人工濕地細(xì)菌量與污染物去除率相關(guān)性研究

謝靜　鐘艷霞　羅玲玲

摘要：通過模擬人工濕地系統(tǒng)，探討在無植被狀態(tài)下的人工濕地系統(tǒng)中不同污染物去除效率與模擬濕地水體中細(xì)菌數(shù)量變化之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，無植被人工濕地對生活污水中典型污染物有較顯著的凈化作用，其中，TN的平均去除率為48.39%，CODcr的平均去除率為47.36%，TP的平均去除率為21.81%；模擬濕地水體中的細(xì)菌數(shù)量變化不穩(wěn)定，呈現(xiàn)增加-減少-增加的波動(dòng)趨勢；經(jīng)相關(guān)性分析，水體中細(xì)菌數(shù)量與TP去除率之間無顯著相關(guān)性（P>0.05，r<-0.3）；但細(xì)菌數(shù)量與CODcr、TN去除率之間均呈顯著相關(guān)，分別為P<0.01，r=0.549；P<0.05，r=0.507。

關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理；污染物去除；細(xì)菌數(shù)量；相關(guān)性

人工濕地作為一種便捷有效的污水處理技術(shù)，在污水的處理方面表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿Γ瑢OD、BODs、TN和TP均具有較強(qiáng)的去除效率，具有低投資、低能耗、低運(yùn)行費(fèi)用、氮和磷去除率高的技術(shù)特點(diǎn)，得到了普遍接受。人工濕地系統(tǒng)是由基質(zhì)、植被、微生物組成的綜合生態(tài)系統(tǒng)。微生物尤其是細(xì)菌對污染物進(jìn)行吸附和降解的重要生物群體，具有分布廣泛、數(shù)量巨大、代謝類型多樣和適應(yīng)突變能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在濕地污水處理中起著核心作用。人工濕地中各個(gè)要素之間相互依托、互相影響，污染物去除機(jī)制比較復(fù)雜，在研究微生物與污染物間的關(guān)系時(shí)，植物的影響難以去除。為了更好研究水體中微生物與污染降解直接的關(guān)系，需開展無植物種植人工濕地的研究，但該類人工濕地中微生物與污染降解間的相互關(guān)系研究相對較少。西部地區(qū)全年低溫期長，各類濕地植物生長不良，保證人工濕地處理效果的主要貢獻(xiàn)者為微生物，對于水生植物分布較少的寒冷地區(qū)，研究微生物對水質(zhì)的影響顯得尤為重要。

本研究建立無植物種植的人工濕地，重點(diǎn)對濕地水體中細(xì)菌的數(shù)量變化以及它們與典型污染物去除之間的關(guān)系進(jìn)行研究，為深入研究人工濕地處理污水的機(jī)理和準(zhǔn)確評估細(xì)菌在濕地凈化作用中所起的作用提供一定的理論依據(jù)。

1.材料與方法

1.1材料

1.1.1試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)采用潛流式人工濕地模型（圖1），人工濕地床體采用有機(jī)玻璃制作，尺寸為120 cm×80 cm×60 cm，由2個(gè)120 cm×40 cm×60 cm池體串聯(lián)而成，池體兩端設(shè)10 cm寬的進(jìn)出水和集水廊道，單池長寬比為3：1，兩池分別為下行流和上行流，兩池之間由1個(gè)10 cm×80 cm×60 cm的回水廊道聯(lián)接。池內(nèi)基質(zhì)下層為大卵石，上層為細(xì)砂，下行流池卵石厚度20 cm，砂層厚度為12 cm，有效水深35 cm，上行流池卵石厚度15 cm，砂層厚度為15 cm，有效水深35 cm。進(jìn)出水廊道和中間廊道中分別填充碎石厚度25 cm，起過濾作用。

1.1.2供試水樣 供試水樣取自西夏區(qū)鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)攔河大壩，該鎮(zhèn)的農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理直接排放于攔河大壩河道中，雖然生活污水在流經(jīng)過程中有所中和稀釋，但該水體中所存在的各種污染物依然能反映出該區(qū)域農(nóng)村生活污水的基本特性。

