垂直流人工濕地強化農(nóng)村生活污水脫氮試驗研究

崔賀 陸昕渝 常越亞 黃民生 李丹 何巖 曹承進

摘要：以“陶?！眴我惶盍虾汀疤樟?沸石”組合填料的兩種垂直流人工濕地試驗裝置為研究對象，評價兩種試驗裝置用于農(nóng)村生活污水的脫氮性能，并結(jié)合濕地植物對TN去除的貢獻率及微生物群落多樣性解析其脫氮機理，以期為該濕地系統(tǒng)服務(wù)于農(nóng)村生活污水強化脫氮的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù).結(jié)果表明：采用“陶粒+沸石”組合填料的垂直流人工濕地對污水中NH+4-N及TN的平均去除率高于采用“陶粒”單一填料的垂直流人工濕地的23%和25%，且其出水的NH+4-N及TN濃度均滿足一級B標準（GB18918-2002）的要求;兩種垂直流人工濕地中植物吸收對污水中TN去除的貢獻率均低于0.5%，因此填料吸附和微生物凈化是該濕地系統(tǒng)脫氮的主要途徑;采用“陶粒+沸石”組合填料的垂直流人工濕地中的微生物群落結(jié)構(gòu)具有更高的多樣性;組合填料式人工濕地的植物根系及填料中具備豐富的硝化和反硝化功能菌群，從而為該濕地系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的強化脫氮提供了有力保障.

關(guān)鍵詞：垂直流人工濕地;填料組合方式;農(nóng)村生活污水;強化脫氮;微生物群落

中圖分類號：X522 文獻標志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.007

0引言

近年來，國家已逐步加大對農(nóng)村地區(qū)生活污水廠建設(shè)的投入.然而，現(xiàn)有農(nóng)村生活污水廠普遍存在技術(shù)和資金短缺、監(jiān)管不到位及運行維護不善的問題，致使多數(shù)污水廠不能正常運轉(zhuǎn)，農(nóng)村生活污水的水質(zhì)未經(jīng)有效凈化便直接排放，特別是氨氮（NH+4一N）及總氮（TNl的過量排放問題尤為突出農(nóng)村生活污水中氮素的超量排放是造成農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境惡化和水生態(tài)退化的主要原因之一.因此，亟需對現(xiàn)有非正常運轉(zhuǎn)的農(nóng)村生活污水廠進行強化脫氮改造，以使其出水的NH+4一N及TN達到一級B標準（GB18918-2002）的要求（NH+4一N≤8mg/L，TN≤20mg/L）.

垂直流人工濕地作為一種新興的污水生態(tài)處理技術(shù)，在水力負荷率、污染物凈化性能、運維管理等方面具備明顯優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)的生活污水凈化及地表水體修復(fù)領(lǐng)域.然而，采用垂直流人工濕地作為現(xiàn)有非正常運轉(zhuǎn)的農(nóng)村生活污水廠的后續(xù)工藝進行強化脫氮的研究還鮮見報道.另外，國內(nèi)外對垂直流人工濕地的試驗研究多集中在單一填料的凈化特性，而將不同填料進行組合的濕地的凈化性能研究得尚不透徹.例如：陶粒和沸石，這兩種填料不僅廉價易得，而且陶粒能夠通過其表面的多孔結(jié)構(gòu)促進生物膜的生長與微生物的代謝活性，沸石則因其良好的氨氮吸附性能常被用于污水中氨氮的去除.然而，將陶粒和沸石作為垂直流人工濕地組合填料的試驗研究較少，且對于組合填料的凈化機制尚不十分明確.

因此，本研究選取垂直流人工濕地用于農(nóng)村生活污水的強化脫氮試驗，并選取陶粒和沸石作為其組合填料，通過研究該濕地系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水的脫氮性能，并結(jié)合濕地植物對TN去除的貢獻率及微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性解析該濕地系統(tǒng)的脫氮機理，以期為該濕地系統(tǒng)服務(wù)于農(nóng)村生活污水強化脫氮的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù).

1材料與方法

1.1試驗裝置與運行條件

試驗設(shè)置了2組平行的垂直流人工濕地中試裝置：濕地1（W1）和濕地2（W2）（如圖1（a）和（b）所示）.本試驗于2015年4月底在室外開展.兩個濕地系統(tǒng)的表面積均為0.70m2（L×D=I.00 mx0.70m），凈容積均為0.49m3（L×w×H=I.00 mx0.70mx0.70m），均選取菖蒲作為其栽培植物（Wl和W2各種植了20株），并采用穿孔配水管于填料上表面均勻布水（如圖l（c）所示），且濕地水位低于填料上表面2-5 cm.Wl和W2的出水重力自流至各自的出水池（L×w×H=0.70mx0.30 mx0.70m），出水池的水體通過蠕動泵勻速泵出.W1只填充70cm陶粒，W2上層填充45 cm陶粒、下層填充25 cm沸石.上述陶粒和沸石均購置于江蘇省昆山市.Wl和W2的填料種類、配比及規(guī)格詳見表1.室完成.采樣期問避開降雨（雨停24h后），以避免雨水對該濕地系統(tǒng)進、出水水質(zhì)的影響.上述指標的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）.無特別說明外，所用試劑均為分析純，實驗用水為新鮮去離子水.

