垂直流人工湿地强化农村生活污水脱氮试验研究

崔贺 陆昕渝 常越亚 黄民生 李丹 何岩 曹承进

摘要：以“陶粒”单一填料和“陶粒+沸石”组合填料的两种垂直流人工湿地试验装置为研究对象，评价两种试验装置用于农村生活污水的脱氮性能，并结合湿地植物对TN去除的贡献率及微生物群落多样性解析其脱氮机理，以期为该湿地系统服务于农村生活污水强化脱氮的工程化应用提供理论依据.结果表明：采用“陶粒+沸石”组合填料的垂直流人工湿地对污水中NH+4-N及TN的平均去除率高于采用“陶粒”单一填料的垂直流人工湿地的23%和25%，且其出水的NH+4-N及TN浓度均满足一级B标准（GB18918-2002）的要求;两种垂直流人工湿地中植物吸收对污水中TN去除的贡献率均低于0.5%，因此填料吸附和微生物净化是该湿地系统脱氮的主要途径;采用“陶粒+沸石”组合填料的垂直流人工湿地中的微生物群落结构具有更高的多样性;组合填料式人工湿地的植物根系及填料中具备丰富的硝化和反硝化功能菌群，从而为该湿地系统应用于农村生活污水的强化脱氮提供了有力保障.

关键词：垂直流人工湿地;填料组合方式;农村生活污水;强化脱氮;微生物群落

中图分类号：X522 文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.007

0引言

近年来，国家已逐步加大对农村地区生活污水厂建设的投入.然而，现有农村生活污水厂普遍存在技术和资金短缺、监管不到位及运行维护不善的问题，致使多数污水厂不能正常运转，农村生活污水的水质未经有效净化便直接排放，特别是氨氮（NH+4一N）及总氮（TNl的过量排放问题尤为突出农村生活污水中氮素的超量排放是造成农村地区水环境恶化和水生态退化的主要原因之一.因此，亟需对现有非正常运转的农村生活污水厂进行强化脱氮改造，以使其出水的NH+4一N及TN达到一级B标准（GB18918-2002）的要求（NH+4一N≤8mg/L，TN≤20mg/L）.

垂直流人工湿地作为一种新兴的污水生态处理技术，在水力负荷率、污染物净化性能、运维管理等方面具备明显优势，现已广泛应用于农村地区的生活污水净化及地表水体修复领域.然而，采用垂直流人工湿地作为现有非正常运转的农村生活污水厂的后续工艺进行强化脱氮的研究还鲜见报道.另外，国内外对垂直流人工湿地的试验研究多集中在单一填料的净化特性，而将不同填料进行组合的湿地的净化性能研究得尚不透彻.例如：陶粒和沸石，这两种填料不仅廉价易得，而且陶粒能够通过其表面的多孔结构促进生物膜的生长与微生物的代谢活性，沸石则因其良好的氨氮吸附性能常被用于污水中氨氮的去除.然而，将陶粒和沸石作为垂直流人工湿地组合填料的试验研究较少，且对于组合填料的净化机制尚不十分明确.

因此，本研究选取垂直流人工湿地用于农村生活污水的强化脱氮试验，并选取陶粒和沸石作为其组合填料，通过研究该湿地系统对农村生活污水的脱氮性能，并结合湿地植物对TN去除的贡献率及微生物群落结构多样性解析该湿地系统的脱氮机理，以期为该湿地系统服务于农村生活污水强化脱氮的工程化应用提供理论依据.

1材料与方法

1.1试验装置与运行条件

试验设置了2组平行的垂直流人工湿地中试装置：湿地1（W1）和湿地2（W2）（如图1（a）和（b）所示）.本试验于2015年4月底在室外开展.两个湿地系统的表面积均为0.70m2（L×D=I.00 mx0.70m），净容积均为0.49m3（L×w×H=I.00 mx0.70mx0.70m），均选取菖蒲作为其栽培植物（Wl和W2各种植了20株），并采用穿孔配水管于填料上表面均匀布水（如图l（c）所示），且湿地水位低于填料上表面2-5 cm.Wl和W2的出水重力自流至各自的出水池（L×w×H=0.70mx0.30 mx0.70m），出水池的水体通过蠕动泵匀速泵出.W1只填充70cm陶粒，W2上层填充45 cm陶粒、下层填充25 cm沸石.上述陶粒和沸石均购置于江苏省昆山市.Wl和W2的填料种类、配比及规格详见表1.室完成.采样期问避开降雨（雨停24h后），以避免雨水对该湿地系统进、出水水质的影响.上述指标的测定方法参照《水和废水监测分析方法》（第四版）.无特别说明外，所用试剂均为分析纯，实验用水为新鲜去离子水.