1.2研究方法

1.2.1模擬濕地水樣采集 2013年9月2日取銀川市西夏區(qū)鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)攔河大壩處生活污水注入模擬人工濕地，以注入水源當(dāng)日為第0天，持續(xù)觀測48 d，試驗(yàn)期共計(jì)49 d。期間采集人工濕地水樣22次，每次水樣采集時(shí)間為控制在上午9：00～11：00。所采水樣同步開展水質(zhì)相關(guān)項(xiàng)目監(jiān)測及細(xì)菌培養(yǎng)。以未經(jīng)模擬人工濕地處理的原水樣為空白對照組、未加注原水樣模擬人工濕地中殘留水樣為試驗(yàn)背景，每個(gè)樣本均設(shè)3次平行。

1.2.2水質(zhì)監(jiān)測方法 水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目主要有氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）。各項(xiàng)均按照國家標(biāo)準(zhǔn)或環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中所要求的監(jiān)測方法進(jìn)行監(jiān)測，具體方法見表1。

1.2.3細(xì)菌培養(yǎng)與計(jì)數(shù) 在人工濕地眾多微生物種群中，細(xì)菌的數(shù)量最多，其次是放線菌、真菌，選擇細(xì)菌作為研究對象。采取直接取出水樣做分析。將從濕地模型中采集的水樣接種于LB培養(yǎng)基中，涂布分離，28℃恒溫培養(yǎng)24 h后進(jìn)行計(jì)數(shù)。細(xì)菌計(jì)數(shù)采用平板菌落計(jì)數(shù)法。檢驗(yàn)方法參見GB 4789.2-2010。

LB培養(yǎng)基：蛋白胨10 g，NaCl 5 g，酵母膏（粉）10 g，蒸餾水1 000 mL，1 mol/L NaOH，瓊脂10～15 g，pH 7.2～7.4，121.3℃濕熱滅菌30 min。

1.2.4數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)經(jīng)Excel初步處理，借助SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得的水質(zhì)監(jiān)測和細(xì)菌培養(yǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel初步處理后，借助SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到濕地水質(zhì)及細(xì)菌統(tǒng)計(jì)特征值，見表2、圖2?？瞻讓φ战M中污染物的濃度分別為TP 0.36 mg/L、NH3-N1.28 mg/L、COD 38.6 mg/L。

2.2分析

2.2.1細(xì)菌數(shù)量變化及分析 由圖2可知，49 d的培養(yǎng)過程中，細(xì)菌數(shù)量變化不穩(wěn)定。其中，整個(gè)培養(yǎng)過程中，細(xì)菌數(shù)量最小值出現(xiàn)在培養(yǎng)的第四十天，為5.500×10⁴CFU/mL；細(xì)菌數(shù)量最大值出現(xiàn)在培養(yǎng)的第四十八天，為7.790×10⁷CFU/mL。

生活污水注入模擬人工濕地第0天，水樣中細(xì)菌總數(shù)約為3，380×10⁶CFU/mL。之后，水樣中的細(xì)菌細(xì)菌生長進(jìn)入遲緩期以適應(yīng)新環(huán)境，加之水樣中污染物對其生長的影響，水樣經(jīng)模型處理的第一天，細(xì)菌數(shù)量減少到3.000×10⁵CFU/mL。

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，細(xì)菌數(shù)量不斷增加并基本穩(wěn)定在10⁵-10⁷CFU/mL數(shù)量級，說明細(xì)菌數(shù)量并不是隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而無限增長繁殖，而是在系統(tǒng)的長期運(yùn)行過程中逐漸形成了數(shù)量和活性比較穩(wěn)定的生物群落。由于細(xì)菌自身生長繁殖特點(diǎn)及其凈化水質(zhì)的功能，導(dǎo)致整個(gè)培養(yǎng)過程中，其數(shù)量一直處于增長-衰退-增長的循環(huán)模式。

2.2.2TP變化及其趨勢 TP變化及其去除量變化趨勢見圖3，可以看出，48 d的培養(yǎng)過程中，人工濕地中TP總體變化呈逐漸減少的趨勢，去除量整體呈現(xiàn)減少-增加-減少的波動(dòng)趨勢。TP平均值為0.28 mg/L，水樣在未經(jīng)濕地模型進(jìn)行處理之前，其TP為0.36 mg，/L，在培養(yǎng)過程中，TP最小值出現(xiàn)在培養(yǎng)的第三十天，為0.21 mg/L。

2.2.3氨氮含量變化及其趨勢 圖4顯示了氨氮的含量變化及其趨勢，處理第0天氨氮含量為1.28 mg/L，處理過程中氨氮含量最小值為第四十八天的0.28 mg/L。氨氮含量在處理的第二天大量減少后于第三天突然升高到1.01 mg/L，隨后逐漸減少。整體而言，氨氮含量雖出現(xiàn)波動(dòng)，但總體趨勢是逐漸減少。

