人工濕地構(gòu)建耐低溫復(fù)合微生物菌劑的技術(shù)研究

王 倩，李瑞月，李曉連，田巧麗，宋 欣

（河北華清環(huán)境科技集團(tuán)股份有限公司，河北 石家莊 130000）

1 人工濕地低溫運(yùn)行概況

人工濕地是近年發(fā)展的綜合效益極高的綜合生態(tài)水處理系統(tǒng)。然而其應(yīng)用和處理效果易受到外界條件的影響，即地域的差異，季節(jié)的更替都導(dǎo)致難以找到一種適合于各地不同特點(diǎn)、不同水質(zhì)狀況的人工濕地污水處理工藝和運(yùn)行方式的理想組合。華萊士[1]等指出溫度過低不僅影響人工濕地的運(yùn)行效果，還容易造成系統(tǒng)單元填料層凍結(jié)、管道破裂、床體缺氧等多種不利后果，這些都制約著人工濕地在寒冷地區(qū)冬季的應(yīng)用。濕地中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化或礦化的主要承擔(dān)者就是微生物。故而構(gòu)建高效復(fù)合微生物菌劑提高人工濕地污水處理系統(tǒng)冬季微生物活性成為人工濕地發(fā)展的一大重要關(guān)卡。冬季人工濕地系統(tǒng)中微生物的活性成為濕地系統(tǒng)運(yùn)行效果的制約因素之一。

2 人工濕地低溫運(yùn)行的影響因素及優(yōu)化措施

人工濕地亦是填料-水生植物-微生物彼此間相互制約相互影響的生態(tài)系統(tǒng)。其運(yùn)行效果容易受到濕地溫度、水生植物、微生物活性、濕地類型及運(yùn)行方式等的影響。針對(duì)保溫當(dāng)前通常是通過植物覆蓋法、覆膜法、冰雪覆蓋等的方法等對(duì)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行合理的保溫；再結(jié)合通過出水回流加提升水力負(fù)荷等方式來保持水土界面不凍結(jié)、保證系統(tǒng)運(yùn)行的水力停留時(shí)間，并通過補(bǔ)水管的保溫方式防止補(bǔ)水的凍結(jié)堵塞；另通過增加或提升濕地污水處理前段的預(yù)處理工藝等措施來優(yōu)化人工濕地系統(tǒng)的處理效果。通過投加耐低溫微生物優(yōu)勢(shì)菌劑等方式提升人工濕地活性微生物的數(shù)量，亦是通過提升微生物活性等來提升系統(tǒng)的凈化能力；當(dāng)前冬季濕地中采取各種措施來優(yōu)化人工濕地的運(yùn)行效果十分明顯。其中耐低溫微生物復(fù)合菌劑的構(gòu)建已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

3 投加微生物菌劑在人工濕地低溫運(yùn)行系統(tǒng)中的重要性

人工濕地系統(tǒng)在溫帶地區(qū)常年具有良好的處理效果，而寒冷氣候地區(qū)例如我國(guó)的北方地區(qū)冬季時(shí)由于其溫度低而使?jié)竦剡\(yùn)行效果受到影響而使其應(yīng)用受到限制，其主要原因是微生物的活性因溫度過低而大大受到抑制，繼而影響了濕地運(yùn)行處理水體的效果。

3.1 濕地微生物數(shù)量及活性對(duì)運(yùn)行的影響

人工濕地中一些微生物可降解多種甚至上百種的有機(jī)物，即其對(duì)污染物的分解能力很明顯，系統(tǒng)中微生物的數(shù)量及活性成為濕地運(yùn)行效果的重要制約因素。有研究[3]指出，水生植物根系微生物特別是細(xì)菌的數(shù)量變化與總氮的去除率成正相關(guān)，總氮的去除是微生物與水生植物共同作用的結(jié)果。付融冰[2]等通過研究不同植物及無植物潛流水平濕地基質(zhì)中微生物狀況與污水凈化效果的關(guān)系，指出濕地系統(tǒng)中微生物的作用是去除污染物的重要途徑。

3.2 濕地微生物的分布

濕地微生物廣泛分布于人工濕地水體中、水生植物根系或者基質(zhì)內(nèi)部，構(gòu)成了填料-植物-微生物生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)，即微生物不同類群的相對(duì)豐度在濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果亦有不同體現(xiàn)。吳振斌[4]表明，濕地基質(zhì)中好氧原核微生物是系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)類群；Zhou等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)表層的細(xì)菌與真菌的數(shù)量顯著高于其下層的數(shù)量，隨著系統(tǒng)的垂直高度不斷加深，真菌的數(shù)量亦相繼減少。

