間歇曝氣強(qiáng)化人工濕地低溫脫氮研究

康曉榮　劉亞利　周友新　蘇瑛

摘要：為了提高秋、冬季節(jié)人工濕地的去污效果，本研究采用間歇曝氣方式強(qiáng)化人工濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的處理。研究結(jié)果表明：間歇曝氣有效提高了人工濕地對(duì)有機(jī)物、氨氮和總氮的去除效率，即使在低溫季節(jié)（12月-2月）下，COD、氨氮和總氮的平均去除率分別達(dá)到67.6%、76.4%和63.9%。采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術(shù)對(duì)根系微生物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：具有氨氮氧化和反硝化能力的Actinobacteria和β-proteobacteria在間歇曝氣方式下得到更好的生長(zhǎng)，同時(shí)有機(jī)物降解菌屬Bacteroidetes和Firmicutes是人工濕地中的優(yōu)勢(shì)菌屬。

關(guān)鍵詞：人工濕地;間歇曝氣;氨氮;微生物群落

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2019）03-0074-04

Studies on Intermittent Aeration Enhancing Nitrogen Removal

of Constructed Wetland at Low Temperature

KANG Xiaorong1， LIU Yali2， ZHOU Youxin3， SU Ying3

（1. School of Environmental Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 210037;

2.School of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037;

3.School of Civil Engineering， Yancheng Institute of Technology， Jiangsu Yancheng 224002）

Abstract：In order to improve the removal performances of constructed wetlands in autumn and winter， in this paper， intermittent aeration was used to strengthen the treatment of nutrient in constructed wetlands. The results showed that intermittent aeration effectively improved the removal efficiencies of organic matter， ammonia nitrogen and total nitrogen. Even in low temperature environment （December-February）， the removal rates of COD， ammonia nitrogen and TN reached 67.6%， 76.4% and 63.9%， respectively. Microorganisms at the roots of plants were analyzed by PCR-DGGE. The microbial analysis suggested that Actinobacteria and β-proteobacteria， which were mainly involved in ammonia oxidation and denitrification， were promoted by intermittent aeration model. Meanwhile Bacteroidetes and Firmicutes， which were responsible for removal of organic matters， were dominant group in constructed wetlands.

Keywords：Constructed wetland; intermittent aeration; ammonia nitrogen; microbial community

0引言

人工濕地具有處理效果好、成本低和運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于污水處理、河道凈化、生態(tài)修復(fù)以及海綿城市建設(shè)等領(lǐng)域[1-3]。人工濕地利用植物吸收、底部填料吸附，以及微生物的生命活動(dòng)來(lái)降解水中的氨氮（NH+4-N）等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4-5]。然而，人工濕地的脫氮效果受溫度影響較大，特別是在我國(guó)北方地區(qū)，有機(jī)物、氨氮和總氮（TN）的去除率相較其他季節(jié)更低[6]。由此可見(jiàn)，在秋冬低溫環(huán)境下脫氮效率低下是影響人工濕地技術(shù)應(yīng)用的難題。

為了提高人工濕地低溫脫氮效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者除了采用覆蓋植物和地膜等保溫措施外[7]，還篩選耐低溫的微生物、填料和植物[8-9]，甚至優(yōu)化并開(kāi)發(fā)適合低溫地區(qū)的新工藝[10]。最近研究認(rèn)為：濕地植物對(duì)氮的吸收作用相對(duì)較弱，微生物的硝化和反硝化作用對(duì)總氮的去除則至關(guān)重要[11-13]。但是，在秋冬低溫條件下，植物枯萎，生命活動(dòng)減弱，植物根系不能為微生物提供適合的載體和氧氣，導(dǎo)致氧傳遞能力不能滿足有機(jī)物降解的需求[14-16]。因此，人工強(qiáng)化供氧為硝化和反硝化菌提供良好的生存環(huán)境，這為提高人工濕地低溫脫氮效果的重要措施之一[17-18]。

