內(nèi)電解人工濕地強(qiáng)化脫氮機(jī)制

　　我國(guó)大部分城鎮(zhèn)污水經(jīng)二級(jí)處理后, 直接排入受納水體.尾水排放量大、污染物含量高, 易加劇受納水體富營(yíng)養(yǎng)化.污水廠尾水作為重要的點(diǎn)源污染, 將尾水進(jìn)行深度處理, 進(jìn)一步提高污水處理廠出水水質(zhì), 是我國(guó)污水處理的重要發(fā)展趨勢(shì).北京市(DB 11890-2012)、天津市(DB 12599-2015)已先后出臺(tái)了更為嚴(yán)格的污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn).

　　人工濕地作為一種環(huán)境友好型水處理技術(shù), 具有污染物去除效果好、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低廉、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn).將人工濕地作為污水廠尾水深度處理工藝, 可以進(jìn)一步削減尾水中的碳氮磷等污染物, 減小對(duì)受納水體的不利影響.然而, 污水經(jīng)污水廠生化處理單元處理后, 尾水中殘留的有機(jī)碳源以腐殖酸、富里酸、氨基酸及表面活性劑等為主, 這些有機(jī)物多含有芳環(huán), 可生化性差(B/C值約為0.2~0.35), 難以被微生物降解利用.而尾水中TN含量高, 是一種特殊的低碳氮比的污水(BOD5/TN約為1), 且NO3--N是尾水中氮素的主要成分, 占TN比例可達(dá)80%以上.人工濕地處理尾水時(shí), 尾水可利用碳源不足嚴(yán)重影響脫氮效率, 尤其是冬季低溫脫氮效率十分不理想, 影響了人工濕地的進(jìn)一步推廣應(yīng)用.

　　鐵炭?jī)?nèi)電解是一種高效物理化學(xué)水處理技術(shù), 廣泛用于印染、化工等難降解廢水的處理, 可有效改善廢水可生化性、提高污染物去除效率.但鐵炭?jī)?nèi)電解通常單獨(dú)作為一個(gè)處理單元, 鮮有與生物處理相結(jié)合, 特別是與人工濕地相結(jié)合進(jìn)行尾水處理的研究.因此, 本文將鐵炭?jī)?nèi)電解與人工濕地技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合, 將鐵炭填料摻雜于濕地基質(zhì)中, 構(gòu)建新型內(nèi)電解人工濕地, 考察冬季低水溫條件下(3~12℃)內(nèi)電解濕地的脫氮效能, 并通過(guò)測(cè)定基質(zhì)微生物活性、反硝化強(qiáng)度, 結(jié)合濕地微生物群落結(jié)構(gòu)分析, 揭示內(nèi)電解人工濕地的強(qiáng)化脫氮機(jī)制.

　　1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)共構(gòu)建了3組呈圓柱體的下向垂直流人工濕地裝置, 分別為無(wú)植物濕地、普通濕地、內(nèi)電解濕地.裝置材料采用有機(jī)玻璃, 圓柱體尺寸為Φ×H=20 cm×65 cm.裝置底部設(shè)有高5 cm的集水區(qū), 并設(shè)置穿孔有機(jī)玻璃板進(jìn)行集水.采用遮光布包裹裝置四周, 以模擬人工濕地真實(shí)的避光狀態(tài).人工濕地裝置如圖 1所示.人工濕地以粗砂和礫石作為主要基質(zhì), 濕地植物選用蘆葦, 濕地構(gòu)建初期孔隙率為35%, 人工濕地構(gòu)造如表 1所示.裝置運(yùn)行時(shí), 尾水由蠕動(dòng)泵分別打入3組濕地上部, 底部出水, 通過(guò)流量計(jì)控制出水, 設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為2 d.

　　1.2 進(jìn)水水質(zhì)

　　試驗(yàn)前采集污水廠尾水進(jìn)行實(shí)測(cè), 以明確尾水污染物組成及特征, 采用腐殖酸鈉、海藻酸鈉、牛血清白蛋白等作為尾水中的碳源, 以硝酸鈉作為主要氮源, 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行污水廠尾水的模擬.試驗(yàn)期間(2016年11月~2017年1月)進(jìn)水主要污染物濃度為：COD 49.72~53.31 mg·L-1、BOD5 6.51~12.07 mg·L-1、TN 14.57~15.79 mg·L-1、NH4+-N 2.62~3.81 mg·L-1、NO3--N 11.45~16.63 mg·L-1、TP 0.12~0.23 mg·L-1.