目前很多研究[6]已經(jīng)證明了不同水生植物根系微生物在數(shù)量及種類上有很大差別。項(xiàng)學(xué)敏[7]等研究結(jié)果表明，微生物在蘆葦和香蒲兩種水生植物的根際效應(yīng)非常明顯，根基存在的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量都明顯大于非根際微生物的數(shù)量；還表明基質(zhì)類型對(duì)植物的根際微生物的數(shù)量及分布亦有明顯影響；針對(duì)所種植的植物，趙慶節(jié)[8]研究表明不同植物，濕地基質(zhì)微生物群落差異明顯。在不同季節(jié)，有研究顯示人工濕地系統(tǒng)細(xì)菌總數(shù)量秋季高于夏季。

3.3 微生物的多樣性分析

現(xiàn)代學(xué)者也對(duì)人工濕地中微生物的多樣性做了大量的研究。研究發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)內(nèi)部及水生植物體表面好氧微生物和兼性厭氧微生物都比較豐富。研究主要是通過微生物的分離、鑒定等操作來完成。人工濕地系統(tǒng)中，以細(xì)菌的數(shù)量最多，放線菌其次，真菌最少。細(xì)菌包括好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌、硝化和反硝化細(xì)菌及磷細(xì)菌等。夏宏生等[9]的研究指出，氨化細(xì)菌是人工濕地運(yùn)行系統(tǒng)中除氮的優(yōu)勢(shì)菌群并且隨著系統(tǒng)的運(yùn)行其數(shù)量逐漸增加；硝化細(xì)菌屬于好氧細(xì)菌，隨著系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行數(shù)量逐漸下降，從而確保濕地系統(tǒng)凈化效率及穩(wěn)定性。蔣玲燕等[10]的研究指出水生植物體對(duì)微生物多樣性的作用，從而表現(xiàn)出更高的去污效果。

人工濕地系統(tǒng)中對(duì)細(xì)菌種屬的研究中，張甲耀等[11]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在潛流蘆葦濕地中有假單胞菌屬、無色桿菌屬、不動(dòng)桿菌屬、黃桿菌屬、黃單胞菌草屬、短桿菌屬、節(jié)桿菌屬、芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、葡萄球菌屬及微球菌屬等。對(duì)系統(tǒng)中氮循環(huán)細(xì)菌的多樣性研究也比較豐富。其中亞硝化細(xì)菌主要涉及兩個(gè)綱，即自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌β-Proteobacteria和γ-Proteobacter。

3.4 水生植物體與微生物分布間的相互作用

在植物根系與微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)中，根系微生物與植物的關(guān)系密切又復(fù)雜。一方面植物通過根部輸送氧氣以滿足根系微生物的生存和繁殖，同時(shí)植物根系分泌有機(jī)復(fù)合物也會(huì)影響根系微生物，有研究表明[12]，植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育及根系分泌有機(jī)復(fù)合物質(zhì)是刺激根系微生物生長(zhǎng)繁殖的能源和養(yǎng)分。常會(huì)慶等[12]通過向反應(yīng)器中加入三種水生植物的根系分泌有機(jī)復(fù)合物質(zhì)，對(duì)氮循環(huán)細(xì)菌和光合細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果顯示：三種分泌物對(duì)光合細(xì)菌的生長(zhǎng)都起到了促進(jìn)作用，對(duì)于氮循環(huán)細(xì)菌的影響效果不同。由此可見分泌物成分直接影響著根際微生物的生長(zhǎng)和繁殖。另一方面根系微生物通過利用植物傳輸?shù)难鯕夥纸鈴U水中可生化降解的大分子有機(jī)物為小分子有機(jī)物，這種根系微生物的新陳代謝作用也可以促進(jìn)或抑制根系的物質(zhì)吸收和根系生長(zhǎng)，從而影響著載體中的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化。

4 耐低溫菌的分離、篩選及復(fù)合微生物菌劑的構(gòu)建

低溫人工濕地的運(yùn)行強(qiáng)化措施中生物強(qiáng)化技術(shù)是立足于全世界的，是篩選優(yōu)勢(shì)菌種或者構(gòu)建基因工程高效降解菌，并構(gòu)建復(fù)合微生物菌劑繼而投加至待強(qiáng)化的人工濕地生物系統(tǒng)中的技術(shù)。冬季低溫導(dǎo)致人工濕地微生物活性降低，從而導(dǎo)致人工濕地凈化能力降低，但濕地系統(tǒng)中乃至自然界中微生物廣泛分布，并可通過馴化、篩選、構(gòu)建復(fù)合菌劑等方式，培育在低溫下具有較好降解能力的微生物，通過擴(kuò)大培養(yǎng)得出低溫微生物產(chǎn)品，并通過在低溫時(shí)向人工濕地系統(tǒng)投加一定數(shù)量的低溫微生物的方式來增加活性微生物的數(shù)量，從而加快人工濕地凈化作用。趙昕悅等[13]通過投加復(fù)合菌劑提高低溫人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的功能菌群的豐度來增大氨氮、總氮及COD的轉(zhuǎn)化率。