本文采用間歇曝氣方式強(qiáng)化人工濕地在秋冬季節(jié)的脫氮效果，重點(diǎn)考察間歇曝氣方式對(duì)有機(jī)物、氨氮和總氮的去除規(guī)律，并研究秋冬兩季中常溫和低溫環(huán)境下植物根系微生物群落的演替規(guī)律，為人工濕地低溫脫氮技術(shù)的發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)所采用的人工濕地如圖1所示。人工濕地的表面積為3 m2（長(zhǎng)3 m，沉水植物區(qū)1 m，挺水植物區(qū)2 m，寬1 m），有效水深1 m，水力停留時(shí)間（HRT）為6 d。污水進(jìn)水流量為0.5 m3/d。進(jìn)水為校園生活污水，水質(zhì)參數(shù)：化學(xué)需氧量（COD）為110 ± 20 mg/L、總氮為21.4 ±10 mg/L、氨氮為17.2 ± 5.7 mg/L。

1.2植物選擇與控制方式

人工濕地植物選擇耐污能力強(qiáng)、對(duì)寒冷有一定的耐性且為當(dāng)?shù)丨h(huán)境中的優(yōu)勢(shì)植物。本試驗(yàn)選擇3種挺水植物蘆葦、香蒲和菖蒲。3種沉水植物金魚(yú)藻、粉綠狐尾藻和菹草。曝氣裝置（回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)，HC251S）設(shè)置在人工濕地的底部，沉水植物的開(kāi)放水面處設(shè)置溶解氧（DO）檢測(cè)點(diǎn)。間歇曝氣的控制方式：當(dāng)DO濃度為0.5 mg/L時(shí)開(kāi)始曝氣，達(dá)到2.0 mg/L時(shí)停止曝氣。

1.3檢測(cè)方法

水質(zhì)監(jiān)測(cè)在常溫和低溫的9月-2月份進(jìn)行，分別檢測(cè)進(jìn)出水中的COD、總氮和氨氮。微生物檢測(cè)分別取人工濕地中常溫（9月-11月）、低溫（12月-2月）各取根系底部4個(gè)微生物樣本進(jìn)行檢測(cè)。4個(gè)樣本分別為：I（常溫-不曝氣），II（低溫-不曝氣），III（常溫-曝氣），IV（低溫-曝氣）。

COD、總氮和氨氮采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[19]，DO采用溶解氧儀測(cè)定。微生物采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）進(jìn)行檢測(cè)。采用上海華舜生物公司的細(xì)菌DNA試劑對(duì)底泥中的DNA進(jìn)行提取。對(duì)提取的DNA通過(guò)16S rRNA通用引物BSF338 （5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3）和BSR534（5-ATTACCGCGGCTGCTGG-3）進(jìn)行PCR擴(kuò)增。DGGE具體操作過(guò)程如文獻(xiàn)[20]所述。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1間歇曝氣對(duì)COD的去除影響

間歇曝氣對(duì)人工濕地進(jìn)出水COD濃度的影響如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，無(wú)論在常溫還是低溫條件下，與不曝氣相比，間歇曝氣可使平均出水COD濃度有一定的降低，但差距不大，相應(yīng)的去除率為61.7%～70.1%。這說(shuō)明大量的微生物能夠負(fù)載在遴選的優(yōu)勢(shì)植物根系，并且能夠促進(jìn)有機(jī)污染物的去除。對(duì)比常溫（9月-11月）和低溫（12月-2月）情況來(lái)看，常溫條件下，COD的去除率略高于低溫時(shí)。總體來(lái)說(shuō)間歇曝氣方式對(duì)有機(jī)物氧化作用效果不明顯，這主要是因?yàn)椋喝斯竦叵到y(tǒng)中有機(jī)物的去除主要包括濕地填料（卵石、砂石）的過(guò)濾、吸附和截留作用，植物根系的吸附和沉淀作用，微生物絮體的吸附和降解作用，而只有部分有機(jī)物的去除主要通過(guò)微生物的降解來(lái)實(shí)現(xiàn)。在低溫環(huán)境中由微生物的生命活動(dòng)引起的COD去除受到了影響。從COD濃度變化來(lái)看，間歇曝氣方式未能有效促進(jìn)有機(jī)物的去除，這與以有機(jī)物去除為主的人工濕地設(shè)計(jì)中不布置曝氣設(shè)施是一致的。