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)：試驗(yàn)期間, 每2 d采集3組人工濕地進(jìn)出水水樣各200 mL, 采用微孔濾膜過(guò)濾水樣, 測(cè)定水樣的COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP等, 每組水樣取3個(gè)平行樣.

　　基質(zhì)微生物活性：每7 d檢測(cè)一次微生物活性, 每組樣品取3個(gè)平行樣.采用熒光顯色測(cè)試方法, 具體方法為：稱(chēng)取30 g仍保持濕潤(rùn)的基質(zhì)于100 mL的錐形瓶中, 滴加0.4 mL二乙酸熒光素(1 mg·L-1), 并加入30 mL的磷酸緩沖液(KH2PO4 1.3g·L-1, K2HPO4 8.7g·L-1); 將錐形瓶置于恒溫水浴振蕩器(水溫30℃, 振蕩頻率150次·min-1)上振蕩2 h, 靜置10 min, 向錐形瓶滴加氯仿/甲醇溶液(2:1) 15 mL, 終止微生物的水解; 待溶液靜置分層后, 取上層液體離心過(guò)濾, 以未添加二乙酸熒光素溶液的樣品為空白樣, 在494 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行比色, 以單位質(zhì)量基質(zhì)水解產(chǎn)生的熒光素的量表征微生物活性[1 g基質(zhì)水解的熒光素的量(mg)].

　　基質(zhì)微生物反硝化強(qiáng)度：每7 d檢測(cè)一次基質(zhì)微生物反硝化強(qiáng)度, 每組樣品取3個(gè)平行樣.稱(chēng)取50 g濕地基質(zhì), 置于250 mL錐形瓶中, 加入200 mL NO3--N培養(yǎng)液, 用橡皮塞塞住瓶口, 置于恒溫培養(yǎng)中, 于20℃條件下培養(yǎng)3 d, 每間隔24 h取樣離心過(guò)濾, 測(cè)定NO3--N濃度, 且每次取樣后用培養(yǎng)液補(bǔ)足.用單位時(shí)間內(nèi)NO3--N的濃度變化來(lái)表征基質(zhì)微生物的反硝化強(qiáng)度[1 h內(nèi)1 kg基質(zhì)消耗的NO3--N的量(mg)].

　　高通量測(cè)序：從裝置基質(zhì)采樣口采集足量濕地基質(zhì)樣品, 于低溫條件下保存24 h, 然后用干冰密封保存, 郵寄至上海生工, 樣品在7 d內(nèi)完成測(cè)序工作.本試驗(yàn)的高通量測(cè)序工作委托上海生工生物有限公司完成, 該公司采用的是MiSeq (Illumina)平臺(tái)測(cè)序.基質(zhì)微生物DNA采用Ezup柱式土壤基因組DNA抽提試劑盒進(jìn)行提取, 對(duì)細(xì)菌16S rDNA片段的V3區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 人工濕地脫氮效果

　　反硝化是人工濕地脫氮的主要途徑, 反硝化脫氮需要碳源作為電子供體.試驗(yàn)期間, 人工濕地進(jìn)出水COD濃度及平均去除率如圖 2所示. 3組濕地對(duì)COD去除波動(dòng)幅度較小, 平均去除率分別為(34.97±2.45) %、(33.61±1.88) %、(47.92±1.57) %.冬季低溫條件下, 內(nèi)電解濕地對(duì)尾水COD去除效果優(yōu)于無(wú)植物濕地和普通濕地, 無(wú)植物濕地和普通濕地差別不大.這主要是濕地基質(zhì)摻雜鐵炭, 鐵炭?jī)?nèi)電解過(guò)程產(chǎn)生大量活性的[H]和Fe2+, 使尾水中的復(fù)雜有機(jī)物發(fā)生開(kāi)環(huán)、斷鏈等作用, 可促進(jìn)尾水中大分子難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿佑袡C(jī)物, 進(jìn)而被微生物降解.

 　　圖 3為人工濕地進(jìn)出水COD濃度及平均去除率.從中可知, 冬季低溫條件下, 內(nèi)電解人工濕地脫氮效果優(yōu)勢(shì)明顯, 出水TN濃度維持在(9±0.29) mg·L-1, TN平均去除率達(dá)到(42.27±1.70) %, 比無(wú)植物濕地和普通濕地分別高出17.91%、17.33%, 說(shuō)明冬季植物枯萎后對(duì)TN的去除作用不大.無(wú)植物濕地、普通濕地、內(nèi)電解濕地COD去除負(fù)荷分別為0.574、0.552、0.787 g·(m3·d)-1, 而3組濕地TN去除負(fù)荷分別為0.117、0.119、0.205 g·(m3·d)-1, COD、TN去除負(fù)荷之比(C/N)分別為4.91、4.64、3.84.而通常人工濕地C/N>4才表示反硝化碳源較為充足.由此表明, 濕地微生物進(jìn)行傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化存在碳源不足的現(xiàn)象, 內(nèi)電解濕地中還可能存在其它形式的脫氮途徑.