4.1 耐低溫菌的分布

人工濕地耐低溫微生物同耐冷菌一樣是一類可以在最低溫度為-5～0 ℃及最高溫度高于20 ℃生長(zhǎng)繁殖的微生物，在低冷環(huán)境及人工濕地系統(tǒng)中均有耐冷菌的分布[14-15]。有研究人員從下水道中分離出對(duì)生活污水有機(jī)質(zhì)有降解能力的耐冷菌，并利用耐冷復(fù)合菌群處理低溫生活污水，使CODMn由單一菌群35%的去除率提高到復(fù)合菌群89%的去除率[16]。

4.2 濕地中耐低溫菌的分離篩選研究

當(dāng)前，通過人工篩選在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出耐低溫菌種，如耐冷分歧桿菌、耐低溫酵母菌、耐冷型假單細(xì)菌和絲狀藍(lán)細(xì)菌等，對(duì)各種油烴類污染物以及人工合成的表面活性劑等均具有良好的降解效果。

在研究濕地耐冷菌的篩選和富集培養(yǎng)中，之前有魏清娟等[17]的研究指出人工濕地系統(tǒng)經(jīng)低溫脫氮菌或生物強(qiáng)化后，濕地生物強(qiáng)化系統(tǒng)的出水氨氮和總氮濃度均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》出水排放的I級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，從而在強(qiáng)化低溫脫氮效果的同時(shí)增大了日處理量。并指出在濕地中增加低溫脫氮微生物豐度可以強(qiáng)化系統(tǒng)出水氨氮和總氮去除率，其中Pseudomonas、Bacillus、Nitrosomonas和土壤中Nitrospira在投加到系統(tǒng)中時(shí)，含量大幅增加，故而可以作為低溫脫氮菌劑構(gòu)建的主要微生物菌屬。

顧修君等[18]的研究結(jié)果中當(dāng)溫度為8 ℃時(shí)，從人工濕地污泥中分離出的6種對(duì)COD、總磷和氨氮均有去除效果的菌株，其中菌株E凈化效果最好。李慧峰等[19]從污水處理廠活性污泥中分離獲得了K36睪丸酮假單胞菌和K38居泉沙雷氏菌兩株對(duì)污水中COD具有降解能力的耐冷細(xì)菌，并指出在低溫下該菌株具有較高的活性。孫靜等[20]從北方人工濕地底泥中分離出耐冷菌株黃假單胞菌（Pseudomonas flava），并指出其在8 ℃時(shí)具有較好的污染物降解能力和耐鹽能力，且降解率均超過50%；多項(xiàng)研究無疑為提升人工濕地冬季運(yùn)行效率豐富了耐冷菌資源[21]。

4.3 復(fù)合微生物菌劑的投加對(duì)人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行的影響

復(fù)合微生物菌劑修復(fù)技術(shù)是一種投資少、見效快向目標(biāo)水體中投加具有特定功能的微生物并強(qiáng)化對(duì)目標(biāo)污染物去除效果的水處理技術(shù)?，F(xiàn)有研究指出，將通過實(shí)驗(yàn)分離獲得的高效復(fù)合微生物菌劑和光合細(xì)菌等直接投加到目的污水處理系統(tǒng)中，處理效果十分明顯[22]。

低溫人工濕地運(yùn)行微生物強(qiáng)化措施有高效微生物菌劑的投加和耐低溫復(fù)合微生物菌劑的投加等。研究指出耐冷復(fù)合菌群比單一菌具有更高的COD去除率，復(fù)合微生物菌劑的投加大大降低目標(biāo)水體中的污染物含量。邢奕等[22]的研究中表明，在低溫6 ℃時(shí)，人工濕地系統(tǒng)中投加混合菌種較分別投加三種耐低溫菌時(shí)對(duì)氨氮的去除效果要好，故而通過高效耐低溫菌的篩選培養(yǎng)及外部投加技術(shù)，對(duì)提高濕地低溫運(yùn)行效果十分重要。姜安璽等[23]的研究亦指出混合耐低溫菌劑比單一耐低溫菌對(duì)COD的去除率更高。從自然界分離更多種類的高活性的耐低溫菌經(jīng)馴化后組成合適污水處理的微生物菌群，并結(jié)合固定化等工藝，應(yīng)用于北方寒冷冬季生活污水（水溫在10 ℃），甚至其他低溫廢水處理，是提高處理效率的可行方法。

5 結(jié)論

目前對(duì)低溫人工濕地的運(yùn)行強(qiáng)化措施中生物強(qiáng)化技術(shù)是立足于全世界的。對(duì)于我國(guó)北方冬季或寒冷地區(qū)，通過構(gòu)建并投加耐低溫高效微生物復(fù)合菌劑來強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果是可行的并值得推廣的。但目前還存在一定的問題，還需繼續(xù)優(yōu)化使所構(gòu)建的目的微生物復(fù)合菌劑更加的適合處理特定流域的水質(zhì)，并且對(duì)投加后效果的保持及對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響等問題還需繼續(xù)探討。