天然沸石基质与火山岩垂直流人工湿地去除养猪废水中的营养物与细菌比较外文翻译资料

 2022-07-26 14:18:29

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摘要：这项研究设计了两个垂直流人工湿地作为养猪废水的二级处理。首先研究了出水回流和基质对人工湿地对猪场废水处理效率的影响。回流显著提高了氨氮、总氮及总磷的去除率，但是对化学需氧量的影响不大。天然沸石为基础的系统比火山岩基础系统的所有四个参数都表现得更好。在最高的回流比，基于天然沸石系统分别达到了COD 50.7%，NH4-N 91.6%，TN 48.3%和TP 80.7%的平均处理效率。对天然沸石和火山岩生物膜中的总细菌和氨氧化细菌（AOB）的多样性和组成进行测定。细菌总数和AOB在天然沸石生物膜比火山岩生物膜多样化。系统发育分析进一步揭示了两点：第一，属产碱(杆)菌属(Alcaligenes)菌和菌丛毛单胞菌为主的天然沸石和火山岩，其beta;-变形菌分别与二、genera Nitrosospira和亚硝化菌为主的AOB天然沸石和火山岩。

1.简介

集约化畜牧业产生的大量废水含有高浓度的悬浮物(SS),有机化合物和营养物质。因为传统厌氧消化比有氧降解需要更长的时间,来达到满意的处理效率。养猪污水往往部分处理,然后直接喷洒在农业用地。然而,该污水中的营养负荷通常超过植物的要求，恶化地下水水质和附近水域环境。厌氧消化后,需要进一步处理,以减少对环境的影响。人工湿地是可行的设施来满足这种需求[1、2],以其低成本,易于维护(3、4)的优点。垂直流人工湿地比水平流人工湿地拥有更大的氧转移能力,因此他们更有效的去除NH4-N和有机物。

为了达到满意的人工湿地处理效率,改善过程和选择合适的基质是十分必要的。另外的废水再循环有可能促进污染物与底物或微生物之间的相互作用[6]。这个过程可能是有用的对于提高含高浓度铵离子和有机物的猪舍废水的处理效果,。已经观察到的各种材料,包括转炉渣[7],砾石[8],天然或合成沸石[9],石灰、陶粒[10],砖,都有能力去除氮和磷的废水。天然沸石逐渐用作过滤材料的人工湿地,因为其对铵离子和许多有毒的阳离子的高亲和力和它们的可用性和经济[ 11 ]。天然沸石基质人工湿地在复杂养猪污水的处理效率仍然未知。火山岩是现成的在过去有过火山活动的国家和地区。这些黑色物质很多孔,有一个良好的渗透系数。然而,火山岩去除废水中的氮和磷的能力还不是很清楚。他们在人工湿地处理污水系统的性能需要进一步探索。

微生物在人工湿地中有机污染物降解和养分循环中发挥重要作用[ 14 ]。因此，为了了解生物修复过程重要的是要获得的微生物组合的知识。最近，对人工湿地的研究不限于取得良好的处理效果，对土壤微生物群落的多样性和人工湿地组成也进行了调查[ 2 ]。除了总细菌群落，一些研究关注官能团[ 18 ] 如15–AOB和硝化菌[ 18,19 ]。一些因素，包括植物物种[ 20 ]，底物类型[ 21 ]，操作条件和空间分布[ 22 ]，被认为对人工湿地的微生物群落有重要影响。然而，不同的基质的生物膜之间的微生物群落的系统比较尚未完成。各种分子的工具之一，变性梯度凝胶（DGGE）经常被用于观察在人工湿地的社区变化和动力。相比于DGGE、克隆文库测序可以提供更加全面、可靠的数据群落组成[ 23 ]。

在这项研究中，天然沸石和火山岩分别作为构建两试点型系统主要底物。调查基质类型和出水回流对人工湿地处理猪场废水的去除效率的影响。此外，克隆文库测序用于比较天然沸石和火山岩生物膜中的总细菌和氨氧化细菌（AOB）的多样性和组成。

2. 材料和方法

2.1 介绍湿地系统和操作

在温室中，两点垂直流人工湿地在是基于史拉兹等人描述的设备构造。有一些修改，由两个容器放置一个在另一个之上（图1）。上部容器（1.0m长度、宽度和高度1.0m，0.7m）设计为垂直流湿地床填充高10cm底部砾石层，30cm高介质层天然沸石（或火山岩），和一个20厘米高的表层红壤。天然沸石和火山岩的直径范围从1～2cm。在上部容器底部穿孔。杂交狼尾草种植在湿地上。较低的容器（1.0m长度，1.0m宽度、高度和0.4m）作为水库。一个充满牡蛎壳的过滤柱（0.16m直径0.8米高度）与下容器出水管相连在污水释放前进一步纯化。湿地系统根据不同的介质基板命名为天然沸石垂直流人工湿地和火山岩垂直流人工湿地。表1给出了天然沸石和火山岩的结构和理化性质。

图1.采用出水回流的垂直人工湿地系统原理图表介绍

表1 天然沸石与火山岩的理化特征

系统操作的过程如下简要描述。 猪粪废水使用蠕动泵输送到上部湿地，并滴到下部容器。 来自两个湿地池的液压负荷保持在0.04m3d -1。 然后通过另一个泵将容器中的有效水部分地再循环回上部湿地。 再循环比（再循环流速：进料流速）设置为第一个1：1，然后为2.5：1，最后为5：1。 我们没有再循环的湿地的水力停留时间（HRT）是大约5天。水力停留时间理论上约束回流比增加。湿地系统每期再循环比连续运行30天。