 　　2.2 基質(zhì)微生物活性與反硝化強(qiáng)度

　　圖 4為3組濕地系統(tǒng)中基質(zhì)微生物活性及反硝化強(qiáng)度.人工濕地微生物是濕地污染物去除的主要承擔(dān)者, 微生物活性能夠直接反映微生物污染物去除能力.熒光顯色法常用于測(cè)試基質(zhì)微生物活性, 微生物活性越高, 水解產(chǎn)生的熒光素量也越大.由圖 4知, 無(wú)植物濕地、普通濕地、內(nèi)電解濕地微生物活性分別為0.068、0.085、0.224 mg·g-1, 種植植物的普通濕地微生物活性稍高于無(wú)植物濕地, 而內(nèi)電解濕地是普通濕地人工濕地的2.6倍.冬季低溫條件下, 內(nèi)電解人工濕地仍保持很高的微生物活性, 這可能是因?yàn)镕e2+和Fe3+是微生物生命活動(dòng)中重要的電子傳遞體系, 而濕地基質(zhì)中鐵炭填料在內(nèi)電解過(guò)程中產(chǎn)生的Fe2+和Fe3+可以參與這種電子傳遞, 從而加快微生物細(xì)胞電子傳遞速率, 提高微生物活性.

 　　NO3--N是尾水中氮素的主要成分, 反硝化脫氮作用是決定人工濕地脫氮效率的主要因素.從圖 4可以看出, 內(nèi)電解人工濕地反硝化強(qiáng)度最大[5.01 mg·(kg·h)-1], 其次為有植物的普通濕地[1.82 mg·(kg·h)-1], 無(wú)植物濕地最低[1.47 mg·(kg·h)-1].由于內(nèi)電解濕地微生物活性很高, 且內(nèi)電解可為濕地微生物提供更多的可利用碳源, 因而內(nèi)電解濕地的反硝化強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通濕地和無(wú)植物濕地.

　　2.3 人工濕地微生物群落結(jié)構(gòu)分析 2.3.1 微生物群落多樣性分析

　　微生物群落多樣性是指某種生態(tài)系統(tǒng)中菌落所包含種類(lèi)多少, 以及個(gè)體在種間的分布特征.在污水處理過(guò)程中, 微生物群落多樣性越高, 生化處理系統(tǒng)穩(wěn)定性就越好, 抗沖擊負(fù)荷能力也越強(qiáng).微生物多樣性對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定是必需的.目前, 群落生態(tài)學(xué)中, 主要采用Shannon、Simpson等一系列統(tǒng)計(jì)學(xué)分析指數(shù), 來(lái)對(duì)環(huán)境群落的物種豐度和多樣性進(jìn)行估算分析. 表 2為本研究中3組濕地微生物多樣性分析結(jié)果.

 　　Shannon指數(shù)可表征物種的相對(duì)豐度, 其值越大, 說(shuō)明群落多樣性越高. 3組濕地中, 內(nèi)電解濕地最高(5.41), 其次為普通濕地(5.07), 最低為無(wú)植物濕地(4.42), 表明內(nèi)電解人工濕地微生物群落多樣性更高, 種群均勻性好. Simpson值越大, 表明群落的多樣性越差, 3組人工濕地的Simpson值分別為0.10、0.04、0.03, 其結(jié)果與Shannon指數(shù)一致, 內(nèi)電解濕地的群落多樣性高于普通濕地和無(wú)植物濕地.可見(jiàn), 人工濕地添加鐵炭可提高微生物群落多樣性.杰卡德距離可用來(lái)研究物種多樣性的差異, 其值越接近于1, 所觀察的樣品間的差異性越大.無(wú)植物濕地與普通礫石層濕地和內(nèi)電解濕地的杰卡德距離分別為0.372、0.832, 普通濕地與內(nèi)電解濕地的杰卡德距離為0.707, 這表明微生物群落結(jié)構(gòu)的變化受濕地植物和基質(zhì)添加鐵炭的影響, 但主要影響因素是基質(zhì)摻雜了鐵炭.

