低溫條件下組合式浮床脫氮特性及微生物種群研究

母玉敏 ，劉 利 ，曹文平

（1.江蘇方正環(huán)保集團(tuán)有限公司，江蘇徐州221000；2.江蘇愛爾沃特環(huán)保科技有限公司，江蘇徐州221116；3.江蘇蓮洋港環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇徐州221111）

生態(tài)浮床因維護(hù)簡(jiǎn)單、無占地、太陽能驅(qū)動(dòng)和景觀美化效果好等特點(diǎn)受到普遍的關(guān)注〔1〕。將污水生物處理中的生物載體引入生態(tài)浮床中并組建成組合式生態(tài)浮床，生物載體往往被懸掛在浮床的浮體下面。所以，組合式生態(tài)浮床能提高浮床系統(tǒng)中生物量，從而達(dá)到強(qiáng)化生態(tài)浮床的生態(tài)效應(yīng)和修復(fù)效果，取得了良好的效果〔2-7〕。目前關(guān)于生態(tài)浮床領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于生態(tài)浮床的設(shè)計(jì)、植物搭配和優(yōu)選、強(qiáng)化浮床凈化效果以及浮床的生態(tài)效應(yīng)等〔8-9〕，但如何經(jīng)濟(jì)有效地解決地表水體除磷脫氮過程中碳源不足問題鮮有報(bào)道。另外，生態(tài)浮床系統(tǒng)由于低溫條件下植物枯萎，水體凈化效果偏低，所以低溫條件下生態(tài)浮床脫氮除磷效果研究較少。

基于低溫條件下生態(tài)浮床景觀構(gòu)建和強(qiáng)化脫氮除磷效果雙重需要，本次試驗(yàn)耦合固相反硝化原理、無土栽培原理、生物反硝化原理等，構(gòu)建了一種新型的組合式生態(tài)浮床。改變了傳統(tǒng)組合式生態(tài)浮床植物根系和人工填料相對(duì)位置，將懸掛在浮體下面的填料調(diào)整作為植物生長(zhǎng)基質(zhì)，能改善植物根系生長(zhǎng)環(huán)境，提高基質(zhì)表面微生物活性和微生物濃度，有利于強(qiáng)化植物生長(zhǎng)效果和浮床系統(tǒng)內(nèi)的微生物量，從而提升生態(tài)浮床的凈化效果〔10-11〕。

本研究選擇輕質(zhì)陶粒和玉米麩作為浮床植物生長(zhǎng)基質(zhì)，借助水面微曝氣的方式，改善系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)效果和供氧水平，同時(shí)與采用輕質(zhì)陶?；|(zhì)的浮床進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。本試驗(yàn)的目的：（1）比較研究新型組合式生態(tài)浮床在低溫條件下的除磷脫氮效果；（2）對(duì)比研究玉米麩和陶粒表面微生物物種多樣性特征；（3）對(duì)比研究水芹的能量水平。本試驗(yàn)研究結(jié)果可以為低溫條件下水體脫氮提供參考。

1 材料和方法

1.1 水生植物生長(zhǎng)基質(zhì)

本試驗(yàn)選用輕質(zhì)陶粒和玉米麩作為水生植物生長(zhǎng)基質(zhì)，其中玉米麩取自徐州農(nóng)村地區(qū)玉米棒芯，由人工剪切成邊長(zhǎng)1 cm的正方體，用自來水連續(xù)浸泡14 d（每天換水1次）以消除其組織內(nèi)的可溶性物質(zhì)及表面易脫落的有機(jī)顆粒，表面積約為380 m2/m3，孔隙率約為68%。輕質(zhì)陶粒，粒徑為0.5～0.8 cm，表面積約為360 m2/m3，孔隙率約為65%。

1.2 水芹培育與種植

水芹苗購(gòu)自徐州市花卉市場(chǎng)，洗凈根系后放入自來水中進(jìn)行培育（15 d），當(dāng)根系和莖葉生長(zhǎng)較好后，移入浮床的基質(zhì)中栽培?；|(zhì)以上部分統(tǒng)一為8 cm，水芹栽培相互間距為3 cm。

