地下滲濾系統(tǒng)酶活性分布及對(duì)脫氮效果的影響

李英華，李海波，孫鐵珩，2

1)沈陽(yáng)大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110044;2)中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽(yáng)110016

污水地下滲濾處理系統(tǒng) (subsurface wastewater infiltration system，SWIS)是基于生態(tài)學(xué)原理，集成厭氧、好氧工藝而形成的一種生態(tài)處理技術(shù).生活污水經(jīng)預(yù)處理后，布入SWIS散水管中，之后在毛細(xì)力和重力的作用下擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其水流特征是:先在重力作用下向下滲流，到達(dá)不透水皿處存積，然后在基質(zhì)毛細(xì)力作用下向上擴(kuò)散，達(dá)到最大毛細(xì)勢(shì)能后再次下降，在土壤－微生物－植物系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，污水得到有效處理，清水通過(guò)集水管收集，污染物則通過(guò)物化吸附、化學(xué)沉淀、微生物降解等作用被去除［1-2］.酶對(duì)環(huán)境因素的變化較敏感，又因其專(zhuān)一性和綜合性特點(diǎn)，可能成為SWIS中一個(gè)有潛力的土壤生物指標(biāo).目前關(guān)于SWIS的研究主要集中在基質(zhì)類(lèi)型、通風(fēng)設(shè)計(jì)及水力負(fù)荷調(diào)控等方面，有關(guān)酶活性的分布特征及對(duì)脫氮效果影響的研究鮮有報(bào)道［3-5］.本研究構(gòu)建了SWIS中試系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了脲酶、硝酸還原酶 (NAR)和亞硝酸還原酶 (NIR)活性的時(shí)空分布規(guī)律，分析了酶活性與脫氮效果的相關(guān)性，提出了評(píng)價(jià)SWIS脫氮效果的酶學(xué)指標(biāo).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)污水

SWIS的進(jìn)水為沈陽(yáng)大學(xué)校園生活污水，主要污染物的質(zhì)量濃度均值為:COD 320 mg/L，BOD5220 mg/L，NH4+-N 37.5 mg/L，TN 42.5 mg/L，TP 3.5 mg/L，SS 120 mg/L，pH值為7.2.

1.2 SWIS中試系統(tǒng)

設(shè)計(jì)了2個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的SWIS反應(yīng)器，每個(gè)容積為1.8 m3(1.5 m ×1.2 m ×1.0 m).根據(jù)土壤滲透及微生物實(shí)驗(yàn)，確定基質(zhì)組成(體積比)為95%草甸棕壤和5%生物基質(zhì) (由活性污泥、草炭及爐渣等構(gòu)成)［6］，基質(zhì)的有效鋪設(shè)厚度為90 cm.散水管圓心距基質(zhì)層頂部為55 cm，散水管長(zhǎng)1.4 m，內(nèi)壁直徑為6 cm，管上間距8 cm處均勻鉆散水孔，孔直徑為8 mm.在裝置1.2 m ×1.0 m端面，分別在距基質(zhì)層頂部20、40、60和80 cm處設(shè)直徑為5 cm的取樣口.基質(zhì)的pH=7.3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.5 mg/kg，孔隙率56.8%，滲濾性1.1×10－3cm/s，粒度分布為:＞1 mm 的占 27.6%，0.05～1 mm占23.4%，＜0.05 mm的占49.0%.

SWIS中試系統(tǒng)處理生活污水的工藝流程見(jiàn)圖1.首先，生活污水通過(guò)水泵進(jìn)入2個(gè)沉淀槽中，沉淀后提升到高位水槽，再通過(guò)流量計(jì)，按設(shè)計(jì)負(fù)荷0.1 m3/(m2·d)均勻流入SWIS中，出水滲濾到反應(yīng)器底部，從集水管排出.

圖1 污水處理流程示意圖Fig.1 Flow chart of domestic sewage treatment

1.3 測(cè)試方法

按照《土壤酶及其研究方法》測(cè)定脲酶、NAR和NIR活性［7］;按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》測(cè)定水樣的總氮 (TN)及氨氮 (NH4+-N)值［8］，每次取3個(gè)平行樣測(cè)定，測(cè)定結(jié)果采用SPSS 18.0軟件分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 酶活性分布規(guī)律

脲酶、NAR與NIR活性分布隨時(shí)間、進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度及基質(zhì)深度的變化規(guī)律如表1.

表1 不同監(jiān)測(cè)時(shí)間段下的基質(zhì)酶活性分布特征Table 1 Distribution of enzyme activities in different monitoring time mg/(g·d)

在相同的進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度和溫度條件下，脲酶活性與基質(zhì)深度有關(guān) (表1).靠近散水區(qū) (中層)的基質(zhì)脲酶活性稍強(qiáng)，初步分析是因?yàn)檫M(jìn)水口處有機(jī)氮質(zhì)量濃度較高，有利于酶類(lèi)微生物活性的釋放.另外，提高進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度也有利于脲酶活性的提高 (2007年7～9月與2008年7～9月相比)，這可能與SWIS中氮元素的有效轉(zhuǎn)化刺激了土壤微生物活性有關(guān).以往研究表明:在生化反應(yīng)中，若酶的含量為定值，底物的起始含量較低時(shí)，酶促反應(yīng)速度與底物含量成正比，即隨底物含量的增加而增加［9-12］.本研究結(jié)果與此相吻合.在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度相同條件下 (2008年1～3月與2008年7～9月相比)，2008年7～9月的脲酶活性有明顯提高.這可能是由于室溫及水溫升高，刺激了釋放酶類(lèi)的微生物活性和基質(zhì)中已存在的脲酶活性的表達(dá).有研究表明，溫度每升高10℃，酶促反應(yīng)速度可相應(yīng)提高1～2倍［13］.綜上可見(jiàn)，脲酶活性分布特征與基質(zhì)深度、進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度以及環(huán)境溫度密切相關(guān).