2.2.4 COD變化及其趨勢 由COD變化及其趨勢圖（圖5）可以看出，在處理過程中，COD含量總體呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，這與前人的研究較為相似。其中處理第0天為38.6 mg/L，最小值為14.6 mg/L，平均值為21.2 mg/L，平均值小于初始狀態(tài)，說明COD的處理效果比較理想。

2.3細(xì)菌數(shù)量變化與污染物去除率的相關(guān)性分析

采用SPSS18.0軟件對細(xì)菌數(shù)量變化和污染物去除率與處理天數(shù)進(jìn)行相關(guān)陛分析，結(jié)果見表3。

細(xì)菌數(shù)量與TP去除率之間沒有顯著性（P>0.05），相關(guān)性也很弱（r<-0.3），它們相互之間并未呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系。前人在對基質(zhì)微生物與凈化效果的研究過程中也發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中細(xì)菌數(shù)量與TP去除率的相關(guān)性不顯著。雖然在污水處理過程中，TP有一定程度的降低，但模擬裝置中并未種植植物，因此處理過程中磷的去除主要依靠基質(zhì)通過吸附、絡(luò)合、沉淀反應(yīng)等物理化學(xué)作用。水體中的磷能夠以磷酸鹽的形式沉積在水體底部，與基質(zhì)相結(jié)合形成難以去除的物質(zhì)，基質(zhì)的吸附作用在磷的去除過程中占很重要的地位。其中部分細(xì)菌將磷作為生長所需而將有機(jī)磷和溶解性較差的磷轉(zhuǎn)化為溶解性磷，但由于沒有植物吸收，這些被轉(zhuǎn)化的溶解性磷會(huì)導(dǎo)致水體磷含量增多的現(xiàn)象。另外，聚磷菌在好氧區(qū)吸附了過量的磷，又在厭氧區(qū)將這些把磷釋放出來，一部分隨水流擴(kuò)散輸移返回水體中，另一部分會(huì)被基質(zhì)吸附。

在植被存在時(shí)，水體中氮去除的主要途徑有反硝化作用和植物的吸收作用。NH₃-N的去除主要是通過氮細(xì)菌分解吸收，細(xì)菌的活動(dòng)在TN的去除過程中發(fā)揮主要作用。本試驗(yàn)中，細(xì)菌數(shù)量與TN去除率成顯著相關(guān)性（P<0.05，r=0.507），說明細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化時(shí)對TN的去除率影響較大，氨氮的去除主要是細(xì)菌進(jìn)行硝化、反硝化的結(jié)果。已有研究發(fā)現(xiàn)有植物的人工濕地對TN的去除明顯優(yōu)于無植物濕地，這是因?yàn)榉聪趸饔玫募?xì)菌是兼性異養(yǎng)菌，在植物根系較容易生長存活，而無植被狀態(tài)限制了其生長繁殖，影響了反硝化作用，因此試驗(yàn)中氨氮含量的變化呈現(xiàn)增加-減少的波動(dòng)。

經(jīng)相關(guān)性分析，水體中的細(xì)菌數(shù)量與COD去除率顯著相關(guān)（P<0.01，r=-0.549）。人工濕地對污水中有機(jī)污染物去除主要靠基質(zhì)的過濾和微生物分解，然而基質(zhì)吸附能力有限，微生物的分解成為有機(jī)物去除的主要途徑。細(xì)菌可以利用COD，起到去除COD的作用。

研究結(jié)果提示細(xì)菌對TP、NH3-N、COD具不同程度的降解作用，NH3-N、COD的去除率較為可觀，TP去除率較低，說明人工濕地系統(tǒng)中，植物、微生物和基質(zhì)之間相互配合極其重要。

3.結(jié)論

通過建立無植物模擬人工濕地，探討濕地水體中細(xì)菌數(shù)量與污染物去除的關(guān)系。結(jié)果表明，模擬人工濕地水體中細(xì)菌數(shù)量變化不穩(wěn)定，呈增長一衰退一增長趨勢，TP呈逐漸減少趨勢，NH₃-N呈增加-減少的波動(dòng)趨勢，COD總體呈不斷減少趨勢。相關(guān)性分析表明，細(xì)菌數(shù)量與TP變化無顯著相關(guān)性，與COD變化相關(guān)性最顯著（P<0.01，r=0.549），與NH₃-N變化相關(guān)性顯著（P<0.05，r=-0.507）。