1.3 原水水質(zhì)

原水取自徐州工程學(xué)院中心校區(qū)二期學(xué)生公寓樓下的湖水，在湖水中加入一定量的氯化銨、硝酸鉀、磷酸二氫鉀、葡萄糖和奶粉（雀巢牌），使COD為 76.50～88.40 mg/L，TN 為 19.70～21.80 mg/L，TP 為0.95～1.25 mg/L，pH 為 7.36～8.63。

試驗(yàn)日期為2016年11月22日—2017年2月13日，水溫9.3～14℃。2017年1月1日在生態(tài)浮床基質(zhì)上剝落下的生物膜中發(fā)現(xiàn)了較為豐富的鐘蟲和少量的輪蟲，并進(jìn)入試驗(yàn)過程。

1.4 構(gòu)建浮床系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

浮床系統(tǒng)包括浮床和試驗(yàn)水箱；浮床由水芹、基質(zhì)和過水框架組成，基質(zhì)是輕質(zhì)陶粒和預(yù)處理后的玉米麩，過水框架是濾水性能優(yōu)良的塑料籃子，內(nèi)徑20 cm，深18 cm，每個(gè)過水框架內(nèi)分別填充基質(zhì)3.5 L。試驗(yàn)水箱為100 L的長(zhǎng)方體塑料箱體。

每組浮床均設(shè)置3個(gè)平行的試驗(yàn)組，其中一組是以玉米麩為基質(zhì)的組合式浮床（Integrated floating bed with corn flakes，簡(jiǎn)寫 IFB-CF），另一組是以輕質(zhì)陶粒為基質(zhì)的組合式浮床（Integrated floating bed with light ceramsite，簡(jiǎn)寫IFB-LC）。利用小型的充氧泵對(duì)浮床系統(tǒng)進(jìn)行表面增強(qiáng)，使DO介于2.3～3.3 mg/L；浮床系統(tǒng)換水周期為 7 d，分別于 0.5、1、2、3、4、5、6、7 d取水進(jìn)行水質(zhì)分析。在水箱的5處不同位置采集水樣，形成的混合水樣裝入已滅菌的采樣瓶中，2 h內(nèi)完成檢測(cè)分析。

1.5 樣品采集及分析

總磷（TP）、總氮（TN）、COD 等采用文獻(xiàn)〔12〕中規(guī)定的方法進(jìn)行分析。COD利用便攜水質(zhì)快速檢測(cè)儀（型號(hào)T3WS-P）測(cè)定；TN和TP均采用754N紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定。

微生物多樣性表征和水芹營(yíng)養(yǎng)成分的分析分別委托江蘇中宜金大分析檢測(cè)有限公司和英格爾檢測(cè)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司進(jìn)行〔13-16〕。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)計(jì)算為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD），并利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（Oneway ANOVA）和最小顯著差異（LSD）對(duì)兩組生態(tài)浮床對(duì)TN、COD、TP去除效果差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（顯著性水平為 p＜0.05）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010軟件處理后，運(yùn)用Origin 9.0軟件作圖，并應(yīng)用Origin對(duì)氮、磷降解過程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)浮床對(duì)氮素污染物去除效果

IFB-CF和IFB-LC對(duì)水體中氮素污染物去除效果如圖1所示。

由圖1（a）可見，隨著時(shí)間增加，TN濃度顯著減少；IFB-CF對(duì)水體TN的去除效果要優(yōu)于IFB-LC，兩者TN去除效果存在顯著性差異（p＜0.05）。7 d后，IFB-LC對(duì)TN去除率為31.37%，而IFB-CF去除率達(dá)到67.55%。可能是因?yàn)镮FB-CF系統(tǒng)有適當(dāng)?shù)奶荚囱a(bǔ)充（玉米麩水解產(chǎn)生的低分子有機(jī)物），導(dǎo)致氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽后能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩觯欢鳬FB-LC系統(tǒng)處于低C/N比狀態(tài)下，氨氮轉(zhuǎn)化硝態(tài)氮后無法獲得足夠的電子供體而出現(xiàn)硝態(tài)氮積累問題，表現(xiàn)為TN去除率較低。

