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
摘要：針對(duì)人工濕地低溫運(yùn)行效率低、填料層內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)微生物生長(zhǎng)分布影響不明確等問(wèn)題，采用最大或然數(shù)(MPN)法對(duì)典型人工濕地正反級(jí)配試驗(yàn)柱中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)分布情況及對(duì)污染物去除效果進(jìn)行檢測(cè)分析，研究環(huán)境溫度及濕地填料級(jí)配設(shè)置對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，低溫環(huán)境對(duì)濕地微生物生長(zhǎng)均產(chǎn)生抑制，環(huán)境溫度為15℃的試驗(yàn)柱各項(xiàng)污染物去除率均高于環(huán)境溫度為5℃的試驗(yàn)柱，在相同環(huán)境溫度下，反級(jí)配試驗(yàn)柱污染物去除效率優(yōu)于正級(jí)配試驗(yàn)柱。反級(jí)配試驗(yàn)柱表層較大孔隙率使得氧氣更易進(jìn)入填料層，因此上層填料中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)均高于同溫度下正級(jí)配試驗(yàn)柱，而反硝化細(xì)菌數(shù)量則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。污染物去除效率受環(huán)境溫度和反硝化底物濃度共同影響，本研究中環(huán)境溫度為15℃的反級(jí)配試驗(yàn)柱對(duì)污染物的去除效率最優(yōu)，其對(duì)COD、氨氮、TN污染物平均去除率可分別為46.18%、45.50%、45.28%。
人工濕地技術(shù)因工程建設(shè)費(fèi)用低、處理效果好，被廣泛應(yīng)用于污水處理廠尾水深度處理、河道凈化及生態(tài)恢復(fù)等領(lǐng)域[1-2]。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，人工濕地技術(shù)仍存在單位面積處理能力較低、冬季受低溫抑制影響較大等問(wèn)題[3-4]。針對(duì)上述問(wèn)題，新型濕地基質(zhì)填料和低溫微生物菌劑的研發(fā)成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)[5-6]。王榮等[7]對(duì)正反級(jí)配填料垂直潛流濕地處理效能進(jìn)行對(duì)比分析；王國(guó)強(qiáng)等[8]開(kāi)發(fā)了以煤矸石、沸石為主材的人工濕地復(fù)合反級(jí)配填料方案；譚月臣等[9]采用保溫覆蓋、薄膜覆蓋、溫室大棚等方式提高低溫環(huán)境下人工濕地運(yùn)行溫度；魏清娟[10]通過(guò)對(duì)填料層中耐低溫微生物的篩選、復(fù)配，開(kāi)發(fā)新型耐低溫復(fù)合菌劑以提高低溫環(huán)境下人工濕地內(nèi)微生物活性。然而由于人工濕地各處理單元內(nèi)鋪設(shè)有大量硬質(zhì)復(fù)合填料，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和取樣相對(duì)困難，使得目前人工濕地技術(shù)的研究多以進(jìn)出水水質(zhì)優(yōu)劣為唯一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)填料層內(nèi)部微生物相分布及變化的研究相對(duì)較少。有研究表明，人工濕地反級(jí)配填料方案可在保證污染物去除效率的同時(shí)降低人工濕地填料堵塞速率，具有較好的應(yīng)用前景。但反級(jí)配填料表層較大的孔隙率是否會(huì)在低溫環(huán)境下導(dǎo)致更多冷空氣進(jìn)入填料層內(nèi)部，進(jìn)一步抑制填料層內(nèi)微生物活性，此類(lèi)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。
