潛流式人工濕地中農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水的微生物特性

陳曙平 盧原 張文藝 李喬 吳科 吳金海 金林飛

陳曙平，盧 原，張文藝，等. 潛流式人工濕地中農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水的微生物特性［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（2）：219-223．

摘要：農(nóng)村生活污水經(jīng)A1/O1/A2/O2設(shè)施處理后流入潛流式人工濕地（簡稱人工濕地），為揭示其生物降解特性，通過脲酶活性和微生物擴(kuò)增子測序?qū)θ斯竦匚⑸锾匦赃M(jìn)行分析。結(jié)果表明，人工濕地進(jìn)水處的脲酶活性高于出水處的脲酶活性，出水處的脲酶活性與總氮去除率呈顯著正相關(guān)，出水處脲酶活性越高，總氮的去除效果越好；微生物擴(kuò)增子測序表明，人工濕地的優(yōu)勢菌門有變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes），由進(jìn)水處到出水處變形菌門和擬桿菌門相對豐度分別下降8.41個(gè)百分點(diǎn)和12.14個(gè)百分點(diǎn)，厚壁菌門上升12.91個(gè)百分點(diǎn)；人工濕地進(jìn)水處、出水處脫氮菌屬含量較大，相對豐度分別為20.51%、14.18%，其中，具有異養(yǎng)硝化反硝化功能的菌屬也相對豐富，分別為8.54%、7.44%。

關(guān)鍵詞：A1/O1/A2/O2；潛流式人工濕地；農(nóng)村生活污水處理設(shè)施；尾水；微生物；脲酶活性；微生物擴(kuò)增子測序

中圖分類號(hào)：X703? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）02-0219-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.033 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Microbial characteristics of tailwater from rural domestic sewage treatment facilities in subsurface constructed wetlands

CHEN Shu-ping1，LU Yuan1， ZHANG Wen-yi2，LI Qiao2，WU Ke3， WU Jin-hai3，JIN Lin-fei3

（1. Changzhou Yurun Water Co.， Ltd.， Changzhou? 213164，Jiangsu，China； 2. School of Environmental and Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou? 213164，Jiangsu，China； 3. Jiangsu KTE Group Co.， Ltd.， Changzhou? 213102，Jiangsu，China）

Abstract： Rural domestic sewage was treated by A1/O1/A2/O2 facilities and flowed into the subsurface constructed wetland （abbreviated as constructed wetland）. To reveal its biodegradation characteristics， the microbial characteristics of constructed wetland were analyzed through urease activity and microbial amplicon sequencing. The results showed that the urease activity at the inlet of the constructed wetland was higher than that at the outlet. The urease activity at the outlet was significantly positively correlated with the total nitrogen removal rate. The higher the urease activity at the outlet， the better the total nitrogen removal effect；microbial amplicon sequencing showed that the dominant bacterial phyla in constructed wetland were Proteobacteria， Bacteroidetes， and Firmicutes. The relative abundance of Proteobacteria and Bacteroidetes decreased by 8.41 percentage points and 12.14 percentage points respectively from the inlet to the outlet， while Firmicutes increased by 12.91 percentage points； the content of denitrifying bacteria in the inlet and outlet of the constructed wetland was relatively high， with relative abundances of 20.51% and 14.18%， respectively. Among them， the bacteria with heterotrophic nitrification and denitrification functions were also relatively abundant， with 8.54% and 7.44%， respectively.