2.2取样方法与营养物质分析

养猪场废水是取自中国厦门某猪场厌氧泻湖。在泻湖厌氧消化后，67–73%化学需氧量（COD）在猪场废水已被去除。COD、氨氮的浓度、总氮（TN）、PO43--P、总磷（TP），和SS进水样品进行监测，当每批养猪废水从养猪场送来时。他们的平均值和范围(单位：mg/L)分别是COD 859（613-1193），氨氮644（529-1005），总氮695（584-1095），PO43--P 37（20–49），总磷40（28–63），和ss 1720（900–2120）。因此，量化的水力负荷分别是COD 34.36gm-2d-1，氨氮25.76gm-2d-1，总氮26.36gm-2d-1，总磷1.624gm-2d-1。

在回流比的每个时期，两个垂直流人工湿地都间隔五天收集出水样品。COD、NH4-N、TN、和TP出水然后立即测定。水样本进行了分析，根据美国标准的方法检查废水[ 25 ]。统计分析采用SPSS 16版本。采用单变量模型对方差进行双向检验。数据集之间的显着差异，设置在P lt; 0.05。

2.3 构造细菌群落结构和多样性的amoA基因

2.3.1 从基质的生物膜DNA提取

当营养物质的去除的实验已经完成，六个样品从天然沸石和火山岩的两个垂直流人工湿地系统的介质层分别收集。这些子样本然后结合在一起，其生物膜用磷酸盐缓冲液提取（K2HPO4 、KH2PO4）。Genomic DNAs中被复制从这些生物膜按照制造商推荐的协议使用欧米茄土壤DNA提取试剂盒。DNA汇集在一起，存放在70˚C进一步分子操纵。DNA提取物的质量和数量进行凝胶电泳紫外分光光度计（赛默飞世尔科技）。

2.3.2 PCR，文库构建，测序

提取的DNA扩增的聚合酶链反应是细菌的16S rRNA基因和amoA基因（PCR）在热循环反应（埃彭多夫，德国）分别使用引物27f / 1492R和amoa1f / amoa2r，[ 26 ]。扩增产物的片段长度约为amoA基因491bp 和16S rRNA基因1466bp。16S rRNA基因扩增热循环参数：初始变性在94˚C（10min），其次是反应包括变性在94˚C 30周期（30），在54˚C退火的引物（30）和引物延伸72˚C（45s），和最后一个额外的延伸步骤在72˚C 10min进行。amoA基因的扩增不同的退火温度（55˚C）。所有的PCR反应进行了一式三份，汇集到一起，减少PCR的偏向。

构建了天然沸石和火山岩的16S rRNA基因和amoA基因库。简单，使用氧凝胶DNA纯化试剂盒纯化扩增产物。然后他们被连接到PMD 19t向量（塔卡拉、日本）并转化大肠杆菌JM109感受态细胞，根据制造商的说明。阳性克隆经蓝白筛选和PCR通用M13引物。约70阳性克隆随机挑选出从每个克隆库。他们用ABI 3730 DNA自动分析仪测定（Applied Biosystems）。测序的基因片段，利用该程序检查（http://www.bioinformaticstoolkit.org/web-pintail/）摆脱PCR嵌合体。

2.3.3 多样性与系统发育分析

通过软件DOTUR分析所有合格的序列以鉴定操作分类单位（OTU）。显示97％相似性的序列被认为是相同的系统型。根据分子微生物生态学手册（27）中所描述的方法，计算了丰富度、Shannon Weaver指数、辛普森指数、均匀度和良好覆盖率等五个多样性指标。。通过网络LIBSHUFF（http：//libshuff.mib.uga.edu/）测试两个文库之间的差异的显著性。使用Blastn搜索工具将16S rRNA基因与Genbank（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov）中的参考序列进行比较。然后将它们分类为不同的门。使用MEGA 4.0由来自b-变形菌OTUs的代表性序列和来自Genbank的相对序列构建一个邻接树状图。另一棵树用翻译的amoA OTUs及其相对序列构建。引导进行1000次以估计系统树状图的可靠性。用于构建树状图的序列保藏在Genbank中，保藏号为JF743032JF743042，用于b-变形杆菌，JF743010JF743031用于amoA。

3 结果

3.1不同回流比下的营养物质去除

COD、NH4-N、TN、和TP的平均去除率和两型垂直流人工湿地系统处理猪场废水的NO2-N和NO3-N的积累，如图2所示。高循环率显著提高两个湿地系统氨氮，TN，和TP的去除。回流对COD去除率的影响不显著（P＜0.05）。在最高的回流比，以沸石为基础的系统分别达到了COD 50.7%，NH4-N 91.6%，TN 48.3%和TP 80.7%的平均处理效果，在以火山岩为基础的系统分别达到了COD 46.4%，NH4-N 69.6%，TN 34.4%，和TP 70.4%的处理效率。较高的回流比也促进了NO3-和NO2-NO 3在两个湿地进水的积累。

图2 COD平均去除率、NH4 -N、TN、和TP，和积累的NO2和NO3的自然沸石和火山岩与基础型系统水力负荷在4厘米/ 天不同回流比下（n = 6）。回流比为1:1，2.5:1，1分别

表示为R1和R5、R2.5。

以沸石为基质的垂直流人工湿地在相同的再循环比下表现得以火山岩为基质的垂直流人工湿地更好，特别是NH 4 -N，TN和TP的去除率。以沸石为基质的垂直流人工湿地的COD，NH4-N，TN和TP去除效率比以火山岩为基质的垂直流人工湿地

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