低温条件下组合式浮床脱氮特性及微生物种群研究

母玉敏 ，刘 利 ，曹文平

（1.江苏方正环保集团有限公司，江苏徐州221000；2.江苏爱尔沃特环保科技有限公司，江苏徐州221116；3.江苏莲洋港环保科技有限公司，江苏徐州221111）

生态浮床因维护简单、无占地、太阳能驱动和景观美化效果好等特点受到普遍的关注〔1〕。将污水生物处理中的生物载体引入生态浮床中并组建成组合式生态浮床，生物载体往往被悬挂在浮床的浮体下面。所以，组合式生态浮床能提高浮床系统中生物量，从而达到强化生态浮床的生态效应和修复效果，取得了良好的效果〔2-7〕。目前关于生态浮床领域的研究主要侧重于生态浮床的设计、植物搭配和优选、强化浮床净化效果以及浮床的生态效应等〔8-9〕，但如何经济有效地解决地表水体除磷脱氮过程中碳源不足问题鲜有报道。另外，生态浮床系统由于低温条件下植物枯萎，水体净化效果偏低，所以低温条件下生态浮床脱氮除磷效果研究较少。

基于低温条件下生态浮床景观构建和强化脱氮除磷效果双重需要，本次试验耦合固相反硝化原理、无土栽培原理、生物反硝化原理等，构建了一种新型的组合式生态浮床。改变了传统组合式生态浮床植物根系和人工填料相对位置，将悬挂在浮体下面的填料调整作为植物生长基质，能改善植物根系生长环境，提高基质表面微生物活性和微生物浓度，有利于强化植物生长效果和浮床系统内的微生物量，从而提升生态浮床的净化效果〔10-11〕。

本研究选择轻质陶粒和玉米麸作为浮床植物生长基质，借助水面微曝气的方式，改善系统内的传质效果和供氧水平，同时与采用轻质陶粒基质的浮床进行了对比试验。本试验的目的：（1）比较研究新型组合式生态浮床在低温条件下的除磷脱氮效果；（2）对比研究玉米麸和陶粒表面微生物物种多样性特征；（3）对比研究水芹的能量水平。本试验研究结果可以为低温条件下水体脱氮提供参考。

1 材料和方法

1.1 水生植物生长基质

本试验选用轻质陶粒和玉米麸作为水生植物生长基质，其中玉米麸取自徐州农村地区玉米棒芯，由人工剪切成边长1 cm的正方体，用自来水连续浸泡14 d（每天换水1次）以消除其组织内的可溶性物质及表面易脱落的有机颗粒，表面积约为380 m2/m3，孔隙率约为68%。轻质陶粒，粒径为0.5～0.8 cm，表面积约为360 m2/m3，孔隙率约为65%。

1.2 水芹培育与种植

水芹苗购自徐州市花卉市场，洗净根系后放入自来水中进行培育（15 d），当根系和茎叶生长较好后，移入浮床的基质中栽培。基质以上部分统一为8 cm，水芹栽培相互间距为3 cm。

1.3 原水水质

原水取自徐州工程学院中心校区二期学生公寓楼下的湖水，在湖水中加入一定量的氯化铵、硝酸钾、磷酸二氢钾、葡萄糖和奶粉（雀巢牌），使COD为 76.50～88.40 mg/L，TN 为 19.70～21.80 mg/L，TP 为0.95～1.25 mg/L，pH 为 7.36～8.63。

试验日期为2016年11月22日—2017年2月13日，水温9.3～14℃。2017年1月1日在生态浮床基质上剥落下的生物膜中发现了较为丰富的钟虫和少量的轮虫，并进入试验过程。

1.4 构建浮床系统与试验方法

浮床系统包括浮床和试验水箱；浮床由水芹、基质和过水框架组成，基质是轻质陶粒和预处理后的玉米麸，过水框架是滤水性能优良的塑料篮子，内径20 cm，深18 cm，每个过水框架内分别填充基质3.5 L。试验水箱为100 L的长方体塑料箱体。

每组浮床均设置3个平行的试验组，其中一组是以玉米麸为基质的组合式浮床（Integrated floating bed with corn flakes，简写 IFB-CF），另一组是以轻质陶粒为基质的组合式浮床（Integrated floating bed with light ceramsite，简写IFB-LC）。利用小型的充氧泵对浮床系统进行表面增强，使DO介于2.3～3.3 mg/L；浮床系统换水周期为 7 d，分别于 0.5、1、2、3、4、5、6、7 d取水进行水质分析。在水箱的5处不同位置采集水样，形成的混合水样装入已灭菌的采样瓶中，2 h内完成检测分析。