在本试验过程中，定期记录植物高度，并对生长初期、生长旺盛期以及衰亡期的植物样本做分析.此外，在试验的始末阶段，分别对Wl和W2栽培的植物进行采集.样本采集利用“s”形采样法选取5株植株作为一个样本，共计2个样本.测定上述样本的氮含量，并依照相关文献所述方法计算植株吸收对污水中TN去除的贡献率.

湿地单元共计5个生物膜样本，其中湿地1菖蒲根系样本记为WlR，湿地2菖蒲根系样本记为W2R，湿地1中陶粒顶面以下10cm深度的陶粒生物膜样本记为WlU，湿地2中陶粒顶面以下10cm深度的陶粒生物膜样本记为W2U，湿地2中沸石顶面以下10cm深度的沸石生物膜样本记为W2D.根系表面采样方法：用剪刀剪掉根部（小心根系表面附着物），放入自封袋，立即带回实验室冷藏;快速用事先准备好的锥形瓶装好适量无菌水与样品，振荡，待根系表面附着物振荡脱落入锥形瓶后，倒入离心管离心，取离心管下部固体物，冷冻;填料采样方法：湿地填料用小铁铲采取，其余步骤和上述根系表面采樣方法相同.以上采样器材在使用前均经过无菌处理，同时联系生工生物工程（上海）股份有限公司尽快取样.

1.3微生物群落多样性分析

生工生物工程（上海）股份有限公司采用Power Soil DNA分离试剂盒提取5个样品中的DNA.采用1%的琼脂糖凝胶电泳检测提取的细菌总DNA.对16S rRNA基因的V3-V4高变区片段进行PCR扩增，引物序列为515F（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA）和909R（CCCCGYCAATTCMTTTRAGT）.随后在该公司的Ⅲumina MiSeq平台上进行高通量测序分析，得到原始图像数据文件经CASAVA碱基识别分析转化为原始测序序列，结果以FASTQ文件格式储存.利用Mothur对原始序列进行校正，去除序列中的嵌合体，得到优化序列;在97%的相似性水平上将序列划分可操作分类单元（operational taxonomic units，OTUs）;采用RDP Classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类分析，并在门和属水平上统计每个样品的群落组成.

1.4数据处理

数据统计分析采用Excel 2016软件，图表绘制采用Orign 9.1软件，并用SPSS20.0软件对各项指标进行Pearson相关性分析及ANOVA方差分析.

2结果与分析

通过分析可知，即使W2中菖蒲的氮素积累量相对高于Wl，但是其吸收对污水中TN去除的贡献率却低于W1，这问接说明W2中N的去除更多的依赖于填料吸附和微生物作用.通过计算，两种垂直流人工湿地对污水中TN去除的贡献率均低于0.5%，因此填料吸附和微生物净化是该湿地系统脱氮的主要途径，而该系统的植物栽培应更多地考虑其导水导流作用、根系微生物富集作用及生态效益和景观价值.

2.5微生物群落结构的脱氮机理

为探究垂直流人工湿地降解污染物的微生物作用机制，本研究通过对Wl和W2中5个植物根系及填料生物膜样本进行高通量测序，共得到395 930条优质序列，平均长度为419.75 bp.以97%相似度划分，共得到31266个OTUs.各样品文库的覆盖率（coverage）范围为94%～95%，说明样品中基因序列被检出的概率很高，本次测序结果能够代表湿地填料和植物根系表面细菌群落的真实情况.表2为5个样品中的优质序列、OTU数量及多样性指数.Chaol指数用来反应物种丰度，可以用来估计OTUs数目;Shannon指数用来反应物种的多样性，Shannon指数越高，表示其微生物群落的多样性越高.

