間為15 cm厚的河沙基質層(粒徑＜2 mm; 主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3);底部為5 cm厚的礫石層, 由粒徑在10—15 mm的大塊礫石組成。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of constructed wetlands

1.2 實驗材料

實驗植物選擇菹草和金魚藻。金魚藻和菹草在實際自然環境中互為生態位, 在一年中存在自然演替過程。春夏兩季金魚藻發芽生長, 秋冬兩季菹草存活。菹草和金魚藻分別于秋季和冬季采集于山東省南四湖(北緯35.29°, 東經116.59°), 經去離子水充分洗凈, 用10%營養鹽培養1周后, 挑選長勢一致的植株種植于實驗裝置中,種植密度均設置為100株/m2。實驗動物選擇3種不同攝食特性的典型底棲動物用于篩選: 集食者搖蚊幼蟲、濾食者河蚌和刮食者田螺。其中搖蚊幼蟲(Chironomus riparius)購于山東省濟南市某花鳥魚蟲市場, 挑選長度在7—12 mm的搖蚊幼蟲, 投加密度參考文獻中描述的自然界真實密度, 為14000條/m2[13]。河蚌采用的具體種類為背瘤麗蚌(Lamprotula leai), 采集于中國湖北省, 長度為(5.4±0.9) cm, 重量在(79.5±4.23) g,投加密度參考自然密度, 設置為56個/m2[14]。田螺采用的種類為中國圓田螺(Cipangopaludina chinensis), 采集于中國湖北省, 重量在(19.7±1.84) g, 投加密度參照自然密度, 為100個/m2[15]。3種底棲動物均在室溫下曝氣培養, 并在實驗開始前饑餓處理72h。

1.3 實驗設計

實驗中共設計四組實驗裝置, 分別為種植植物并投加搖蚊幼蟲的人工濕地系統(CLCWs), 種植植物并投加河蚌的人工濕地系統(FMCWs), 種植植物并投加田螺的人工濕地系統(VICWs)和只種植植物的對照組(BCWs)。每個組3個平行。其中, 植物在春秋和冬夏兩季分別種植菹草和金魚藻。實驗設計為序批式運行, 通過虹吸法將污水模擬液通入裝置。冬季水力停留時間為8d, 夏季水力停留時間為6d。冬季共運行8個周期(2017年12月至2018年2月), 夏季共運行15個周期(2018年6月至2018年9月), 夏季實驗在冬季運行結束后的裝置上繼續進行。污水模擬液濃度參考城市污水處理廠1級B排放標準配置, 濃度及配方如表1所示。

表1 污水模擬液濃度及配方Tab.1 Wastewater simulation solution concentration and formula

1.4 檢測指標及方法

采集到的水樣經過0.45 μm濾膜過濾后, 參照《水和廢水監測分析方法》[16]進行分析。主要分析指標為硝態氮(NO3-N)、銨態氮(NH4-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。其中NH4-N采用納氏試劑光度法, NO3-N采用紫外分光光度法, TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法, TP采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法。

1.5 植物、動物及基質檢測

考慮到夏季篩選缺少搖蚊幼蟲處理組, 采集冬季實驗裝置運行前后的植物樣品、動物樣品和基質樣品以比較不同底棲動物對人工濕地系統各介質的影響。所有植物經去離子水充分清洗后, 于65℃烘箱干燥72h, 研磨過40目篩備用。所有動物樣品經去離子水充分清洗后, 置于冷凍干燥機(德國Unicryo MC 2 L)在-60℃下干燥36h, 研磨過40目篩備用。植物樣品中TN和TP經過硫酸-過氧化氫消解后, 通過半微量凱氏定氮法和鉬銻抗分光光度法測定[17]。動物樣品中TN和TP分別利用元素分析儀和電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)測定。為保證基質樣品采樣的均勻性, 每個裝置內的樣品在同一高度隨機采集5個位置, 最終將其混合均勻。將整個河沙層(共15 cm)分為3個深度: 0—5 cm、5—10 cm和10—15 cm采樣。將人工濕地系統中3個平行裝置的基質混合, 得到每個條件下不同深度的唯一樣品。將沉積物層和河沙層基質樣品放在冷凍干燥機中于-60℃下進行干燥, 干燥時間為36h。干燥后的沉積物層和河沙層樣品磨碎, 分別過70目和18目篩收集備用。基質樣品TN采用半微量凱氏定氮法[17], TP樣品經過硫酸-高錳酸鉀氧化處理后, 采用鉬銻抗分光光度法測定[17]。

