廢磚與碎石人工濕地系統(tǒng)中微生物分布特征及其脫氮效果的比較研究

王晗陽(yáng)，劉月敏，楊 陽(yáng)

（天津城建大學(xué)a.環(huán)境與市政工程學(xué)院；b.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

隨著我國(guó)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，農(nóng)村人民生活質(zhì)量亦不斷提升，但與此同時(shí)，農(nóng)村生活污水的排放量也隨之增加.據(jù)第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，我國(guó)農(nóng)業(yè)污染源排放的總氮（TN）占排放總量的57.2%，已超過工業(yè)污染源，成為我國(guó)水環(huán)境氮污染的主要來源[1].然而，截止2016年底，我國(guó)農(nóng)村生活污水治理率僅為9.04%，相比城市生活污水的93.44%而言，差距很大[2].相對(duì)于傳統(tǒng)污水處理技術(shù)，人工濕地運(yùn)行成本低（大約是傳統(tǒng)二級(jí)污水處理廠的1/10～1/2），操作方便，脫氮效果良好、適用范圍廣[3-4]，更易于在農(nóng)村推進(jìn)實(shí)施.

人工濕地中氮污染物的去除方式主要包括植物吸收、基質(zhì)吸附及微生物代謝[5-6].其中，基質(zhì)作為人工濕地的重要組成部分，可為植物和微生物提供良好的生長(zhǎng)和附著環(huán)境[7]，因此，基質(zhì)的選擇對(duì)其脫氮效果的提高有著至關(guān)重要的作用，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn).劉慎坦等[8]對(duì)比了以碎磚、礫石和細(xì)沙配比的組合基質(zhì)和煤渣基質(zhì)構(gòu)成的潛流人工濕地的脫氮效果，結(jié)果表明采用組合基質(zhì)的人工濕地的脫氮效果較好，對(duì)總氮（TN）和氨氮（NH4+-N）的去除率達(dá)到75.7%和81.9%；葛媛[9]以爐渣和礫石為基質(zhì)開展了潛流人工濕地對(duì)污染物去除的對(duì)比研究，結(jié)果表明隨著濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，礫石濕地對(duì)總氮（TN）和氨氮（NH4+-N）的去除效果更優(yōu).張國(guó)珍等[10]采用建筑廢磚作為折流式垂直流人工濕地的基質(zhì)處理二級(jí)生化尾水，結(jié)果表明廢磚可作為系統(tǒng)微生物附著生長(zhǎng)的載體，對(duì)尾水中污染物的去除有積極作用.

基于前人的研究，筆者綜合考慮基質(zhì)材料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性，選取建筑廢磚和碎石為基質(zhì)，構(gòu)建模擬垂直流人工濕地，比較兩種人工濕地處理模擬農(nóng)村生活污水中氮污染的效果，并研究?jī)煞N基質(zhì)內(nèi)微生物的分布特征，以期為垂直流人工濕地基質(zhì)選擇和處理農(nóng)村生活污水的氮污染提供理論和數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 人工濕地裝置構(gòu)建與運(yùn)行

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了兩個(gè)大小和結(jié)構(gòu)相同，容積均為500 L的垂直潛流人工濕地裝置（如圖1所示）.裝置由鋼化玻璃制成，長(zhǎng)2.0 m，寬1.0 m，高1.2 m.分別采用建筑廢磚和碎石作為基質(zhì)，分為上、中、下三層，下層為承托層.各層所采用的基質(zhì)粒徑分別為0.1～0.5 cm、0.5～1 cm、3～5 cm，厚度分別20 cm、70 cm和10 cm.基質(zhì)的基本物理性質(zhì)見表1.人工濕地的進(jìn)水系統(tǒng)主要由進(jìn)水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、布水管等裝置構(gòu)成.其中，布水管設(shè)置在濕地裝置上方20 cm處，采用轉(zhuǎn)子計(jì)控制流量.出水系統(tǒng)則由4個(gè)直徑5 cm的圓形出水口構(gòu)成，并設(shè)有出水區(qū)以收集出水.兩種垂直流人工濕地中種植植物均為空心菜，種植密度為30株/m2.