1.5 样品采集及分析

总磷（TP）、总氮（TN）、COD 等采用文献〔12〕中规定的方法进行分析。COD利用便携水质快速检测仪（型号T3WS-P）测定；TN和TP均采用754N紫外可见分光光度计测定。

微生物多样性表征和水芹营养成分的分析分别委托江苏中宜金大分析检测有限公司和英格尔检测技术服务（上海）有限公司进行〔13-16〕。

1.6 数据处理与分析

数据计算为平均值±标准差（SD），并利用SPSS 18.0软件进行统计分析。采用单因素方差分析（Oneway ANOVA）和最小显著差异（LSD）对两组生态浮床对TN、COD、TP去除效果差异进行显著性检验（显著性水平为 p＜0.05）。

试验数据经Excel 2010软件处理后，运用Origin 9.0软件作图，并应用Origin对氮、磷降解过程进行数据拟合。

2 结果与分析

2.1 生态浮床对氮素污染物去除效果

IFB-CF和IFB-LC对水体中氮素污染物去除效果如图1所示。

由图1（a）可见，随着时间增加，TN浓度显著减少；IFB-CF对水体TN的去除效果要优于IFB-LC，两者TN去除效果存在显著性差异（p＜0.05）。7 d后，IFB-LC对TN去除率为31.37%，而IFB-CF去除率达到67.55%。可能是因为IFB-CF系统有适当的碳源补充（玉米麸水解产生的低分子有机物），导致氨氮转化为硝酸盐后能进一步转化为氮气逸出；而IFB-LC系统处于低C/N比状态下，氨氮转化硝态氮后无法获得足够的电子供体而出现硝态氮积累问题，表现为TN去除率较低。

图1 生态浮床系统中氮素污染物转化和去除效果

2.2 生态浮床对COD去除效果

COD随时间变化如图2所示。

图2 COD变化曲线

由图2可知，两个浮床系统对COD的去除率分别为86.89%和66.06%，IFB-LC比IFB-CF要高出20.83%。其原因是：IFB-CF内的COD被水芹根系、玉米麸表面生物膜等降解的同时，玉米麸会不断地释放出一定量的有机物和悬浮物，易降解有机物能作为生物脱氮碳源被消耗掉，但是悬浮物会随着出水流出而影响出水水质；相比于IFB-LC，IFB-CF因为内源碳的释放，COD的降解量也随之增加。所以，IFBCF比IFB-LC对COD的去除率要低一些。

2.3 生物多样性统计分析

两组浮床内基质表面生物多样性统计结果如表1所示。

表1 IFB-CF和IFB-LC的微生物种群多样性对比

从表1可知，玉米麸表面的微生物种群多样性和群落丰富程度比陶粒表面的微生物要高，且玉米麸表面微生物量大于轻质陶粒。综上表明：相比于IFB-LC，IFB-CF具有更稳定的生态修复微生物系统，更高效的生态修复效果。

2.4 水芹体内营养水平情况

对浮床上种植出的水芹营养成分进行检测，结果如表2所示。

表2 水芹主要营养成分对比表

相对于IFB-CF而言，IFB-LC中的水芹能量和蛋白质含量较高，IFB-LC的去除效率不高，说明异化作用弱，能量和蛋白质消耗较少，主要积累在植物组织内。从主要以氧化物、硫酸盐、磷酸盐等形式存在的灰分上看，IFB-CF和IFB-LC的含量相同，说明水芹对硫、磷等元素吸收作用相差不大。

从碳水化合物含量来看，CL>IFB-LC>IFB-CF，说明种植于土壤中的水芹能吸收更多的碳元素，合成更多的碳水化合物，但是污水中的碳元素含量相比于土壤而言，要低得多；从蛋白质含量来看，两个组合式浮床上的水芹要优于CL，可能与水体中含有较高氮浓度有关，也说明利用水芹吸收氮是可取的。

3 结论

低温条件下，IFB-CF和IFB-LC对水体中的有机物和总氮保持较高的去除率，而且水芹生产状态良好；说明该类型组合式浮床能用于修复水体中的总氮，具有良好的生态效应。

（1）IFB-LC 对 TN、COD 的去除率为 31.37%、86.89%，IFB-CF对 TN、COD的去除率为 67.55%、66.06%。

（2）IFB-LC 和 IFB-CF 系统内 Chao、ACE、Shannon、Simpson 指数分别为 4081、6295、5.10、0.05（IFBLC）；4 938、7 461、5.77、0.02（IFB-CF），说明玉米麸表面的细菌多样性、细菌总量要优于轻质陶粒，IFBCF系统更加稳定。

（3）生态浮床系统中的水芹组织内碳水化合物含量要低于土壤中生长的水芹，而生态浮床系统中的水芹组织内蛋白质含量却高于土壤中生长的水芹。