在本試驗過程中，定期記錄植物高度，并對生長初期、生長旺盛期以及衰亡期的植物樣本做分析.此外，在試驗的始末階段，分別對Wl和W2栽培的植物進行采集.樣本采集利用“s”形采樣法選取5株植株作為一個樣本，共計2個樣本.測定上述樣本的氮含量，并依照相關(guān)文獻所述方法計算植株吸收對污水中TN去除的貢獻率.

濕地單元共計5個生物膜樣本，其中濕地1菖蒲根系樣本記為WlR，濕地2菖蒲根系樣本記為W2R，濕地1中陶粒頂面以下10cm深度的陶粒生物膜樣本記為WlU，濕地2中陶粒頂面以下10cm深度的陶粒生物膜樣本記為W2U，濕地2中沸石頂面以下10cm深度的沸石生物膜樣本記為W2D.根系表面采樣方法：用剪刀剪掉根部（小心根系表面附著物），放入自封袋，立即帶回實驗室冷藏;快速用事先準備好的錐形瓶裝好適量無菌水與樣品，振蕩，待根系表面附著物振蕩脫落入錐形瓶后，倒入離心管離心，取離心管下部固體物，冷凍;填料采樣方法：濕地填料用小鐵鏟采取，其余步驟和上述根系表面采樣方法相同.以上采樣器材在使用前均經(jīng)過無菌處理，同時聯(lián)系生工生物工程（上海）股份有限公司盡快取樣.

1.3微生物群落多樣性分析

生工生物工程（上海）股份有限公司采用Power Soil DNA分離試劑盒提取5個樣品中的DNA.采用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的細菌總DNA.對16S rRNA基因的V3-V4高變區(qū)片段進行PCR擴增，引物序列為515F（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA）和909R（CCCCGYCAATTCMTTTRAGT）.隨后在該公司的Ⅲumina MiSeq平臺上進行高通量測序分析，得到原始圖像數(shù)據(jù)文件經(jīng)CASAVA堿基識別分析轉(zhuǎn)化為原始測序序列，結(jié)果以FASTQ文件格式儲存.利用Mothur對原始序列進行校正，去除序列中的嵌合體，得到優(yōu)化序列;在97%的相似性水平上將序列劃分可操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs）;采用RDP Classifier貝葉斯算法對97%相似水平的OTU代表序列進行分類分析，并在門和屬水平上統(tǒng)計每個樣品的群落組成.

1.4數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 2016軟件，圖表繪制采用Orign 9.1軟件，并用SPSS20.0軟件對各項指標進行Pearson相關(guān)性分析及ANOVA方差分析.

2結(jié)果與分析

通過分析可知，即使W2中菖蒲的氮素積累量相對高于Wl，但是其吸收對污水中TN去除的貢獻率卻低于W1，這問接說明W2中N的去除更多的依賴于填料吸附和微生物作用.通過計算，兩種垂直流人工濕地對污水中TN去除的貢獻率均低于0.5%，因此填料吸附和微生物凈化是該濕地系統(tǒng)脫氮的主要途徑，而該系統(tǒng)的植物栽培應(yīng)更多地考慮其導(dǎo)水導(dǎo)流作用、根系微生物富集作用及生態(tài)效益和景觀價值.

2.5微生物群落結(jié)構(gòu)的脫氮機理

為探究垂直流人工濕地降解污染物的微生物作用機制，本研究通過對Wl和W2中5個植物根系及填料生物膜樣本進行高通量測序，共得到395 930條優(yōu)質(zhì)序列，平均長度為419.75 bp.以97%相似度劃分，共得到31266個OTUs.各樣品文庫的覆蓋率（coverage）范圍為94%～95%，說明樣品中基因序列被檢出的概率很高，本次測序結(jié)果能夠代表濕地填料和植物根系表面細菌群落的真實情況.表2為5個樣品中的優(yōu)質(zhì)序列、OTU數(shù)量及多樣性指數(shù).Chaol指數(shù)用來反應(yīng)物種豐度，可以用來估計OTUs數(shù)目;Shannon指數(shù)用來反應(yīng)物種的多樣性，Shannon指數(shù)越高，表示其微生物群落的多樣性越高.