圖1 人工濕地裝置圖

表1 廢磚與碎石的基本物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了16個(gè)周期，每個(gè)周期為7 d，自2018年7月24日開始至同年11月16日結(jié)束.進(jìn)水方式均采用間歇進(jìn)水：水量400 L，水力負(fù)荷0.2 m/d，進(jìn)水時(shí)間約為2 h/d，每500 L進(jìn)水中藥品投加量見表2.

表2 進(jìn)水藥品投加量 g

1.2 取樣及分析方法

分別在8月、9月、10月和11月的固定日期采集兩個(gè)濕地系統(tǒng)深度0～20 cm的上層基質(zhì)和50～60 cm的中層基質(zhì)，用于測(cè)定不同微生物的數(shù)量.

稱取10 g基質(zhì)樣品，置于裝有30粒玻璃球的100 mL無菌水中振蕩30 min，制成10-1稀釋度的菌懸液，并在無菌條件下稀釋成不同的梯度，按微生物在基質(zhì)中的數(shù)量多少選擇經(jīng)過適當(dāng)稀釋的菌懸液接種在相應(yīng)培養(yǎng)基上培養(yǎng).細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量采用平板培養(yǎng)法計(jì)數(shù)；氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量采用最大可能數(shù)法MPN（most probable number）計(jì)數(shù)，具體方法參照文獻(xiàn)[11].

分別在每個(gè)運(yùn)行周期對(duì)進(jìn)、出水中TN，NH4+-N，NO3--N以及DO（溶解氧）的濃度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定方法分別為堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、納氏試劑光度法和酚二磺酸光度法[12]，DO（溶解氧）濃度采用雷磁便攜式多參數(shù)分析儀（型號(hào)：DZB-712F）測(cè)定.

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理

用SPSS 24.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（p＜0.05），用Origin 9.0軟件繪圖，并采用Canoco 4.5對(duì)基質(zhì)中微生物和出水中TN，NH4+-N和NO3--N的濃度做冗余分析，揭示微生物數(shù)量和含氮污染物去除性能間的關(guān)系.

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地基質(zhì)中基質(zhì)微生物的分布與變化

2.1.1 微生物種群分布及變化

兩種基質(zhì)上、中層內(nèi)細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量變化如圖2所示.

圖2 不同濕地系統(tǒng)中不同深度細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量隨時(shí)間的變化

在所有微生物中，細(xì)菌所占比例最高，分別為55%（廢磚基質(zhì)）、52%（碎磚基質(zhì)）；其次為真菌，放線菌數(shù)量最少，這與杜剛[13]等人的研究結(jié)果一致.在運(yùn)行周期內(nèi)，廢磚基質(zhì)內(nèi)細(xì)菌（見圖2a）的平均數(shù)量為3.55×1010cfu/g干基質(zhì)，碎石基質(zhì)內(nèi)細(xì)菌的平均數(shù)量為3.98×1010cfu/g干基質(zhì)，兩種基質(zhì)內(nèi)細(xì)菌的平均數(shù)量無顯著差異（p＞0.05）.碎石基質(zhì)中真菌、放線菌的平均數(shù)量分別為2.61×107cfu/g干基質(zhì)和3.80×105cfu/g干基質(zhì)（見圖2b、2c）；廢磚濕地中真菌、放線菌的平均數(shù)量分別為6.55×104cfu/g干基質(zhì)和2.88×105cfu/g干基質(zhì)，碎石基質(zhì)中真菌、放線菌的平均數(shù)量均顯著高于廢磚基質(zhì)（p＜0.05）.從空間分布來看，8月至10月，細(xì)菌、真菌以及放線菌在兩基質(zhì)中上層的數(shù)量均高于中層，11月之后則相反，這是由于進(jìn)入11月后，溫度下降，上層基質(zhì)距離空氣較近，因而更容易受到溫度下降的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明碎石濕地較廢磚濕地而言更有利于真菌及放線菌的附著，但對(duì)細(xì)菌的附著影響不大.