本研究選取典型人工濕地正反級(jí)配方案，通過(guò)對(duì)常溫和低溫環(huán)境下微生物種類(lèi)、分布及對(duì)各類(lèi)污染物去除效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而研究低溫對(duì)人工濕地正反級(jí)配填料內(nèi)微生物的影響，為人工濕地填料優(yōu)化技術(shù)的研發(fā)提供基礎(chǔ)支持。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置為4根直徑250 mm，高100 cm的有機(jī)玻璃柱(見(jiàn)圖1)，沿有機(jī)玻璃柱體垂直方向表層、中層、底層3個(gè)位置設(shè)置內(nèi)螺紋閥形取樣口，以便于在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同填料層斷面微生物取樣分析。將2根有機(jī)玻璃柱采用傳統(tǒng)正級(jí)配填料方案進(jìn)行填充，自柱底至上依次鋪設(shè)粒徑8～10 mm圓形卵石30 cm，粒徑5～8 mm礫石30 cm，粒徑3～5 mm細(xì)砂30 cm。另外兩個(gè)有機(jī)玻璃柱采用反級(jí)配填料方案進(jìn)行填充，自柱底至上依次鋪設(shè)粒徑3～5 mm煤矸石30 cm，粒徑5～8 mm無(wú)煙煤30 cm，粒徑8～10 mm沸石30 cm。試驗(yàn)于冬季進(jìn)行，將1根正級(jí)配柱和1根反級(jí)配柱安裝于有供暖的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，控制試驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為(15±2)℃；將另1根正級(jí)配柱和1根反級(jí)配填料裝置安裝于可調(diào)節(jié)溫度的低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，控制試驗(yàn)期間低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為(5±2)℃。4根試驗(yàn)柱的填料級(jí)配、試驗(yàn)溫度設(shè)置見(jiàn)表1。
表1試驗(yàn)設(shè)置
Table 1 Comparison of test device
1.2試驗(yàn)水質(zhì)
試驗(yàn)進(jìn)水為稀釋后的校園生活污水，進(jìn)水水質(zhì)如表2所示。
圖1試驗(yàn)裝置
Fig.1 Flow chart of the device
表2進(jìn)水水質(zhì)
Table 2 Influent water quality
mg/L
1.3運(yùn)行參數(shù)
試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水方式，水力負(fù)荷約為0.35 m3/(m2·d)，試驗(yàn)時(shí)間為2016年12月至2017年1月。
1.4主要檢測(cè)指標(biāo)及方法
試驗(yàn)期間，分別檢測(cè)4根試驗(yàn)柱出水COD、氨氮、TN指標(biāo)及柱內(nèi)表層、中層和底層填料內(nèi)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量。其中COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；氨氮采用鈉氏試劑分光光度法測(cè)定；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定。柱內(nèi)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌數(shù)量采用最大或然數(shù)(MPN)法進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)方法如下[11]：分別從各試驗(yàn)柱表層、中層和底層采集人工濕地填料樣本，將各填料樣本置于三角瓶?jī)?nèi)加蒸餾水浸泡，于搖床上振蕩30 min制成均勻懸濁液，采用10倍梯度稀釋法將懸濁液稀釋至不同梯度(10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8)。每個(gè)稀釋度接種5管，另取一管接種1 mL無(wú)菌水作為對(duì)照，于25～30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。氨化細(xì)菌測(cè)定：取培養(yǎng)3、5 d的培養(yǎng)液觀察其渾濁度，取5滴培養(yǎng)7 d的培養(yǎng)液于比色板上，加納氏試劑溶液兩滴，產(chǎn)生棕褐色則表示產(chǎn)生氨，說(shuō)明氨化細(xì)菌存在；硝化細(xì)菌測(cè)定：取培養(yǎng)14 d的培養(yǎng)液5滴于白瓷比色板上，加入格里斯試劑Ⅰ和Ⅱ各兩滴，如不呈紅色表示亞硝酸已完全消失，此時(shí)，取培養(yǎng)液5滴于白瓷比色板上，加入二苯胺試劑2滴，如呈藍(lán)色則表示亞硝酸已經(jīng)完全被氧化為硝酸，說(shuō)明硝酸菌的存在，記錄每個(gè)稀釋度呈陽(yáng)性培養(yǎng)管的數(shù)目；反硝化細(xì)菌測(cè)定：取培養(yǎng)14 d的培養(yǎng)液置于杜氏發(fā)酵管中檢查是否有氣泡出現(xiàn)，用納氏試劑檢查是否有氨氮產(chǎn)生，用二苯胺試劑檢查硝酸鹽，判斷反硝化作用進(jìn)行的情況。