WIR和W2R的微生物豐度和多樣性相對低于WIU和W2U，這可能是由于根際環(huán)境相對單調(diào)而使微生物的種類相對集中.填料結(jié)構(gòu)的差異引起了濕地系統(tǒng)中微生物種群豐度和多樣性差異，W2R的微生物豐度和多樣性相對高于WlR;W2U的微生物豐度和多樣性相對高于WlU，W2U的微生物豐度和多樣性相對高于W2D，這可能是由于濕地下部厭氧環(huán)境分布集中而有利于厭氧功能微生物的集中分布.有研究表明，微生物多樣性對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾性有很大作用，微生物多樣性越豐富其維穩(wěn)和抗擾能力越強.因此，采用“陶粒+沸石”組合填料的垂直流人工濕地比采用“陶?！睘閱我惶盍系拇怪绷魅斯竦馗欣跐竦刂参锔岛吞盍仙衔⑸锏娜郝浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

為了揭示填料及植物根系樣品中微生物的菌群結(jié)構(gòu)，將97%相似水平的OTU代表序列在屬水平上進行分類統(tǒng)計.通過圖3可知Wl和W2的5個樣本列出了50個屬類，包括不動桿菌屬（Acinetobacter）、檸檬酸桿菌屬（Citrobacter）、黃桿菌屬（Cloacibacterium）、乳球菌屬（Lactococcus）、產(chǎn)吲哚金黃桿菌（Chryseobacterium）等.其中，不動桿菌屬（Acinetobacter）是5個樣品中的優(yōu)勢菌種.已有研究表明，不動桿菌屬（Acinetobacter）可進行“好氧反硝化”作用.由圖3可知，不動桿菌屬（Acinetobacter）在WlR中的占比明顯高于W2R，表明Wl的植物根系中含有比例更高的“好氧反硝化”相關(guān)菌種.這可能是因為W1的陶粒層較厚且陶?？紫堵瘦^大，更有利于植物根系生長.不動桿菌屬（Acinetobacter）在WlU和W2U中的占比在5個微生物樣品中最低，而在WlD中的占比則較高，這表明該菌屬更容易在沸石表面生長.因此，沸石填料的加入有利于垂直流人工濕地中“好氧反硝化”相關(guān)菌種的富集.

在W1和W2填料及植物根系中具有硝化功能的菌屬主要包括亞硝化菌屬（Nitrobacter）和硝化螺菌屬（Nitrosospira）和亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）等WlR、WlU、W2R、W2U和W2D中具有硝化功能的相關(guān)菌屬占比分別為1%、2%、1%、2%和1%，因此具有硝化功能的菌屬主要集中在兩種垂直流人工濕地的陶粒表面.Wl和W2填料及植物根系中具有反硝化功能的菌屬主要包括不動桿菌屬（Acinetobacter）、陶厄氏菌屬（Thauera）及紅環(huán)菌科的兩個菌屬（Dechloromonas和Denitratisoma）.WlR、WlU、W2R、W2U和W2D中具有反硝化功能的相關(guān)菌屬占比分別為42%、22%、10%、8%和18%，因此具有反硝化功能的相關(guān)菌屬主要集中在兩種垂直流人工濕地的植物根系上，且沸石表面的反硝化菌屬占比明顯高于陶粒，這可能與沸石的表面結(jié)構(gòu)及所處水位的環(huán)境條件有關(guān)，具體機理仍需進一步探討.綜上，組合填料式垂直流人工濕地的植物根系及填料生物膜中含有豐富的硝化及反硝化相關(guān)菌屬，這為該濕地系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的強化脫氮提供了有力保障.

3結(jié)論

（1）相比采用“陶?！眴我惶盍系拇怪绷魅斯竦?，采用“陶粒+沸石”組合填料能夠?qū)⒋怪绷魅斯竦貙r(nóng)村生活污水中NH+4-N及TN的去除率分別提升23%和25%，且其出水的NH+4一N及TN濃度均能達到一級B標準（GB 18918-2002）.

（2）兩種垂直流人工濕地中的植物吸收對污水中TN去除的貢獻率均低于0.5%，因此填料吸附和微生物凈化是該濕地系統(tǒng)脫氮的主要途徑，而該系統(tǒng)的植物栽培應(yīng)更多地考慮其導(dǎo)水導(dǎo)流作用、根系微生物富集作用及生態(tài)效益和景觀價值.

（3）相比采用“陶?！眴我惶盍系拇怪绷魅斯竦兀捎谩疤樟?沸石”組合填料能夠促進濕地系統(tǒng)中植物根系及填料上的微生物群落多樣性，因而更有利于微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

（4）組合填料式人工濕地的植物根系及填料中具備豐富的硝化和反硝化功能菌群，從而為該濕地系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的強化脫氮提供了有力保障.