1.6 DNA提取和實時熒光定量PCR反應

在實驗結束后, 利用DNA提取試劑盒(Power-Soil?DNA Isolation kit DNA, MOBIO)對上層底泥、下層基質和搖蚊幼蟲體內DNA進行提取。提取得到的DNA濃度和純度通過Nanodrops ND-1000進行檢測, 合格的DNA樣品于-20℃冰箱內保存。實時熒光定量PCR(Real-time fluorescence quantitative PCR, qPCR)在LightCycler?480 II(Roche, USA)儀器上進行, 主要測定氮轉化相關功能基因, 包括氨單加氧酶(amoA)和亞硝酸鹽還原酶(nirK和nirS)。測定過程采用20 μL反應體系, 包括前引物0.4 μL、后引物0.4 μL、DNA樣品2 μL和SYBR酶10 μL, 其余由Free water補齊。具體操作步驟和引物參見Kang等[11]的研究。

1.7 數據處理

數據處理采用Microsoft?Office Excel 2010軟件進行, 利用統計程序SPSS 19.0進行單因素方差分析(ANOVA)來檢驗結果的顯著性, 當P＜0.05認為統計學顯著。

2 結果

2.1 不同種類底棲動物表面流人工濕地夏季污染物去除效果

由于夏季搖蚊幼蟲發生羽化, 因此夏季裝置中選用的底棲動物為河蚌和田螺兩種。裝置共運行10個周期。人工濕地裝置中NH4-N、NO3-N、TN和TP水質指標的去除效果如圖2所示。在所有人工濕地裝置中, NH4-N、NO3-N、TN和TP去除率為75.7%—94.5%、16.8%—75.6%、69.7%—86.1%和53.3%—99.0%。就NH4-N去除效果而言, 添加河蚌、田螺的人工濕地系統及未添加底棲動物的對照組人工濕地系統去除率分別為75.67%—95.24%、74.79%—93.48%和72.01%—94.64%, 3個組別沒有明顯差異(P＞0.05)。在裝置運行過程中, 各人工濕地系統去除效率均相對穩定, 維持在較高水平。在NO3-N的去除效果方面,通過對比兩種底棲動物添加的實驗組可以看出, 河蚌處理組(去除率在53.82%—77.54%)相較于田螺處理組(去除率在36.31%—60.77%)的處理效果更好(P＜0.05), 且這兩種添加底棲動物的人工濕地系統對NO3-N的去除效果均顯著高于只添加水生植物的對照組(去除率在16.84%—51.54%;P＜0.05), 在整個運行期內NO3-N去除效果相對穩定。TN去除效果與NO3-N去除效果規律相似, 即去除率總體表現出河蚌組＞田螺組＞對照組的規律, 3組去除率分別在67.65%—86.08%、52.58%—74.50%和40.79%—67.64%。在3種人工濕地系統中, TP去除率均達70%以上(除第9個周期河蚌組異常點外), 能夠滿足水質深度凈化的要求, 且3種人工濕地系統沒有顯著差異(P＞0.05)。

圖2 夏季底棲動物人工濕地水質處理效果Fig.2 Water quality treatment effect of benthic constructed wetland in summer