Key words： A1/O1/A2/O2； subsurface constructed wetland； rural domestic sewage treatment facilities； tailwater； microorganisms； urease activity； microbial amplicon sequencing

隨著農(nóng)村人民生活水平的提高，用水量節(jié)節(jié)攀升，導(dǎo)致農(nóng)村污水的排放量逐年增加，然而中國對農(nóng)村污水排放的治理能力并不突出^［1］。江蘇省太湖流域陸續(xù)建立分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施并投入運(yùn)行，一定程度上緩解了農(nóng)村污水污染。眾多分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施中，地埋式A/O一體化+人工濕地（景觀植物）污水處理工藝占比最大（約70%），張亞平等^［2］通過近半年的連續(xù)跟蹤檢測，認(rèn)為該工藝處理后的農(nóng)村生活污水中COD、總氮、NH₄⁺-N的出水濃度只有部分達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，總磷出水效果仍不太理想。人工濕地的處理系統(tǒng)主要借助物理、化學(xué)、生物三重作用，對污泥污水實(shí)現(xiàn)較高程度凈化，其中包括過濾吸附、共沉、植物吸收、離子交換及微生物降解等方式^［3，4］。污水經(jīng)濕地處理后，可用于灌溉、畜產(chǎn)、造紙?jiān)牧?、建材原材料、漁業(yè)水產(chǎn)等^［5］。在濕地的處理系統(tǒng)中，微生物主要是降解廢水中有機(jī)物，是凈化污水的核心因素^［6］。

針對太湖流域污水高標(biāo)準(zhǔn)排放要求，潛流式人工濕地（簡稱人工濕地）常用來深度處理（消納）缺氧池1/好氧池1/缺氧池2/好氧池2（A1/O1/A2/O2）排放的尾水^［2］。本研究通過脲酶活性和微生物擴(kuò)增子測序技術(shù)，解析人工濕地消納設(shè)施尾水的生物降解特性，揭示功能菌群對污染物的去除規(guī)律和微生物群落特征，以期為深度消納分散式農(nóng)村污水處理設(shè)施尾水的人工濕地運(yùn)行管護(hù)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由集水池、A1/O1/A2/O2反應(yīng)器、垂直潛流式人工濕地組成，工藝流程如圖1所示。人工濕地由配水槽、濕地處理區(qū)和出水收集區(qū)組成，長為1 m、寬為0.6 m、高為0.65 m，濕地基質(zhì)從下到上由不同粒徑、不同厚度的礫石、紅磚碎塊、鋼渣、陶粒和土壤構(gòu)成，濕地種植茭白、梭魚草、黑麥草等根系較發(fā)達(dá)的植物。

1.2 組合工藝的運(yùn)行

好氧池溶解氧控制在3 mg/L左右，缺氧池溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L，對缺氧池定期進(jìn)行攪拌，污泥回流比在80%左右，不設(shè)內(nèi)回流，水溫為25.0～36.5 ℃，在最佳水力停留時(shí)間下運(yùn)行。其運(yùn)行情況如表1所示，各化學(xué)指標(biāo)的去除率如表2所示。

1.3 分析方法

1）脲酶活性。7—11月對人工濕地進(jìn)、出水位置設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣深度為10 cm，采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法（T/NAIA 011—2020）測定濕地土壤脲酶活性。

2）高通量測序。試驗(yàn)裝置運(yùn)行3個(gè)月后，分別在濕地進(jìn)水口植物根系的不同深度采集土壤，處理后送上海天昊生物科技有限公司完成微生物擴(kuò)增子測序。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地脲酶活性分析

濕地脲酶活性與總氮去除率顯著正相關(guān)，脲酶活性可作為判斷濕地脫氮效能的一個(gè)重要指標(biāo)^［7］。表3為不同水力停留時(shí)間（HRT）的人工濕地脲酶活性，在相同溫度下，HRT的改變對進(jìn)水處濕地植物根區(qū)土壤脲酶活性影響較小，出水處土壤脲酶活性隨HRT的降低呈下降趨勢，說明隨著HRT的降低，濕地脫氮效能有所降低。

2.2 Alpha多樣性指數(shù)分析

Chao1和ACE指數(shù)是用來估計(jì)群落中含有OTU數(shù)目的指數(shù)，Chao1和ACE指數(shù)越大，表明群落的豐富度越高。由表4可知，Chao1、ACE、Shannon、Simpson指數(shù)的大小均為人工濕地出水處土壤>進(jìn)水處土壤，表明人工濕地的出水處微生物豐富度及多樣性大于進(jìn)水處。