2.1.2 氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌分布與變化

兩種基質(zhì)上、中層內(nèi)氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量變化如圖3所示，廢磚基質(zhì)中氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的平均數(shù)量分別為2.82×106cfu/g干基質(zhì)、9.33×104cfu/g干基質(zhì)和1.90×104cfu/g干基質(zhì)；而在碎石基質(zhì)中，這3種微生物的數(shù)量分別為5.01×104cfu/g干基質(zhì)、1.23×104cfu/g干基質(zhì)和6.79×102cfu/g干基質(zhì).通過獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這3種微生物在廢磚基質(zhì)中的數(shù)量均顯著高于其在碎石基質(zhì)中的數(shù)量（p＜0.05）.在空間分布上，在兩種基質(zhì)上層均存在氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的數(shù)量高于中層的現(xiàn)象，且對(duì)于反硝化細(xì)菌而言，這一現(xiàn)象則恰好相反.總體而言，廢磚較碎石更利于氮代謝微生物的附著和生長(zhǎng).

圖3 不同濕地系統(tǒng)中不同深度與氮素代謝相關(guān)的微生物數(shù)量隨時(shí)間的變化

2.2 人工濕地中DO質(zhì)量濃度變化特征

兩濕地系統(tǒng)在16個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)DO濃度的變化特征如圖4所示.在第9個(gè)運(yùn)行周期兩種基質(zhì)上層和中層的溶解氧質(zhì)量濃度都有不同程度的降低；在第10個(gè)運(yùn)行周期，濕地各層溶解氧濃度都有不同程度的回升.在第11～16個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，廢磚上層溶解氧質(zhì)量濃度基本保持不變且維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平（平均質(zhì)量濃度為0.54 mg/L）；但碎石濕地上層的溶解氧質(zhì)量濃度則大幅度下降，并低至0.03 mg/L.同時(shí)，兩種基質(zhì)中層的溶解氧質(zhì)量濃度也降至0～0.1 mg/L之間.整體來看，廢磚濕地系統(tǒng)上層的溶解氧質(zhì)量濃度要高于碎石濕地系統(tǒng)，這是由于廢磚的微孔體積較碎石大，提高了系統(tǒng)內(nèi)的氧交換過程（見表1）.

人工濕地氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的空間分布呈現(xiàn)出明顯差異（見圖3），上層以好氧的氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)微生物，中層則以兼性厭氧和厭氧的反硝化細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)微生物，這與基質(zhì)上層和中層溶解氧濃度的分布規(guī)律有關(guān).在人工濕地表面的水體能夠更好地和空氣接觸，從而進(jìn)行復(fù)氧過程，另外，基質(zhì)上層距離植物根系較近，根部輸氧作用強(qiáng)[14]，這也是人工濕地上層溶解氧濃度較高的原因.因而，在人工濕地上層，由于溶解氧水平較高，氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的數(shù)量大于反硝化細(xì)菌的數(shù)量；反之，在垂直流人工濕地中層，溶解氧水平較低，反硝化細(xì)菌則更占優(yōu)勢(shì).