2.2間歇曝氣對(duì)氨氮的去除影響

間歇曝氣對(duì)人工濕地中氨氮轉(zhuǎn)化的影響如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，沉水植物和挺水植物聯(lián)合的人工濕地對(duì)氨氮有很好的去除效率。在9月-11月份，不曝氣和間歇曝氣條件下，氨氮的平均去除效率分別為72.5%和84.7%。而在低溫（12月-2月）時(shí)期，氨氮的氧化能力受到了溫度的影響，出水氨氮的平均濃度從常溫（9月-11月）的2.53 mg/L升高到了低溫階段（12月-2月）的4.25 mg/L，但總體來(lái)說(shuō)，間歇曝氣人工濕地中的氨氮去除率仍高于不曝氣人工濕地。這說(shuō)明間歇曝氣供氧比單一以植物根系傳遞和表面接觸供氧的效率要高，強(qiáng)化了氨氮的氧化過(guò)程。

2.3間歇曝氣對(duì)總氮的去除影響

人工濕地對(duì)總氮的去除主要依靠微生物的反硝化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，維持反硝化菌所需的有機(jī)物和硝酸鹽氮是總氮高效去除的前提[11，13]。間歇曝氣對(duì)總氮的去除影響如圖4所示。由圖4可知，常溫階段，間歇曝氣對(duì)總氮的去除效率較高，平均出水濃度為4.42 mg/L，相應(yīng)的平均去除率達(dá)到79.1%。低溫階段，間歇曝氣人工濕地中總氮的平均出水濃度和去除率為7.59 mg/L和64.4%，仍明顯高于不曝氣人工濕地。氨氮去除過(guò)程主要是在有氧的環(huán)境中氨氮被氨氧化菌氧化成硝態(tài)氮，因而氨氮的去除率反應(yīng)氨氧化菌的活性。而總氮是在缺氧的條件通過(guò)反硝化菌將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ?。總體來(lái)說(shuō)，以間歇曝氣-植物-微生物構(gòu)建的人工濕地體系在低溫環(huán)境（12月-2月）有一定的適應(yīng)性，相比僅依靠植物根系攜氧，間歇曝氣方式能夠強(qiáng)化缺氧/好氧的交替環(huán)境，但是低溫環(huán)境還是對(duì)氨氧化菌和反硝化菌活性產(chǎn)生了影響，去除率相比于常溫有所降低。

2.4間歇曝氣對(duì)微生物群落的影響

微生物是人工濕地中有機(jī)物去除、氨氮氧化和總氮降解的主要貢獻(xiàn)者，因此，有必要研究間歇曝氣對(duì)常溫和低溫條件下植物根系微生物的影響。從圖5可以看出，無(wú)論常溫還是低溫，間歇曝氣還是不曝氣，植物根系的微生物主要以Actinobacteria、β-proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes為主，其中β-proteobacteria所占比例最高。在常溫和低溫階段，間歇曝氣使的β-proteobacteria所占比例分別從不曝氣時(shí)的35.18%和24.07%提高到42.37%和41.66%，相應(yīng)的Actinobacteria所占比例則分別從18.51%和12.96%提高到22.03%和18.75%。結(jié)合總氮的去除規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，β-proteobacteria和Actinobacteria的變化規(guī)律與總氮的去除規(guī)律相似，這與前人的研究結(jié)果一致[12]，β-proteobacteria和Actinobacteria能夠利用多種碳源完成反硝化反應(yīng)[21]，被認(rèn)為是提高總氮降解轉(zhuǎn)化的主要原因。此外，Bacteroidetes和Firmicutes也是主要細(xì)菌，受間歇曝氣的影響較小，是污水處理中的常見(jiàn)菌屬，其中Firmicutes與有機(jī)物降解以及反硝化過(guò)程息息相關(guān)[22]。

