摘要
水污染如今已成为制约我国城镇可持续发展的重要因素，城镇污水处理存在资源化利用水平低和设施可持续运维能力不强等问题。基于建设占地节省、运维方便的“生物+生态”污水处理设施的政策要求，本研究将固定化微藻培养与人工湿地净水技术结合，建立一种微藻拟植物型虹吸式垂直潜流人工湿地。该设计借助微藻吸收氮磷与产氧固碳的优势，代替植物固定化培养于湿地表层，由自动虹吸排水冲刷微藻进入基质中作为碳源促进反硝化作用，剩余微藻做收获处理，在水质净化的同时实现污水资源化。 本实验模拟人工湿地在处理城镇污水处理厂二级出水中的应用，并分析新污染物磺胺二甲嘧啶（SMZ）的胁迫作用。研究具体通过调整湿地不饱和区高度和微藻收获周期获得最佳水质净化效果;通过代谢路径分析、抗性基因检测、生态毒性评估进行SMZ行为研究;通过生化指标检测、沿程水质分析、质量平衡计算解析微藻培养增强污染物去除效果的相关机理;通过宏基因测序和生物信息分析研究湿地中氮转化途径和组间差异来源。其主要结论如下: （1）人工湿地不饱和区高度为10cm,微藻收获周期为6天时，湿地出水中常规污染物去除效率最高，微藻日收获干重最高，为1.07 g/（m2·d）。人工湿地出水中常规污染物及其去除效率分别为NH4-N（87.6％）、NO3-N（21.1％）、TN（62.7％）、TP（56.4％）、COD（98.8％）。其中NH4-N、TN、COD达到城镇污水处理厂最高允许排放浓度一级A标准，TP达到一级B标准。 （2）进水中5 mg/L的SMZ胁迫导致人工湿地出水中TN、TP、COD去除率分别下降了 7.4％、5.5％、23.3％。固定化微藻培养使NH4-N去除效果免受SMZ胁迫影响，同时使净水系统去除SMZ的效果提高了 10.4％，并降低了出水中抗性基因绝对丰度。SMZ的主要去除方式为基质生物膜吸附和生物降解，水力停留时间为4.5天时，人工湿地对SMZ去除率为17.0％。 （3）固定化微藻培养提高了人工湿地基质进水的DO含量和C/N,并丰富湿地系统的微生物群落结构。在SMZ胁迫下微藻生物膜分泌大量芳香族蛋白质和生物相关的色氨酸、类蛋白类胞外物质，增强了湿地生态系统和微生物群落的稳定性。SMZ增强了光合自养生物如蓝藻门、绿藻门的光合作用强度，提高了其基因相对丰度，最终使微藻培养的生物质总产量提高了 6.7％。 （4）人工湿地主要的氮代谢过程包括硝化反硝化、硝酸盐同化、以及厌氧氨氧化，主要作用微生物包括浮霉菌门、变形菌门、放线菌门、酸杆菌门以及绿湾菌门。微藻培养显著提高了硝酸盐同化与硝化反硝化基因narG、narZ、nxrA、nosZ的丰度，从而提高了系统氮去除效果。SMZ投加使湿地基质中厌氧氨氧化基因Hdh丰度减少，造成了系统整体TN去除效果的下降。
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