圖4 濕地系統(tǒng)中不同層次溶解氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

2.3 人工濕地的脫氮效果

2.3.1 人工濕地中TN質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

在第1～16個(gè)運(yùn)行周期中，兩種濕地系統(tǒng)中TN質(zhì)量濃度的變化規(guī)律及去除率如圖5所示.進(jìn)水TN質(zhì)量濃度在37.52～48.75 mg/L之間波動(dòng)，廢磚濕地的TN去除率呈下降趨勢(shì)，從第1個(gè)運(yùn)行周期的75.36%降至第16個(gè)運(yùn)行周期的35.75%.在1～7個(gè)運(yùn)行周期中，廢磚為基質(zhì)的垂直流人工濕地對(duì)TN的去除率較高，平均去除率維持在75%以上，最高可達(dá)83%.而在第8～13個(gè)運(yùn)行周期中，由于環(huán)境溫度的下降，廢磚人工濕地去除率下降至64%左右.在第14～16個(gè)運(yùn)行周期（10月中下旬至11月中旬），出水TN質(zhì)量濃度顯著升高，平均出水質(zhì)量濃度達(dá)到27.91 mg/L，去除率急速下降，降低至41%以下.造成人工濕地系統(tǒng)的TN去除率呈現(xiàn)階段下降趨勢(shì)的原因推測(cè)如下：在第14～16個(gè)運(yùn)行周期（10月中下旬至11月中旬），受季節(jié)影響，部分植物呈枯落狀態(tài)，腐敗的落葉會(huì)向水中釋放氮素[15]；同時(shí)受溫度影響，基質(zhì)內(nèi)微生物數(shù)量下降（見圖3），致使系統(tǒng)內(nèi)對(duì)TN的去除效果降低.

與廢磚人工濕地相比，碎石人工濕地的TN去除率則較低，除第1、2和第11個(gè)運(yùn)行周期外，在其余運(yùn)行周期，TN去除率一直低于50%，出水TN質(zhì)量濃度均在20 mg/L以上.廢磚濕地整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的TN平均去除率為66.04%顯著高于碎石濕地的45.09%（p＜0.05），這與濕地基質(zhì)中氮代謝微生物的數(shù)量及分布結(jié)果相吻合.結(jié)果表明，廢磚濕地較碎石濕地而言，對(duì)TN的去除能力更優(yōu).

圖5 濕地系統(tǒng)中TN進(jìn)出水質(zhì)量濃度及去除率變化

2.3.2 人工濕地中NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

在第1～16個(gè)運(yùn)行周期中，以廢磚和碎石為基質(zhì)的人工濕地對(duì)NH4+-N去除性能如圖6所示.運(yùn)行期間進(jìn)水的NH4+-N質(zhì)量濃度維持在35.02～42.98 mg/L.在第1～12個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，廢磚人工濕地對(duì)NH4+-N的平均去除率為83.75%，出水NH4+-N質(zhì)量濃度均在10.00 mg/L以下，表明廢磚人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中NH4+-N去除效果良好且維持度高.但在第13～16個(gè)運(yùn)行周期（10月中旬至11月中旬），隨著溫度的下降，植物供氧能力不斷下降，造成人工濕地內(nèi)部溶解氧不足，因而致使氨氮去除率下降.此外，由于NH4+-N的去除主要依靠氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌在氧氣作用下將其氧化為NO2--N、NO3--N，但是由于溫度的下降，造成氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌數(shù)量的降低，這也導(dǎo)致了NH4+-N去除性能的惡化.

碎石濕地對(duì)于NH4+-N的去除效率整體上呈下降趨勢(shì)，且去除效果不穩(wěn)定.在第1～8個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，碎石人工濕地對(duì)NH4+-N的去除效率略低于廢磚人工濕地，平均去除率在69.71%.在第9～16個(gè)運(yùn)行周期，碎石人工濕地對(duì)NH4+-N去除率在50%水平上下波動(dòng)且呈下降趨勢(shì).對(duì)兩種濕地的NH4+-N去除率做獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)廢磚濕地（平均去除率75.63%）顯著高于碎石濕地（平均去除率60.93%）（p＜0.05）.