3結(jié)論

間歇曝氣-植物-微生物體系的人工濕地在低溫環(huán)境下具有更好的去污能力。間歇曝氣強(qiáng)化了氧的供給，為微生物提供了良好的缺氧/好氧環(huán)境，能夠促進(jìn)低溫環(huán)境下氨氮的硝化和反硝化反應(yīng)進(jìn)行。對(duì)植物根系微生物的分析表明：Actinobacteria、β-proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes是人工濕地中的主要菌屬，其中Actinobacteria和β-proteobacteria是參與氨氮轉(zhuǎn)化/總氮去除的主要細(xì)菌，在間歇曝氣條件下得到強(qiáng)化，同時(shí)主要以有機(jī)物降解為主的Bacteroidetes和Firmicutes菌屬占有較大比例。

【參考文獻(xiàn)】

[1]RUSSO N， MARZO A， RANDAZZO C， et al. Constructed wetlands combined with disinfection systems for removal of urban wastewater contaminants[J]. Science of Total Environment， 2019， 656： 558-566.

[2]YATES C N， VARICKANICKAL J， COUSINS S， et al. Testing the ability to enhance nitrogen removal at cold temperatures with C-aquatilis in a horizontal subsurface flow wetland system[J]. Ecological Engineering， 2016， 94： 344-351.

[3]劉緒為，穆軍偉，方帥.鎮(zhèn)江海綿城市系統(tǒng)性治理技術(shù)的階段性總結(jié)與探索[J].中國(guó)給水排水，2018，34（16）：7-11.

LIU X W， MU J W， FANG S. Stage summary and exploration on systematic management technology of sponge city in Zhenjiang[J]. China Water and Wastewater， 2018， 34（16）： 7-11.

[4]劉瑩，劉曉暉，張亞茹，等.三種人工濕地填料對(duì)低濃度氨氮廢水的吸附特性[J].環(huán)境化學(xué)，2018，37（5）：1118-1127.

LIU Y， LIU X H， ZHANG Y R， et al. Adsorption properties of low concentration ammonia nitrogen wastewater by three constructed wetland fillers[J]. Environmental Chemistry， 2018， 37（5）： 1118-1127.

[5]LI F M， Lu L， ZHENG X， et al. Three-stage horizontal subsurface flow constructed wetlands for organics and nitrogen removal： Effect of aeration[J]. Ecological Engineering， 2014， 68： 90-96.

[6]陳濤，于魯冀，柏義生，等.冬、夏兩季組合濕地系統(tǒng)的凈化力對(duì)比分析[J].環(huán)境工程，2018，36（5）：16-20.

CHEN T， YU L J， BO Y S， et al. Contrastive analysis of seasonal changes on pollutant removal rate of a constructed wetland system established for treatment of polluted rived[J]. Environmental Engineering， 2018， 36（5）： 16-20.

[7]譚月臣，姜冰冰，洪劍明.北方地區(qū)潛流人工濕地冬季保溫措施的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（7）：1653-1661.

TAN Y C， JIANG B B， HONG J M. The study of wintertime heat preservation measures in subsurface flow constructed wetland in northern China[J]. Acta Scientiae Circumstantiae， 2012， 32（7）： 1653-1661.

[8]張榮新，劉瑞，焦玉恩，等.低溫對(duì)濕地填料內(nèi)微生物生長(zhǎng)分布及處理效能的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，2018，40（4）：387-391.

ZHANG R X， LIU R， JIAO Y E， et al. Effect of low temperature on growth distribution and treatment efficiency of microorganisms in wetland filler[J]. Environmental Pollution and Control， 2018， 40（4）： 387-391.

[9]YANG Y， ZHAO Y Q， Liu R B， et al. Global development of various emerged substrates utilized in constructed wetlands[J]. Bioresource Technology， 2018， 261： 441-452.