2.2 不同種類底棲動物表面流人工濕地冬季污染物去除效果

冬季裝置選用底棲動物河蚌、田螺和搖蚊共3種, 共運行5個周期。人工濕地裝置中NH4-N、NO3-N、TN和TP水質指標的去除效果如圖3所示。就NH4-N去除效果來看, 除前2個周期添加河蚌的人工濕地系統略高外, 4種人工濕地系統(添加搖蚊幼蟲的人工濕地系統、添加河蚌的人工濕地系統、添加田螺的人工濕地系統和沒有添加底棲動物的對照人工濕地系統)均沒有明顯差異(P＞0.05),各組去除效率可達83.3%—94.2%, 并且總體上各組去除效果和夏季相比沒有明顯差異。不同組別在NO3-N去除效果方面則表現出差異, 搖蚊幼蟲組NO3-N去除率明顯高于其他3種濕地系統(P＜0.05),去除率在29.37%—49.24%, 而河蚌組、田螺組和對照組NO3-N去除率分別為11.49%—24.27%、11.21%—24.12%和7.51%—20.20%, 3組之間沒有顯著差異(P＞0.05)。在最后2個周期搖蚊幼蟲處理組NO3-N去除效果有所降低, 可能與搖蚊幼蟲開始羽化有關。TN處理效果和NO3-N相似, 搖蚊幼蟲組顯著優于其他處理組(P＜0.05), 處理率在49.67%—58.36%, 在前兩個周期河蚌處理組效果(41.8%—42.4%)略高于田螺組(36.0%—36.5%)和對照組(34.04%—39.88%), 后期3種人工濕地系統間沒有明顯差異(P＞0.05)。這可能與溫度進一步降低導致河蚌活動和代謝受限有關。搖蚊幼蟲組、河蚌組、田螺組和對照組的總磷去除率分別為90.42%—100%、77.6%—89.6%、71.7%—91.0%和62.73%—76.30%, 可以看出搖蚊幼蟲組TP去除效果顯著優于其他3種人工濕地系統(P＜0.05), 其他3種人工濕地系統之間沒有明顯差異(P＞0.05)。

圖3 冬季底棲動物人工濕地水質處理效果Fig.3 Effect of benthic artificial wetland water quality treatment in winter

2.3 不同種類底棲動物添加對表面流人工濕地基質、植物、微生物的作用

為了理解不同種類底棲動物對表面流人工濕地系統帶來的影響, 測定了系統運行前后人工濕地系統植物和基質的TN和TP含量, 系統運行前后TN和TP含量變化結果如表2所示。就人工濕地系統運行前后植物TN和TP含量變化來看, 搖蚊幼蟲組運行后植物TN含量出現了明顯增加, 與運行前相比增加了6.090 mg/g, 河蚌組植物TN含量也略有增加, 增加了1.35 mg/g。田螺組和對照組植物TN含量則分別減少了2.520和3.010 mg/g。植物TP含量變化與TN不同, 4種人工濕地系統均出現了不同程度的增加, 其中以搖蚊幼蟲組最為明顯(0.794 mg/g), 河蚌組其次(0.297 mg/g), 對照組差異最小(0.040 mg/g)。在基質TN和TP含量變化上, 搖蚊幼蟲組變化量也最為顯著, 河蚌組TN含量增加了0.087 mg/g, TP變化不顯著, 田螺組和對照組表現出相同的TN增加量, 田螺組TP變化量也與對照組差異不大。四組人工濕地系統底泥TN含量均出現了不同程度的降低, 分別降低了0.390、0.291、0.261和0.272 mg/g, 可以看出搖蚊幼蟲組降低得最多, 田螺組最少。底泥TP含量除搖蚊幼蟲組沒有表現出變化外, 其他3個組TP含量均有所增加, 其中以對照組增加最多, 河蚌組最少, 但3組間差異較小。從表2可以看出, 相比于沒有添加底棲動物的對照組人工濕地系統, 添加搖蚊幼蟲的人工濕地系統植物中TN和TP含量增加量顯著大于對照組, 基質中TN和TP含量增加量同樣顯著高于對照組, 底泥中TN含量比對照組降低更顯著, TP含量增加量顯著低于對照組; 添加河蚌的人工濕地系統與搖蚊幼蟲組規律相似但是與對照組的差異小于搖蚊幼蟲組與對照的差異, 具體為植物中TN和TP含量增加量顯著高于對照組, 基質中TN含量和TP含量增加量略高于對照組, 底泥TN含量比對照組降低更多, TP含量增加量略低于對照組; 而添加田螺的人工濕地系統除植物中TP含量增加量顯著高于對照組外, 其余變化均與對照組差異不大。