圖6 濕地系統(tǒng)中NH4+-N進(jìn)出水質(zhì)量濃度及去除率變化

以廢磚和碎石為基質(zhì)的人工濕地中進(jìn)出水NO3--N質(zhì)量濃度的變化規(guī)律如圖7所示.結(jié)果表明，兩種人工濕地中出水NO3--N質(zhì)量濃度均高于進(jìn)水質(zhì)量濃度.這是由于NH4+-N經(jīng)硝化作用而被轉(zhuǎn)化為NO3--N，同時(shí)反硝化過程由于有機(jī)物的缺乏以及溫度降低導(dǎo)致了反硝化細(xì)菌數(shù)量的下降（見圖3），基于以上原因造成反硝化不徹底，并最終導(dǎo)致硝化過程產(chǎn)生的NO3--N不能被完全去除.

圖7 濕地系統(tǒng)中NO3--N進(jìn)出水質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

2.3.3 人工濕地的微生物與出水中TN，NH4+-N和NO3--N濃度的冗余分析

通過冗余分析（redundancy analysis，RDA），揭示氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌數(shù)量和兩種人工濕地出水中TN，NH4+-N和NO3--N濃度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示.第一軸（RDA1）和第二軸（RDA2）對(duì)于整體信息的解釋率分別達(dá)到74.8%和17.3%，說明排序結(jié)果可信，微生物能夠顯著影響人工濕地對(duì)污水的脫氮效果（p＜0.05）.

排序結(jié)果表明，TN和NH4+-N出水濃度與氨氧化細(xì)菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）、反硝化細(xì)菌（DNB）負(fù)相關(guān)，這是由于氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的“硝化-反硝化”作用會(huì)消耗進(jìn)水中的TN和NH4+-N[16]，使其出水濃度下降.相關(guān)研究表明，人工濕地系統(tǒng)通過微生物的“硝化-反硝化”作用對(duì)氮的去除量占全部去除量70～80%[17]，說明氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量是影響TN和NH4+-N去除的關(guān)鍵因素，這與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.NO3--N出水濃度與氨氧化細(xì)菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）正相關(guān)，與反硝化細(xì)菌（DNB）負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)榘毖趸?xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的硝化作用產(chǎn)生NO3--N[16]，使其出水濃度上升，而人工濕地中NO3--N的去除則主要依賴人工濕地中反硝化細(xì)菌的作用[18].另一方面，TN和NH4+-N出水濃度與真菌（fungi）、放線菌（actinomyces）呈正相關(guān)，說明其含量越高反而越不利于TN和NH4+-N的去除，這是由于真菌和放線菌會(huì)和與氮素代謝相關(guān)的微生物競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)環(huán)境，且一些好氧的真菌和放線菌會(huì)與氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)氧氣而不利于后者的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響濕地的脫氮作用.廢磚濕地集中（除11月，即圖8中A11以外）排列在一、四象限，含氨氧化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌較多，說明廢磚濕地較碎石濕地含有數(shù)量更高的與氮素代謝相關(guān)的微生物，有利于TN和NH4+-N的去除；而碎石濕地則含有更多的真菌和放線菌，一定程度上影響了氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的附著，從而影響了TN和NH4+-N的去除.

圖8 兩種濕地內(nèi)關(guān)鍵微生物與出水含氮量的冗余分析

3 結(jié)論

（1）廢磚基質(zhì)較碎石基質(zhì)含有更高數(shù)量的氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，碎石基質(zhì)較廢磚基質(zhì)含有更多的真菌和放線菌，對(duì)于細(xì)菌的數(shù)量而言兩種基質(zhì)無顯著差異.

（2）廢磚濕地對(duì)于TN和NH4+-N的去除率均顯著高于碎石濕地，對(duì)于NO3--N而言，由于兩濕地中反硝化細(xì)菌數(shù)量在運(yùn)行中后期減少的原因，致使硝化過程產(chǎn)生的NO3--N不能完全去除.

（3）冗余分析表明，TN和NH4+-N的去除主要依賴基質(zhì)中的氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，因而含有這3種微生物數(shù)量更多的廢磚濕地較碎石濕地而言對(duì)于TN和NH4+-N的去除效果更優(yōu).