人工湿地构建耐低温复合微生物菌剂的技术研究

王 倩，李瑞月，李晓连，田巧丽，宋 欣

（河北华清环境科技集团股份有限公司，河北 石家庄 130000）

1 人工湿地低温运行概况

人工湿地是近年发展的综合效益极高的综合生态水处理系统。然而其应用和处理效果易受到外界条件的影响，即地域的差异，季节的更替都导致难以找到一种适合于各地不同特点、不同水质状况的人工湿地污水处理工艺和运行方式的理想组合。华莱士[1]等指出温度过低不仅影响人工湿地的运行效果，还容易造成系统单元填料层冻结、管道破裂、床体缺氧等多种不利后果，这些都制约着人工湿地在寒冷地区冬季的应用。湿地中营养物质和有机污染物的转化或矿化的主要承担者就是微生物。故而构建高效复合微生物菌剂提高人工湿地污水处理系统冬季微生物活性成为人工湿地发展的一大重要关卡。冬季人工湿地系统中微生物的活性成为湿地系统运行效果的制约因素之一。

2 人工湿地低温运行的影响因素及优化措施

人工湿地亦是填料-水生植物-微生物彼此间相互制约相互影响的生态系统。其运行效果容易受到湿地温度、水生植物、微生物活性、湿地类型及运行方式等的影响。针对保温当前通常是通过植物覆盖法、覆膜法、冰雪覆盖等的方法等对人工湿地系统进行合理的保温；再结合通过出水回流加提升水力负荷等方式来保持水土界面不冻结、保证系统运行的水力停留时间，并通过补水管的保温方式防止补水的冻结堵塞；另通过增加或提升湿地污水处理前段的预处理工艺等措施来优化人工湿地系统的处理效果。通过投加耐低温微生物优势菌剂等方式提升人工湿地活性微生物的数量，亦是通过提升微生物活性等来提升系统的净化能力；当前冬季湿地中采取各种措施来优化人工湿地的运行效果十分明显。其中耐低温微生物复合菌剂的构建已成为当前研究的热点。

3 投加微生物菌剂在人工湿地低温运行系统中的重要性

人工湿地系统在温带地区常年具有良好的处理效果，而寒冷气候地区例如我国的北方地区冬季时由于其温度低而使湿地运行效果受到影响而使其应用受到限制，其主要原因是微生物的活性因温度过低而大大受到抑制，继而影响了湿地运行处理水体的效果。

3.1 湿地微生物数量及活性对运行的影响

人工湿地中一些微生物可降解多种甚至上百种的有机物，即其对污染物的分解能力很明显，系统中微生物的数量及活性成为湿地运行效果的重要制约因素。有研究[3]指出，水生植物根系微生物特别是细菌的数量变化与总氮的去除率成正相关，总氮的去除是微生物与水生植物共同作用的结果。付融冰[2]等通过研究不同植物及无植物潜流水平湿地基质中微生物状况与污水净化效果的关系，指出湿地系统中微生物的作用是去除污染物的重要途径。

3.2 湿地微生物的分布

湿地微生物广泛分布于人工湿地水体中、水生植物根系或者基质内部，构成了填料-植物-微生物生态系统。人工湿地系统中微生物群落结构，即微生物不同类群的相对丰度在湿地系统的运行效果亦有不同体现。吴振斌[4]表明，湿地基质中好氧原核微生物是系统中的优势类群；Zhou等[5]的研究发现，湿地基质表层的细菌与真菌的数量显著高于其下层的数量，随着系统的垂直高度不断加深，真菌的数量亦相继减少。

目前很多研究[6]已经证明了不同水生植物根系微生物在数量及种类上有很大差别。项学敏[7]等研究结果表明，微生物在芦苇和香蒲两种水生植物的根际效应非常明显，根基存在的细菌、真菌和放线菌的数量都明显大于非根际微生物的数量；还表明基质类型对植物的根际微生物的数量及分布亦有明显影响；针对所种植的植物，赵庆节[8]研究表明不同植物，湿地基质微生物群落差异明显。在不同季节，有研究显示人工湿地系统细菌总数量秋季高于夏季。

3.3 微生物的多样性分析

现代学者也对人工湿地中微生物的多样性做了大量的研究。研究发现，湿地基质内部及水生植物体表面好氧微生物和兼性厌氧微生物都比较丰富。研究主要是通过微生物的分离、鉴定等操作来完成。人工湿地系统中，以细菌的数量最多，放线菌其次，真菌最少。细菌包括好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌、硝化和反硝化细菌及磷细菌等。夏宏生等[9]的研究指出，氨化细菌是人工湿地运行系统中除氮的优势菌群并且随着系统的运行其数量逐渐增加；硝化细菌属于好氧细菌，随着系统的连续运行数量逐渐下降，从而确保湿地系统净化效率及稳定性。蒋玲燕等[10]的研究指出水生植物体对微生物多样性的作用，从而表现出更高的去污效果。

人工湿地系统中对细菌种属的研究中，张甲耀等[11]的研究结果发现，在潜流芦苇湿地中有假单胞菌属、无色杆菌属、不动杆菌属、黄杆菌属、黄单胞菌草属、短杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、葡萄球菌属及微球菌属等。对系统中氮循环细菌的多样性研究也比较丰富。其中亚硝化细菌主要涉及两个纲，即自养氨氧化细菌β-Proteobacteria和γ-Proteobacter。