　　2.3.2 人工濕地主導(dǎo)菌群分析

　　近代生物學(xué)將微生物分為域(domain)、門(mén)(phylum)、綱(calss)、目(order)、科(family)、屬(genus)六層, 其中屬是分類(lèi)中最基本的一層.人工濕地微生物在屬級(jí)水平的分類(lèi)較多, 多達(dá)300余種, 因此按照菌屬豐度大小僅選取前50種進(jìn)行分析. 3組濕地前50種菌屬的豐度總和分別占總菌屬的85.33%、85.8%、81.55%. 3組濕地基質(zhì)微生物在屬級(jí)上的分布如圖 5所示.

 　　由圖 5可知, 3組濕地豐度最高的菌屬組成相近, 豐度最高的菌屬為Chlorophyta(綠藻菌, 分別為12.15%、30.98%、2.38%)、Sphingomonas(鞘氨醇單胞菌, 分別為23.41%、0.88%、18.74%).由于試驗(yàn)中人工濕地藻類(lèi)生長(zhǎng)旺盛, 因而檢出了較高比例的綠藻菌.鞘氨醇單胞菌是人工濕地中的優(yōu)勢(shì)菌群, 可降解芳香族有機(jī)物.其他豐度較高的菌屬主要包括Anaerolineaceae(厭氧蠅菌)、Zoogloea(動(dòng)膠菌)、Comamonadaceae(叢毛單胞菌)、Dechloromonas(脫氯單胞菌)等.厭氧蠅菌是綠彎門(mén)的代表菌屬, 具有降解碳水化合物和蛋白質(zhì)的作用.動(dòng)膠菌與菌膠團(tuán)形成有關(guān), 能促進(jìn)同步硝化反硝化反應(yīng)的進(jìn)行.叢毛單胞菌種類(lèi)繁多, 不同菌種代謝途徑不同, 大多能降解酚類(lèi)、喹啉類(lèi)及類(lèi)固醇類(lèi)有機(jī)物.在脫氮微生物方面, 主要檢測(cè)出了Dechloromonas(脫氯單胞菌)、Rhizobium(根瘤菌)、Hyphomicrobium(生絲微菌)、Rhodobacter(紅桿菌)、Thiobacillus(產(chǎn)硫酸桿菌)等菌屬.其中, 脫氯單胞菌具有很強(qiáng)的硝酸鹽還原能力.根瘤菌、生絲微菌、紅桿菌是3種常見(jiàn)的異養(yǎng)反硝化細(xì)菌, 其中, 產(chǎn)硫酸桿菌是一種常見(jiàn)的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌, 表明濕地中除了傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化作用外, 還存在著自養(yǎng)反硝化. 3組濕地中, 5種脫氮細(xì)菌的總和分別為1.89%、0.82%、7.13%, 內(nèi)電解濕地脫氮微生物量分別是無(wú)植物濕地、普通濕地的8.69倍、3.77倍, 可見(jiàn)內(nèi)電解濕地在脫氮微生物總量上有明顯的優(yōu)勢(shì), 這也是內(nèi)電解人工濕地脫氮能力強(qiáng)的原因之一.

　　3 結(jié)論

　　(1) 內(nèi)電解濕地能更好地利用尾水中碳源, 冬季低溫條件下, 脫氮效果優(yōu)勢(shì)明顯, 出水TN濃度維持在(9±0.29) mg·L-1, TN平均去除率達(dá)到42.27%, 比無(wú)植物濕地和普通濕地分別高出17.91%、17.33%, 且冬季植物對(duì)TN去除幾乎沒(méi)有作用.

　　(2) 冬季低溫條件下, 內(nèi)電解濕地微生物活性和反硝化強(qiáng)度高于無(wú)植物濕地和種植植物的普通濕地.其中, 微生物活性達(dá)到0.224mg·g-1, 分別是無(wú)植濕地和普通濕地的2.6倍、3.4倍; 反硝化強(qiáng)度達(dá)到5.01 mg·(kg·h)-1, 分別是無(wú)植物濕地和普通濕地的2.8倍、3.3倍.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　(3) 高通量測(cè)序表明, 內(nèi)電解濕地微生物群落多樣性優(yōu)于無(wú)植物人工濕地和普通人工濕地, 且濕地基質(zhì)添加鐵炭對(duì)生物多樣性的影響大于濕地植物的作用.脫氮微生物主要有脫氯單胞菌以及根瘤菌、生絲微菌屬、紅桿菌屬, 以及自養(yǎng)反硝化細(xì)菌產(chǎn)硫酸桿菌.內(nèi)電解人工濕地在脫氮微生物總量上有明顯優(yōu)勢(shì), 脫氮微生物占微生物總量的7.13%, 分別是無(wú)植物濕地、普通濕地的3.8倍、8.7倍.