表2 人工濕地系統運行前后不同介質中TN、TP含量變化量Tab.2 Variation of TN and TP contents in different media before and after operation of constructed wetland system

3 討論

3.1 底棲動物添加對表面流人工濕地水質凈化效果的影響

在結果2.1中, 3種人工濕地系統NH4-N和TP去除效果沒有顯著差異, NO3-N和TN去除效果均呈現河蚌組＞田螺組＞對照組, 三者NO3-N平均去除率分別為67.37%、53.16%和30.18%, TN平均去除率分別為76.12%、64.24%和51.78%。這表明在夏季添加底棲動物能顯著提高人工濕地NO3-N和TN處理效果, 且添加河蚌處理效果優于添加田螺。在以往的研究里, 研究者通過采取不同的手段提高了人工濕地水質凈化效果, 有研究在人工濕地中曝氣增氧,實現了67.41%的TN去除率及69.04%的NH4-N去除率[18]; 有研究者通過改變人工濕地基質構建生物炭基人工濕地以增強人工濕地脫氮除磷效果, 實現了70%以上的TN、TP去除率[19]; 也有研究通過構建潛流—表流復合人工濕地并嘗試不同的基質粒徑和植物組合, NH4-N、TN和TP的總去除率為66.54%—74.05%、61.55%—73.61%和38.16%—54.64%[20]。可以看出, 本研究實現了和這些研究相似甚至高于這些研究的水質凈化效果, 同時與曝氣、使用吸附材料作為基質等提升表面流人工濕地水質凈化效果的手段相比, 添加底棲動物提升水質凈化效果運行成本更低, 管理也更加方便, 更適合應用于表面流人工濕地。在夏季人工濕地系統運行期(60d)內, 兩種底棲動物人工濕地系統水質凈化效果都維持穩定, 表明通過添加底棲動物能在夏季穩定提升水質凈化效果尤其是NO3-N和TN處理效果。因此通過添加合適的底棲動物是一種高效且有實際應用意義的表面流人工濕地水質凈化效果提升手段。

在結果2.3中, 添加了搖蚊幼蟲的人工濕地系統在冬季表現出NO3-N、TN和TP去除效果的顯著增強, 添加河蚌的人工濕地系統和添加田螺的人工濕地系統沒有表現出明顯的冬季水質凈化效果的提升, 這主要和不同種類底棲動物的習性有關, 搖蚊幼蟲在冬季具有較高代謝活性[21], 對系統基質的擾動也更加強烈, 而河蚌和田螺冬季氣溫降低后通常掘穴進入基質半冬眠, 代謝和活動都有所降低[22],對水質影響減小。搖蚊幼蟲人工濕地NO3-N、TN和TP平均去除率分別為37.8%、54.0%和94.8%,與對照人工濕地平均去除率相比分別增加了29.51%、15.16%和37.62%, 較好地解決了表面流人工濕地冬季運行效率低的問題。有文獻顯示, 通過合理植物配置可以在冬季使表面流人工濕地NH4-N去除率維持在(62.1±8.8)%, TN去除率在(45.8±15.4)%, TP去除率在(62.1± 8.8)%[23]; 也有研究通過利用地熱能構建新型人工濕地實現NH4-N和TP的去除率分別為50.45%和69.17%[24]; Lu等[25]通過添加碳源實現人工濕地NO3-N去除率提高到30%。可見與其他技術相比, 搖蚊幼蟲人工濕地也具有較好的冬季水質凈化效果。另一方面, 結果2.2中也表現出受搖蚊幼蟲羽化影響, 搖蚊幼蟲處理組在系統運行后期NO3-N去除率下降, 雖然下降后仍顯著高于對照組, 但也表現出人工濕地僅添加單一底棲動物可能受底棲動物自身代謝和形態變化等影響。另外, 通常底棲動物會通過代謝排泄一定量的NH4-N[26], 但在本研究中添加底棲動物的處理組與對照組的NH4-N去除率均與顯著差別, 這可能與沉水植物優越的NH4-N去除能力避免了底棲動物排泄的NH4-N積累有關。