3.4 水生植物体与微生物分布间的相互作用

在植物根系与微生物组成的生态系统中，根系微生物与植物的关系密切又复杂。一方面植物通过根部输送氧气以满足根系微生物的生存和繁殖，同时植物根系分泌有机复合物也会影响根系微生物，有研究表明[12]，植物根系的生长发育及根系分泌有机复合物质是刺激根系微生物生长繁殖的能源和养分。常会庆等[12]通过向反应器中加入三种水生植物的根系分泌有机复合物质，对氮循环细菌和光合细菌进行培养，结果显示：三种分泌物对光合细菌的生长都起到了促进作用，对于氮循环细菌的影响效果不同。由此可见分泌物成分直接影响着根际微生物的生长和繁殖。另一方面根系微生物通过利用植物传输的氧气分解废水中可生化降解的大分子有机物为小分子有机物，这种根系微生物的新陈代谢作用也可以促进或抑制根系的物质吸收和根系生长，从而影响着载体中的物质和能量转化。

4 耐低温菌的分离、筛选及复合微生物菌剂的构建

低温人工湿地的运行强化措施中生物强化技术是立足于全世界的，是筛选优势菌种或者构建基因工程高效降解菌，并构建复合微生物菌剂继而投加至待强化的人工湿地生物系统中的技术。冬季低温导致人工湿地微生物活性降低，从而导致人工湿地净化能力降低，但湿地系统中乃至自然界中微生物广泛分布，并可通过驯化、筛选、构建复合菌剂等方式，培育在低温下具有较好降解能力的微生物，通过扩大培养得出低温微生物产品，并通过在低温时向人工湿地系统投加一定数量的低温微生物的方式来增加活性微生物的数量，从而加快人工湿地净化作用。赵昕悦等[13]通过投加复合菌剂提高低温人工湿地系统内的功能菌群的丰度来增大氨氮、总氮及COD的转化率。

4.1 耐低温菌的分布

人工湿地耐低温微生物同耐冷菌一样是一类可以在最低温度为-5～0 ℃及最高温度高于20 ℃生长繁殖的微生物，在低冷环境及人工湿地系统中均有耐冷菌的分布[14-15]。有研究人员从下水道中分离出对生活污水有机质有降解能力的耐冷菌，并利用耐冷复合菌群处理低温生活污水，使CODMn由单一菌群35%的去除率提高到复合菌群89%的去除率[16]。

4.2 湿地中耐低温菌的分离筛选研究

当前，通过人工筛选在培养基中培养出耐低温菌种，如耐冷分歧杆菌、耐低温酵母菌、耐冷型假单细菌和丝状蓝细菌等，对各种油烃类污染物以及人工合成的表面活性剂等均具有良好的降解效果。

在研究湿地耐冷菌的筛选和富集培养中，之前有魏清娟等[17]的研究指出人工湿地系统经低温脱氮菌或生物强化后，湿地生物强化系统的出水氨氮和总氮浓度均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》出水排放的I级A标准，从而在强化低温脱氮效果的同时增大了日处理量。并指出在湿地中增加低温脱氮微生物丰度可以强化系统出水氨氮和总氮去除率，其中Pseudomonas、Bacillus、Nitrosomonas和土壤中Nitrospira在投加到系统中时，含量大幅增加，故而可以作为低温脱氮菌剂构建的主要微生物菌属。

顾修君等[18]的研究结果中当温度为8 ℃时，从人工湿地污泥中分离出的6种对COD、总磷和氨氮均有去除效果的菌株，其中菌株E净化效果最好。李慧峰等[19]从污水处理厂活性污泥中分离获得了K36睾丸酮假单胞菌和K38居泉沙雷氏菌两株对污水中COD具有降解能力的耐冷细菌，并指出在低温下该菌株具有较高的活性。孙静等[20]从北方人工湿地底泥中分离出耐冷菌株黄假单胞菌（Pseudomonas flava），并指出其在8 ℃时具有较好的污染物降解能力和耐盐能力，且降解率均超过50%；多项研究无疑为提升人工湿地冬季运行效率丰富了耐冷菌资源[21]。

4.3 复合微生物菌剂的投加对人工湿地系统运行的影响

复合微生物菌剂修复技术是一种投资少、见效快向目标水体中投加具有特定功能的微生物并强化对目标污染物去除效果的水处理技术。现有研究指出，将通过实验分离获得的高效复合微生物菌剂和光合细菌等直接投加到目的污水处理系统中，处理效果十分明显[22]。

低温人工湿地运行微生物强化措施有高效微生物菌剂的投加和耐低温复合微生物菌剂的投加等。研究指出耐冷复合菌群比单一菌具有更高的COD去除率，复合微生物菌剂的投加大大降低目标水体中的污染物含量。邢奕等[22]的研究中表明，在低温6 ℃时，人工湿地系统中投加混合菌种较分别投加三种耐低温菌时对氨氮的去除效果要好，故而通过高效耐低温菌的筛选培养及外部投加技术，对提高湿地低温运行效果十分重要。姜安玺等[23]的研究亦指出混合耐低温菌剂比单一耐低温菌对COD的去除率更高。从自然界分离更多种类的高活性的耐低温菌经驯化后组成合适污水处理的微生物菌群，并结合固定化等工艺，应用于北方寒冷冬季生活污水（水温在10 ℃），甚至其他低温废水处理，是提高处理效率的可行方法。

5 结论

目前对低温人工湿地的运行强化措施中生物强化技术是立足于全世界的。对于我国北方冬季或寒冷地区，通过构建并投加耐低温高效微生物复合菌剂来强化人工湿地系统的运行效果是可行的并值得推广的。但目前还存在一定的问题，还需继续优化使所构建的目的微生物复合菌剂更加的适合处理特定流域的水质，并且对投加后效果的保持及对运行稳定性的影响等问题还需继续探讨。