2.3 門分類的微生物群落物種及其相對豐度分析

由圖2可知，濕地進(jìn)水處相對豐度>1%的菌門有Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Actinobacteria（放線菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）和Planctomycetes（浮霉菌門），分別占比39.17%、21.11%、14.61%、6.21%、5.55%、3.87%、3.83%；變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門在人工濕地進(jìn)水處為優(yōu)勢菌門。濕地進(jìn)水處土壤中的各種菌門也廣泛存在于濕地出水處土壤，變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門依然是優(yōu)勢菌門，但變形菌門和擬桿菌門相對豐度分別下降至30.76%和8.97%，而厚壁菌門相對豐度則上升至27.52%，這與進(jìn)水處相對豐度有顯著差異。

變形菌門和擬桿菌門在人工濕地中均屬于最優(yōu)勢菌門，且變形菌門在生態(tài)溝渠中的相對豐度占比最大（66.08%）。變形菌門是細(xì)菌中最大的一類，其所包含的許多菌種不僅能夠降解有機(jī)物，而且還具有硝化反硝化能力^［8］；擬桿菌門和厚壁菌門中的許多微生物也都具有反硝化作用^［9］；綠彎菌門有助于降解有機(jī)污染物^［10］。硝化螺旋菌門（Nitrospirae）能夠?qū)喯跛猁}轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}^［11］，對脫氮具有重要作用，從測序數(shù)據(jù)來看，雖然人工濕地中的硝化螺旋菌門相對豐度含量只有0.18%，但人工濕地依然保持著較好的脫氮效率，這是因?yàn)槿斯竦刂写嬖诖罅康耐瑫r(shí)具有異養(yǎng)硝化反硝化的菌群。

2.4 屬分類的微生物群落物種及其相對豐度分析

由圖3可知，人工濕地進(jìn)水處土壤中相對豐度>1%的菌屬依次有Clostridium_sensu_stricto（梭狀芽胞桿菌屬）、Flavobacterium（黃桿菌屬）、Pseudomonas（假單胞菌屬）、Novosphingobium（新鞘氨醇桿菌屬）、Enterobacter（腸桿菌屬）、Acidobacterium（酸桿菌屬）、Bacillus（芽孢桿菌屬）、Terrimonas（好氧反硝化菌屬）、Acinetobacter（不動(dòng)桿菌屬）、Cloacibacterium（黃桿菌屬）、Lysobacter（溶桿菌屬）、Ferruginibacter（反硝化聚磷菌屬）和Adhaeribacter（土黏結(jié)桿菌屬），占比分別為4.13%、3.76%、3.31%、3.29%、3.07%、2.93%、2.89%、2.52%、2.31%、1.87%、1.44%、1.42%和1.20%。其中，梭狀芽胞桿菌屬、黃桿菌屬和假單胞菌屬是人工濕地進(jìn)水處的優(yōu)勢菌屬；出水處土壤中相對豐度>1%的菌屬依次有梭狀芽胞桿菌屬、芽孢桿菌屬、酸桿菌屬、溶桿菌屬、假單胞菌屬、Paenibacillus（類芽孢桿菌屬）、Gaiella（芽單孢菌屬）、好氧反硝化菌屬、新鞘氨醇桿菌屬和腸桿菌屬，分別占比為12.55%、5.44%、3.27%、1.53%、1.50%、1.46%、1.40%、1.29%、1.22%和1.16%。其中，梭狀芽胞桿菌屬是出水處的優(yōu)勢菌屬。