3.2 底棲動物型人工濕地水質凈化效果增強機理

通常人工濕地氮去除主要依賴基質中微生物的氮轉化作用、植物吸收作用和氨揮發作用[27,28]。在結果的2.3部分可以看到, 添加搖蚊幼蟲和河蚌都引起了植物中TN含量的增加, 這表明將底棲動物引入人工濕地促進了植物對N的吸收作用, 這可能是因為底棲動物脫氮產生了一氧化氮, 而一氧化氮對植物同化作用有一定的調節功能[29]。這種底棲動物對植物TN吸收作用的促進是底棲動物增強人工濕地TN去除的原因之一。一般來說, 通過基質中微生物脫氮是人工濕地脫氮的最主要途徑[30], 硝化微生物在有氧條件下將NH4-N轉化為NO3-N, 反硝化微生物再進一步將NO3-N還原成氮氣等實現水體脫氮是主要機制之一[31]。搖蚊幼蟲和河蚌等底棲動物可以通過掘穴在人工濕地系統基質形成通道從而形成微好氧區, 也通過呼吸作用降低基質局部溶解氧形成微厭氧區[32], 從而促進硝化作用及反硝化作用, 在保證高NH4-N去除率的同時顯著提高了系統NO3-N去除率。同時, 文獻表明搖蚊幼蟲和河蚌等底棲動物產生的孔穴可以促進NO3-N、NH4-N及顆粒性有機質等物質向基質滲透[32,33], 從而促進硝化作用或反硝化作用。針對水質凈化效果最突出的搖蚊幼蟲人工濕地系統及對照組人工濕地系統做的微生物實驗結果表明, 添加搖蚊幼蟲促進了人工濕地系統上層底泥和下層基質硝化菌和反硝化菌豐度, 這驗證了搖蚊幼蟲等底棲動物對硝氮作用及反硝化作用的促進。此外, 研究也顯示,搖蚊幼蟲、河蚌的腸道內有大量反硝化微生物[8,14],及河蚌的殼膜有硝化微生物[14], 這些微生物能促進在這些特定區域的硝化反硝化反應。在表3中可以看到, 搖蚊幼蟲的腸道中確實存在大量的氮轉化微生物。在本研究中, 底棲動物除了表現出對微生物氮轉化和植物氮吸收的促進, 還表現出對基質氮吸附沉淀等作用的增強。從結果2.3部分可以看到河蚌和搖蚊幼蟲也促進了人工濕地上層底泥TN含量的減少和下層基質TN含量的增加, 這可能和底棲動物從上層底泥向下層基質運動產生的過水通道有關, 也表明了搖蚊幼蟲和河蚌等底棲動物增強了人工濕地基質的吸收作用, 這種基質的作用也促進了水中氮的去除。田螺作為刮食者, 主要是在人工濕地底泥表層通過刮食微生物和藻類為生[15], 對植物和下層基質影響有限(表2), 其本身呼吸作用和體內微生物也能為反硝化提供一定有利條件, 因此田螺表現出了一定的NO3-N去除但效果不突出。

表3 氮轉化功能基因在不同介質中豐度Tab.3 The copy numbers of nitrogen-transforming functional genes in different media