通過(guò)分別統(tǒng)計(jì)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌相鄰3組稀釋度下陽(yáng)性培養(yǎng)管數(shù)量，查詢(xún)MPN數(shù)值表確定上述菌群的統(tǒng)計(jì)數(shù)量。
2結(jié)果與討論
采用MPN法分別對(duì)1#、2#、3#、4#試驗(yàn)柱內(nèi)填料表層、中層和底層3處氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量及COD、氨氮、總氮等污染物去除效果進(jìn)行檢測(cè)分析。研究低溫環(huán)境下上述各類(lèi)微生物在濕地填料層間的分布及其對(duì)污染物去除效果的影響。
2.1氨化細(xì)菌分布情況
1#～4#試驗(yàn)柱填料層不同位置處氨化細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。
表3試驗(yàn)柱內(nèi)各填料層氨化細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)
Table 3 Quantitative statistics of ammonification bacteria in each layer of column packing layer
由表3可見(jiàn)，各試驗(yàn)柱內(nèi)氨化細(xì)菌數(shù)均隨填料層深度增加而減少，環(huán)境溫度及填料級(jí)配均會(huì)對(duì)試驗(yàn)柱氨化細(xì)菌數(shù)量產(chǎn)生影響。2#試驗(yàn)柱各層氨化細(xì)菌數(shù)均為最高，其表層填料中氨化細(xì)菌數(shù)量達(dá)3.6×107個(gè)/g，是相同試驗(yàn)溫度下1#試驗(yàn)柱表層氨氮細(xì)菌數(shù)量(7.0×106個(gè)/g)的5.14倍，是低溫環(huán)境下3#、4#試驗(yàn)柱表層氨化細(xì)菌數(shù)量的68、60倍。各試驗(yàn)柱中層填料間氨化細(xì)菌數(shù)量明顯少于表層，2#試驗(yàn)柱中層氨化細(xì)菌數(shù)量達(dá)7.0×104個(gè)/g，明顯高于其他3組試驗(yàn)柱，1#、3#、4#試驗(yàn)柱中層填料間氨化細(xì)菌數(shù)量差異較小；各試驗(yàn)柱底層填料間氨化細(xì)菌數(shù)量差異較小。綜上可知，環(huán)境溫度為15℃時(shí)，由于反級(jí)配填料表層較高的孔隙率，大氣中氧氣易于進(jìn)入填料層內(nèi)部，使得試驗(yàn)柱上層區(qū)域內(nèi)氨化細(xì)菌數(shù)量顯著增加。但當(dāng)環(huán)境溫度低至5℃時(shí)，正反級(jí)配試驗(yàn)柱(3#、4#)內(nèi)表層、中部和底層的氨化細(xì)菌數(shù)量差異較小，說(shuō)明相較于濕地填料層間的溶解氧濃度影響，低溫對(duì)氨化細(xì)菌增長(zhǎng)有著更明顯的抑制作用。
對(duì)4組試驗(yàn)柱的COD去除效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，各試驗(yàn)柱對(duì)COD的去除效率由高至低排序?yàn)?#>1#>4#>3#，其COD平均去除率分別為46.18%、44.58%、40.91%、40.13%。環(huán)境溫度為15℃時(shí)，2#試驗(yàn)柱對(duì)COD去除效率高于1#試驗(yàn)柱，在環(huán)境溫度為5℃時(shí)，4#試驗(yàn)柱對(duì)COD的去除效率略?xún)?yōu)于3#試驗(yàn)柱，但差異較小，COD去除效果與試驗(yàn)柱內(nèi)氨化細(xì)菌數(shù)量監(jiān)測(cè)結(jié)果總體一致。
圖2各試驗(yàn)柱對(duì)COD的去除效果
Fig.2 The COD removal efficiency of different columns
2.2硝化細(xì)菌分布情況
1#～4#試驗(yàn)柱填料層不同位置處硝化細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。
表4試驗(yàn)柱內(nèi)各填料層硝化細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)
Table 4 Quantitative statistics of nitrifying bacteria in each layer of column packing layer