NAR活性隨基質(zhì)深度的變化規(guī)律為20 cm＞40 cm＞60 cm＞80 cm.這可能是因?yàn)樯蠈踊|(zhì)硝化作用較下層明顯，NAR的催化基質(zhì)NO3－-N質(zhì)量濃度高，有利于NAR活性的表達(dá).與脲酶活性對(duì)溫度和進(jìn)水水質(zhì)變化的敏感程度相比，NAR受溫度和進(jìn)水水質(zhì)的影響程度較小.

與NAR不同，NIR活性大小依次為40 cm＞20 cm＞60 cm＞80 cm.NAR和NIR的催化反應(yīng)是一個(gè)相繼進(jìn)行的過(guò)程.NIR是酶促NO2－-N還原成N2的過(guò)程，而NO2－-N是NAR酶促反應(yīng)的產(chǎn)物，因此，NIR活性最強(qiáng)的基質(zhì)深度與NAR相比有一定的空間差異，前者比后者深度大.與脲酶相似，NIR活性同樣受溫度的影響.隨著溫度降低，NIR活性減弱.

為從酶學(xué)角度揭示SWIS脫氮的關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)比研究了22～28℃，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度34.2～38.0 mg/L工況下，20、40、60和80 cm深度基質(zhì)層酶活性的變化情況，結(jié)果如圖2.圖2表明，80 cm深度，NAR和NIR活性波動(dòng)較上層明顯.20～60 cm區(qū)域，脲酶、NAR和NIR的活性均較強(qiáng)，可以認(rèn)為，20～60 cm是SWIS中氮污染物凈化的最有效空間.

圖2 深度對(duì)基質(zhì)酶活性的影響Fig.2 Effects of depth on enzyme activities

2.2 酶活性與氮去除的相關(guān)性

在2007年4月～2009年3月，測(cè)試脲酶、NAR與NIR活性的同時(shí)，檢測(cè)氨氮、總氮出水質(zhì)量濃度.每月取樣1次，每次取3個(gè)平行樣，結(jié)果取平均值，考察酶活性與氮脫除效果的相關(guān)性，如圖3，并進(jìn)行SPSS相關(guān)性分析 (見(jiàn)表2).結(jié)果表明，各深度基質(zhì)脲酶活性與TN去除率之間均呈顯著正相關(guān).說(shuō)明SWIS中，能分泌脲酶的微生物種類(lèi)在20～80 cm基質(zhì)層中分布較均勻，TN的去除以基質(zhì)中微生物和酶的作用為主，脲酶可作為判斷系統(tǒng)TN脫除效果的重要指標(biāo).脲酶的主要作用是將生活污水中的尿素等有機(jī)氮化合物酶促反應(yīng)成氨態(tài)氮［14］，因此脲酶活性與NH4+-N的去除率之間相關(guān)性不顯著，不能作為評(píng)價(jià) SWIS脫除 NH4+-N效果的指標(biāo).NAR活性與NH4+-N和TN的去除率之間的相關(guān)性均不顯著，硝態(tài)氮的還原并非反硝化過(guò)程的限速步驟［15-16］，因此，不能將基質(zhì) NAR活性作為評(píng)價(jià)SWIS脫氮效果的酶學(xué)指標(biāo).60～80 cm基質(zhì)NIR活性與系統(tǒng)TN去除率之間存在著顯著正相關(guān)，說(shuō)明60 cm以下基質(zhì)層是反硝化作用的主要區(qū)域.

圖3 基質(zhì)酶活性與氮去除率的相關(guān)性Fig.3 Correlation between enzyme activities and nitrogen removal rates

表2 酶活性與氮去除率的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson correlation coefficients between enzyme activities and nitrogen removal rates (%)

可見(jiàn)，基質(zhì)脲酶和NIR活性與TN去除率之間呈顯著正相關(guān)，可將這兩種酶的活性作為指示SWIS中TN脫除效果的重要生物學(xué)指標(biāo).

結(jié) 語(yǔ)

綜上研究可知:① 基質(zhì)脲酶活性分布與基質(zhì)深度、進(jìn)水氨氮濃度以及環(huán)境溫度密切相關(guān)，散水層活性強(qiáng)，且隨進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度及溫度的升高而增強(qiáng);NAR活性分布主要受基質(zhì)深度的影響，隨著基質(zhì)深度的增大，NAR活性增強(qiáng)，受溫度和進(jìn)水水質(zhì)的影響較小;NIR活性分布主要受基質(zhì)深度和溫度的影響，且隨溫度的升高而增強(qiáng).②各深度脲酶活性與TN去除率之間均呈正相關(guān);NAR活性與NH4+-N和TN去除率之間的相關(guān)性均不顯著;60～80 cm區(qū)域，NIR活性與TN去除率之間存在正相關(guān).③可將脲酶和NIR作為指示SWIS中TN脫除效果的生物學(xué)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)基質(zhì)中脲酶和NIR活性的測(cè)定，可建立TN脫除效果的酶學(xué)評(píng)價(jià)模式.

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