人工濕地除磷機制主要有基質吸附沉淀作用,植物吸收作用[34], 其中基質的吸附沉淀作用是最主要的[35]。2.1結果中夏季磷去除效果沒有顯著差異,2.2中只有搖蚊添加增強了人工濕地的磷去除, 而表2中可以看出搖蚊幼蟲促進了下層基質磷含量的增加, 并使得上層底泥磷增量與對照組相比較低, 河蚌和田螺下層基質和上層底泥的磷變化相對對照組不顯著。這表明冬季搖蚊幼蟲促進了下層基質對磷的吸附沉淀作用, 這可能是由于冬季搖蚊幼蟲擾動活動劇烈, 形成的孔穴促進了上覆水反應性活性磷向下層基質的遷移[36], 從而促進基質有機顆粒物和金屬離子等對磷的吸附、絡合或離子交換[37]。而小試實驗基質較新可能是使得夏季對照組和底棲動物投加組都實現了較高磷去除率的原因。從表2可以看出, 底棲動物可以促進人工濕地植物對磷的吸收。因此底棲動物可能通過促進基質磷吸附沉淀和植物磷吸收增強人工濕地磷去除。

3.3 展望

本研究結果顯示, 冬季添加搖蚊幼蟲顯著提高了人工濕地污染物去除效果, 添加河蚌和田螺因河蚌和田螺活動減少代謝降低對人工濕地系統效果無顯著提升作用, 等到夏季河蚌和田螺尤其是河蚌對人工濕地運行效果有所提升, 搖蚊幼蟲會隨氣溫升高羽化飛離系統, 因此僅添加單一底棲動物可能無法穩定維持人工濕地全年運行效果。通過底棲動物組合比如搖蚊幼蟲和河蚌/田螺組合實現全年污染物穩定去除是可行的解決辦法之一, 搖蚊幼蟲因其極強的繁殖和環境適應能力可在一次引入后每年秋季自然滋生[38], 保證冬季人工濕地具有相當數量搖蚊幼蟲[21], 提升冬季人工濕地運行效果, 在搖蚊幼蟲春季羽化后, 添加的河蚌和田螺等底棲動物結束半冬眠從而代謝增加, 由此保證人工濕地春夏季運行效果。這意味著未來不同底棲動物組合對人工濕地全年運行效果的提升是一個有待深入研究的方向。在本研究中, 底棲動物投加量是根據自然環境中底棲動物真實密度確定的, 因不同底棲動物個體生物量差異較大, 最終投加生物量也有較大差異, 在這種差異基礎上得到了本研究不同種類底棲動物水質凈化效果, 然而在未來進行不同底棲動物組合人工濕地水質凈化效果研究時, 需要根據不同底棲動物生態位調整投加量, 以得出最優底棲動物組合凈化效果為研究目標, 單種底棲動物凈化效果可能與本研究有所差別。另外, 雖然人工濕地系統運行前期底棲動物擾動促進了基質對磷的吸附沉淀作用, 但隨著人工濕地基質磷含量的增加,底棲動物擾動可能會反而造成基質中磷向上覆水中釋放, 因此未來底棲動物型人工濕地的多年持續運行效果也有待進一步研究。

4 結論

本研究通過在表面流人工濕地中添加不同攝食類型的底棲動物考察了不同類型的底棲動物型人工濕地系統在夏季、冬季的水質凈化效果, 并結合人工濕地系統運行前后不同介質氮磷含量變化及不同介質微生物豐度變化揭示了其水質凈化機理。結果顯示, 夏季NO3-N去除效果和TN去除效果均表現為河蚌組(去除率分別為53.82%—77.54%和67.65%—86.08%)＞田螺組(36.31%—60.77%和52.58%—74.50%)＞對照組(16.84%—51.54%和40.79%—67.64%), 各組NH4-N和TP去除效果沒有顯著差異。冬季NH4-N去除效果各組沒有顯著差異,搖蚊幼蟲組NO3-N、TN和TP平均去除率與對照組人工濕地相比分別增加了29.51%、15.16%和37.62%, 河蚌組和田螺組受半冬眠活動及代謝減慢影響, NO3-N、TN和TP去除率與對照組相比沒有顯著差異。研究結果表明通過添加合適的底棲動物能在夏季和冬季穩定提升水質凈化效果, 底棲動物型人工濕地存在全年運行的可行性。機理研究顯示底棲動物通過強化微生物硝化反硝化脫氮、促進植物氮吸收及基質氮吸附等促進人工濕地氮去除, 通過促進下層基質磷吸附沉淀和植物磷吸收強化人工濕地磷去除。