由表4可見(jiàn)，4組試驗(yàn)柱內(nèi)硝化細(xì)菌數(shù)自表層至底層呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢(shì)，其中表層硝化細(xì)菌量由多至少排序依次均為4#>2#>1#>3#，中層硝化細(xì)菌量由多至少排序依次均為4#>3#>2#>1#，其中4#試驗(yàn)柱表層硝化細(xì)菌數(shù)量最多，為7.0×105個(gè)/g，是同樣溫度下3#試驗(yàn)柱表層硝化細(xì)菌數(shù)量的30.4倍，是1#、2#試驗(yàn)柱表層硝化細(xì)菌數(shù)量的2.0、1.4倍。3#、4#試驗(yàn)柱中層填料中硝化細(xì)菌數(shù)量高于1#、2#試驗(yàn)柱，可能是在5℃下低溫導(dǎo)致濕地填料表層和中層氨化細(xì)菌等好氧菌生長(zhǎng)受抑制，使其對(duì)填料層間氧氣的消耗量降低，進(jìn)而為同樣消耗填料層間氧氣并與其生長(zhǎng)呈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的硝化細(xì)菌增長(zhǎng)提供了空間和便利條件。而4組試驗(yàn)柱底層填料硝化細(xì)菌數(shù)量基本相同且數(shù)量較少，說(shuō)明此區(qū)域多處于缺氧環(huán)境，硝化細(xì)菌生長(zhǎng)困難。由于反級(jí)配試驗(yàn)柱填料表層有更高的孔隙率，空氣更易于進(jìn)入濕地填料層內(nèi)部，為硝化細(xì)菌生產(chǎn)和硝化反應(yīng)提供有利條件，故在相同溫度下反級(jí)配試驗(yàn)柱硝化細(xì)菌數(shù)均高于同條件下的正級(jí)配試驗(yàn)柱。
對(duì)各試驗(yàn)柱氨氮去除效率進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，4組試驗(yàn)柱對(duì)氨氮去除效率由高至低依次為2#>1#>4#>3#，其氨氮平均去除率分別為45.50%、43.16%、40.98%、39.60%，環(huán)境溫度為15℃的1#、2#試驗(yàn)柱對(duì)氨氮去除效果高于環(huán)境溫度為5℃的3#、4#試驗(yàn)柱。在相同環(huán)境溫度下，反級(jí)配試驗(yàn)柱對(duì)氨氮去除效率高于正級(jí)配試驗(yàn)柱。結(jié)合表4可知，雖然3#、4#試驗(yàn)柱的硝化細(xì)菌數(shù)量均多于1#、2#試驗(yàn)柱，但低溫環(huán)境抑制了硝化細(xì)菌的活性，影響其硝化效率，同時(shí)低溫條件下氨化細(xì)菌數(shù)量減少使得進(jìn)水中有機(jī)氮氨化效率降低，減少了硝化反應(yīng)所需氨氮底物濃度，亦是造成3#、4#試驗(yàn)柱硝化細(xì)菌數(shù)量高而硝化效果卻低于1#、2#試驗(yàn)柱的原因之一。
圖3各試驗(yàn)柱對(duì)氨氮的去除效果
Fig.3 The ammonia removal efficiency of different columns
2.3反硝化細(xì)菌分布情況
1#～4#試驗(yàn)柱填料層不同位置處反硝化細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。
表5試驗(yàn)柱內(nèi)各填料層反硝化細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)
Table 5 Quantitative statistics of denitrifying bacteria in each layer of column packing layer
由表5可見(jiàn)，受溶解氧和溫度影響，各試驗(yàn)柱中反硝化細(xì)菌數(shù)量沿表層至底層均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。1#試驗(yàn)柱表層反硝化細(xì)菌數(shù)量為1.1×103個(gè)/g，其余3組試驗(yàn)柱表層反硝化細(xì)菌數(shù)量均大幅減少；4組試驗(yàn)柱的中層反硝化細(xì)菌數(shù)量由高至低分別為1#>3#>4#>2#，底層反硝化細(xì)菌數(shù)由高至低依次為1#>2#>3#>4#。1#試驗(yàn)柱各層反硝化細(xì)菌數(shù)量均明顯高于其他3組試驗(yàn)柱，這是因?yàn)檩^高環(huán)境溫度下，表層異養(yǎng)菌和硝化菌對(duì)填料層間氧氣的消耗、正級(jí)配填料自身相對(duì)較低的大氣復(fù)氧傳導(dǎo)能力等，使適宜缺氧環(huán)境的反硝化細(xì)菌在1#試驗(yàn)柱內(nèi)大量生長(zhǎng)。由于空氣易于通過(guò)反級(jí)配填料表層和中層區(qū)域，使反級(jí)配填料上中層溶解氧濃度較高，故本試驗(yàn)期間2#、4#反級(jí)配試驗(yàn)柱內(nèi)反硝化細(xì)菌數(shù)量均少于正級(jí)配試驗(yàn)柱。