WIR和W2R的微生物丰度和多样性相对低于WIU和W2U，这可能是由于根际环境相对单调而使微生物的种类相对集中.填料结构的差异引起了湿地系统中微生物种群丰度和多样性差异，W2R的微生物丰度和多样性相对高于WlR;W2U的微生物丰度和多样性相对高于WlU，W2U的微生物丰度和多样性相对高于W2D，这可能是由于湿地下部厌氧环境分布集中而有利于厌氧功能微生物的集中分布.有研究表明，微生物多样性对维持生态系统的稳定性和抗扰性有很大作用，微生物多样性越丰富其维稳和抗扰能力越强.因此，采用“陶粒+沸石”组合填料的垂直流人工湿地比采用“陶粒”为单一填料的垂直流人工湿地更有利于湿地植物根系和填料上微生物的群落结构稳定性.

为了揭示填料及植物根系样品中微生物的菌群结构，将97%相似水平的OTU代表序列在属水平上进行分类统计.通过图3可知Wl和W2的5个样本列出了50个属类，包括不动杆菌属（Acinetobacter）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter）、黄杆菌属（Cloacibacterium）、乳球菌属（Lactococcus）、产吲哚金黄杆菌（Chryseobacterium）等.其中，不动杆菌属（Acinetobacter）是5个样品中的优势菌种.已有研究表明，不动杆菌属（Acinetobacter）可进行“好氧反硝化”作用.由图3可知，不动杆菌属（Acinetobacter）在WlR中的占比明显高于W2R，表明Wl的植物根系中含有比例更高的“好氧反硝化”相关菌种.这可能是因为W1的陶粒层较厚且陶粒孔隙率较大，更有利于植物根系生长.不动杆菌属（Acinetobacter）在WlU和W2U中的占比在5个微生物样品中最低，而在WlD中的占比则较高，这表明该菌属更容易在沸石表面生长.因此，沸石填料的加入有利于垂直流人工湿地中“好氧反硝化”相关菌种的富集.

在W1和W2填料及植物根系中具有硝化功能的菌属主要包括亚硝化菌属（Nitrobacter）和硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）等WlR、WlU、W2R、W2U和W2D中具有硝化功能的相关菌属占比分别为1%、2%、1%、2%和1%，因此具有硝化功能的菌属主要集中在两种垂直流人工湿地的陶粒表面.Wl和W2填料及植物根系中具有反硝化功能的菌属主要包括不动杆菌属（Acinetobacter）、陶厄氏菌属（Thauera）及红环菌科的两个菌属（Dechloromonas和Denitratisoma）.WlR、WlU、W2R、W2U和W2D中具有反硝化功能的相关菌属占比分别为42%、22%、10%、8%和18%，因此具有反硝化功能的相关菌属主要集中在两种垂直流人工湿地的植物根系上，且沸石表面的反硝化菌属占比明显高于陶粒，这可能与沸石的表面结构及所处水位的环境条件有关，具体机理仍需进一步探讨.综上，组合填料式垂直流人工湿地的植物根系及填料生物膜中含有丰富的硝化及反硝化相关菌属，这为该湿地系统应用于农村生活污水的强化脱氮提供了有力保障.

3結论

（1）相比采用“陶粒”单一填料的垂直流人工湿地，采用“陶粒+沸石”组合填料能够将垂直流人工湿地对农村生活污水中NH+4-N及TN的去除率分别提升23%和25%，且其出水的NH+4一N及TN浓度均能达到一级B标准（GB 18918-2002）.

（2）两种垂直流人工湿地中的植物吸收对污水中TN去除的贡献率均低于0.5%，因此填料吸附和微生物净化是该湿地系统脱氮的主要途径，而该系统的植物栽培应更多地考虑其导水导流作用、根系微生物富集作用及生态效益和景观价值.

（3）相比采用“陶粒”单一填料的垂直流人工湿地，采用“陶粒+沸石”组合填料能够促进湿地系统中植物根系及填料上的微生物群落多样性，因而更有利于微生物群落结构的稳定性.

（4）组合填料式人工湿地的植物根系及填料中具备丰富的硝化和反硝化功能菌群，从而为该湿地系统应用于农村生活污水的强化脱氮提供了有力保障.