人工濕地的進(jìn)水處、出水處主要菌屬相對豐度差別較大，如梭狀芽胞桿菌屬進(jìn)水處相對豐度為4.13%，出水處相對豐度為12.55%，黃桿菌屬進(jìn)水處相對豐度為3.76%，出水處相對豐度為0.786%。梭狀芽胞桿菌屬大部分為厭氧微生物，除梭狀芽胞桿菌屬外，還有地桿菌（Geobacter）和雷爾氏菌（Ralstonia）2種鐵還原微生物，分別占比0.18%和0.08%，它們不僅能夠促進(jìn)根際有機(jī)質(zhì)代謝分解，還能夠保證植物根系健康生長、適應(yīng)淹水環(huán)境、促進(jìn)營養(yǎng)元素的吸收和維持根際酸堿平衡。黃桿菌屬屬于擬桿菌門的黃桿菌科，一般為兼性厭氧菌，可以發(fā)生異化性硝酸鹽還原作用^［12］，說明人工濕地中存在反硝化作用，且黃桿菌能有效降解有機(jī)物。此外，優(yōu)勢菌屬芽孢桿菌屬類屬于厚壁菌門微生物，不僅具有降解COD_cr的功能，還同時(shí)具有異養(yǎng)硝化和反硝化的功能^［13］，對于處理生活污水的有機(jī)物和氮素具有重要作用。在人工濕地中還存在與芽孢桿菌屬具有同樣作用的優(yōu)勢菌屬假單胞菌屬，這對于濕地降解污染物也起到重要作用。溶桿菌屬隸屬兼性厭氧，是一種化能有機(jī)營養(yǎng)型細(xì)菌，可以利用碳源并且具有還原硝酸鹽的作用^［14］。好氧反硝化菌屬屬于擬桿菌門的泉發(fā)菌科，是一種嚴(yán)格好氧的革蘭氏陰性菌^［15］，能還原硝態(tài)氮，發(fā)生反硝化作用，對于濕地脫氮有重要意義。此外，節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、擬桿菌屬（Ohtaekwangia）等也具有脫氮、去除有機(jī)物的功能^［16］。

2.5 脫氮菌屬分析

由表5至表8可知，人工濕地進(jìn)水處、出水處具有脫氮功能的菌屬相對豐度分別為20.51%、14.18%。其中，異養(yǎng)硝化反硝化菌屬的相對豐度分別為8.54%、7.44%。研究發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)硝化反硝化菌不但能完成有機(jī)氮和無機(jī)氮（氨氮）的硝化過程^{［17，18］}，而且這些異養(yǎng)菌可以在缺氧或好氧條件下進(jìn)行反硝化，使得硝化和反硝化能夠在時(shí)間上統(tǒng)一，而且硝化作用生成的產(chǎn)物可直接被反硝化細(xì)菌利用，從而避免了硝酸、亞硝酸積累對硝化反應(yīng)的抑制，有利于加速氮去除進(jìn)程，同時(shí)反硝化過程產(chǎn)生的氫氧根離子可以補(bǔ)充硝化過程所消耗的堿，維持系統(tǒng)的酸堿平衡。

3 小結(jié)

1）人工濕地進(jìn)水處的脲酶活性高于出水處的脲酶活性，出水處的脲酶活性與總氮的去除有關(guān)，出水處脲酶活性越高，總氮的去除效果越好。

2）人工濕地的主要優(yōu)勢菌門有變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門，由進(jìn)水處到出水處，變形菌門和擬桿菌門相對豐度分別下降了8.41個(gè)百分點(diǎn)和12.14個(gè)百分點(diǎn)，厚壁菌門則上升了12.91個(gè)百分點(diǎn)。

3）從屬分類水平分析得出，人工濕地進(jìn)水處、出水處脫氮菌屬含量較大，相對豐度分別為20.51%、14.18%，其中，具有異養(yǎng)硝化反硝化功能的菌屬也相對豐富，分別為8.54%、7.44%。

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收稿日期：2022-08-20

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE20207611）

作者簡介：陳曙平（1975-），男，江蘇常州人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水污染控制研究，（電話）13806129800（電子信箱）1042680361@qq.com；通信作者，張文藝（1968-），江蘇常州人，教授，博士，主要從事污染控制與生態(tài)修復(fù)研究，（電子信箱）zwy@cczu.edu.cn。