2#、4#試驗(yàn)柱中各層反硝化細(xì)菌數(shù)基本相同，2#試驗(yàn)柱底層反硝化細(xì)菌數(shù)略高于4#試驗(yàn)柱，說(shuō)明環(huán)境溫度的變化對(duì)反級(jí)配填料中反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)影響較小。與1#試驗(yàn)柱相比，3#試驗(yàn)柱各層填料間反硝化細(xì)菌數(shù)量下降明顯，且反硝化細(xì)菌隨填料深度增加而增長(zhǎng)的遞增趨勢(shì)消失，中層、底層反硝化細(xì)菌數(shù)量基本相同，說(shuō)明低溫對(duì)正級(jí)配填料中反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的抑制作用。綜上可知，正級(jí)配填料方案可為反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)提供更好的生存環(huán)境，反級(jí)配填料表層較大的孔隙率不僅使填料層間形成好氧區(qū)影響反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，而且使得低溫空氣進(jìn)入填料層內(nèi)部，強(qiáng)化了填料層內(nèi)部熱量的流失，進(jìn)一步降低了填料層內(nèi)部區(qū)域溫度，抑制反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)。
對(duì)試驗(yàn)期間各試驗(yàn)柱TN去除效果進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4。1#～4#試驗(yàn)柱對(duì)TN的平均去除率分別為44.58%、45.28%、38.06%、39.63%，環(huán)境溫度為15℃的1#、2#試驗(yàn)柱脫氮效率高于5℃下的3#、4#試驗(yàn)柱，說(shuō)明環(huán)境溫度是制約人工濕地脫氮效率的首要因素。其次，由于相同條件下反級(jí)配試驗(yàn)柱硝化效率更好，對(duì)氨氮的去除效果更高，為后續(xù)反硝化提供了更多的硝態(tài)氮底物，故雖然試驗(yàn)過(guò)程中正級(jí)配試驗(yàn)柱的反硝化細(xì)菌數(shù)量高于反級(jí)配試驗(yàn)柱，但相同反應(yīng)溫度下反級(jí)配試驗(yàn)柱對(duì)總氮的去除率更高，可見(jiàn)供給反硝化脫氮的底物濃度亦是制約脫氮效率的重要因素。由于潛流濕地設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間普遍在24 h以上，在較長(zhǎng)的反硝化時(shí)間下，相對(duì)較少的反硝化細(xì)菌數(shù)量亦可完成對(duì)硝態(tài)氮的反硝化反應(yīng)，故相較于濕地填料層中反硝化細(xì)菌數(shù)量，填料層中供給反硝化脫氮的硝態(tài)氮底物濃度是影響濕地脫氮效果更重要的制約條件。
圖4各試驗(yàn)柱對(duì)TN去除效果
Fig.4 The TN removal efficiency of different columns
3結(jié)論
(1)低溫對(duì)正反級(jí)配人工濕地的污染物處理效率均產(chǎn)生明顯抑制作用，環(huán)境溫度為15℃的1#、2#試驗(yàn)柱對(duì)污染物去除效率優(yōu)于環(huán)境溫度為5℃的3#、4#試驗(yàn)柱。
(2)在相同環(huán)境溫度下，反級(jí)配試驗(yàn)柱對(duì)于污染物去除效率優(yōu)于正級(jí)配試驗(yàn)柱，其中2#試驗(yàn)柱對(duì)COD、氨氮和TN污染物的去除效率最優(yōu)，其COD、氨氮和TN污染物平均去除率可分別為46.18%、45.50%、45.28%。
(3)由于反級(jí)配試驗(yàn)柱表層較大孔隙率使得氧氣更易進(jìn)入填料層，因此反級(jí)配試驗(yàn)柱上層氨化細(xì)菌數(shù)量、硝化細(xì)菌數(shù)量均高于同環(huán)境溫度下正級(jí)配試驗(yàn)柱，溫度越高，細(xì)菌數(shù)量差異約明顯。本研究中，環(huán)境溫度為15℃的反級(jí)配試驗(yàn)柱(2#試驗(yàn)柱)中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)最高。
(4)受環(huán)境溫度和反硝化底物濃度影響，反硝化細(xì)菌較少的反級(jí)配填料反硝化效果較好，對(duì)TN去除效率由高至低排序?yàn)?#>1#>4#>3#。
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