圖1 生態(tài)浮床系統(tǒng)中氮素污染物轉(zhuǎn)化和去除效果

2.2 生態(tài)浮床對(duì)COD去除效果

COD隨時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 COD變化曲線

由圖2可知，兩個(gè)浮床系統(tǒng)對(duì)COD的去除率分別為86.89%和66.06%，IFB-LC比IFB-CF要高出20.83%。其原因是：IFB-CF內(nèi)的COD被水芹根系、玉米麩表面生物膜等降解的同時(shí)，玉米麩會(huì)不斷地釋放出一定量的有機(jī)物和懸浮物，易降解有機(jī)物能作為生物脫氮碳源被消耗掉，但是懸浮物會(huì)隨著出水流出而影響出水水質(zhì)；相比于IFB-LC，IFB-CF因?yàn)閮?nèi)源碳的釋放，COD的降解量也隨之增加。所以，IFBCF比IFB-LC對(duì)COD的去除率要低一些。

2.3 生物多樣性統(tǒng)計(jì)分析

兩組浮床內(nèi)基質(zhì)表面生物多樣性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 IFB-CF和IFB-LC的微生物種群多樣性對(duì)比

從表1可知，玉米麩表面的微生物種群多樣性和群落豐富程度比陶粒表面的微生物要高，且玉米麩表面微生物量大于輕質(zhì)陶粒。綜上表明：相比于IFB-LC，IFB-CF具有更穩(wěn)定的生態(tài)修復(fù)微生物系統(tǒng)，更高效的生態(tài)修復(fù)效果。

2.4 水芹體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)水平情況

對(duì)浮床上種植出的水芹營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 水芹主要營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比表

相對(duì)于IFB-CF而言，IFB-LC中的水芹能量和蛋白質(zhì)含量較高，IFB-LC的去除效率不高，說明異化作用弱，能量和蛋白質(zhì)消耗較少，主要積累在植物組織內(nèi)。從主要以氧化物、硫酸鹽、磷酸鹽等形式存在的灰分上看，IFB-CF和IFB-LC的含量相同，說明水芹對(duì)硫、磷等元素吸收作用相差不大。

從碳水化合物含量來看，CL>IFB-LC>IFB-CF，說明種植于土壤中的水芹能吸收更多的碳元素，合成更多的碳水化合物，但是污水中的碳元素含量相比于土壤而言，要低得多；從蛋白質(zhì)含量來看，兩個(gè)組合式浮床上的水芹要優(yōu)于CL，可能與水體中含有較高氮濃度有關(guān)，也說明利用水芹吸收氮是可取的。

3 結(jié)論

低溫條件下，IFB-CF和IFB-LC對(duì)水體中的有機(jī)物和總氮保持較高的去除率，而且水芹生產(chǎn)狀態(tài)良好；說明該類型組合式浮床能用于修復(fù)水體中的總氮，具有良好的生態(tài)效應(yīng)。

（1）IFB-LC 對(duì) TN、COD 的去除率為 31.37%、86.89%，IFB-CF對(duì) TN、COD的去除率為 67.55%、66.06%。

（2）IFB-LC 和 IFB-CF 系統(tǒng)內(nèi) Chao、ACE、Shannon、Simpson 指數(shù)分別為 4081、6295、5.10、0.05（IFBLC）；4 938、7 461、5.77、0.02（IFB-CF），說明玉米麩表面的細(xì)菌多樣性、細(xì)菌總量要優(yōu)于輕質(zhì)陶粒，IFBCF系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

（3）生態(tài)浮床系統(tǒng)中的水芹組織內(nèi)碳水化合物含量要低于土壤中生長(zhǎng)的水芹，而生態(tài)浮床系統(tǒng)中的水芹組織內(nèi)蛋白質(zhì)含量卻高于土壤中生長(zhǎng)的水芹。