地下渗滤系统酶活性分布及对脱氮效果的影响

李英华，李海波，孙铁珩，2

1)沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室，沈阳110044;2)中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳110016

污水地下渗滤处理系统 (subsurface wastewater infiltration system，SWIS)是基于生态学原理，集成厌氧、好氧工艺而形成的一种生态处理技术.生活污水经预处理后，布入SWIS散水管中，之后在毛细力和重力的作用下扩散运动，其水流特征是:先在重力作用下向下渗流，到达不透水皿处存积，然后在基质毛细力作用下向上扩散，达到最大毛细势能后再次下降，在土壤－微生物－植物系统的联合作用下，污水得到有效处理，清水通过集水管收集，污染物则通过物化吸附、化学沉淀、微生物降解等作用被去除［1-2］.酶对环境因素的变化较敏感，又因其专一性和综合性特点，可能成为SWIS中一个有潜力的土壤生物指标.目前关于SWIS的研究主要集中在基质类型、通风设计及水力负荷调控等方面，有关酶活性的分布特征及对脱氮效果影响的研究鲜有报道［3-5］.本研究构建了SWIS中试系统，重点研究了脲酶、硝酸还原酶 (NAR)和亚硝酸还原酶 (NIR)活性的时空分布规律，分析了酶活性与脱氮效果的相关性，提出了评价SWIS脱氮效果的酶学指标.

1 材料与方法

1.1 实验污水

SWIS的进水为沈阳大学校园生活污水，主要污染物的质量浓度均值为:COD 320 mg/L，BOD5220 mg/L，NH4+-N 37.5 mg/L，TN 42.5 mg/L，TP 3.5 mg/L，SS 120 mg/L，pH值为7.2.

1.2 SWIS中试系统

设计了2个可独立运行的SWIS反应器，每个容积为1.8 m3(1.5 m ×1.2 m ×1.0 m).根据土壤渗透及微生物实验，确定基质组成(体积比)为95%草甸棕壤和5%生物基质 (由活性污泥、草炭及炉渣等构成)［6］，基质的有效铺设厚度为90 cm.散水管圆心距基质层顶部为55 cm，散水管长1.4 m，内壁直径为6 cm，管上间距8 cm处均匀钻散水孔，孔直径为8 mm.在装置1.2 m ×1.0 m端面，分别在距基质层顶部20、40、60和80 cm处设直径为5 cm的取样口.基质的pH=7.3，有机质质量分数为57.5 mg/kg，孔隙率56.8%，渗滤性1.1×10－3cm/s，粒度分布为:＞1 mm 的占 27.6%，0.05～1 mm占23.4%，＜0.05 mm的占49.0%.

SWIS中试系统处理生活污水的工艺流程见图1.首先，生活污水通过水泵进入2个沉淀槽中，沉淀后提升到高位水槽，再通过流量计，按设计负荷0.1 m3/(m2·d)均匀流入SWIS中，出水渗滤到反应器底部，从集水管排出.

图1 污水处理流程示意图Fig.1 Flow chart of domestic sewage treatment

1.3 测试方法

按照《土壤酶及其研究方法》测定脲酶、NAR和NIR活性［7］;按照《水和废水监测分析方法》测定水样的总氮 (TN)及氨氮 (NH4+-N)值［8］，每次取3个平行样测定，测定结果采用SPSS 18.0软件分析.

2 结果与讨论

2.1 酶活性分布规律

脲酶、NAR与NIR活性分布随时间、进水氨氮质量浓度及基质深度的变化规律如表1.

表1 不同监测时间段下的基质酶活性分布特征Table 1 Distribution of enzyme activities in different monitoring time mg/(g·d)

在相同的进水氨氮质量浓度和温度条件下，脲酶活性与基质深度有关 (表1).靠近散水区 (中层)的基质脲酶活性稍强，初步分析是因为进水口处有机氮质量浓度较高，有利于酶类微生物活性的释放.另外，提高进水氨氮质量浓度也有利于脲酶活性的提高 (2007年7～9月与2008年7～9月相比)，这可能与SWIS中氮元素的有效转化刺激了土壤微生物活性有关.以往研究表明:在生化反应中，若酶的含量为定值，底物的起始含量较低时，酶促反应速度与底物含量成正比，即随底物含量的增加而增加［9-12］.本研究结果与此相吻合.在进水氨氮质量浓度相同条件下 (2008年1～3月与2008年7～9月相比)，2008年7～9月的脲酶活性有明显提高.这可能是由于室温及水温升高，刺激了释放酶类的微生物活性和基质中已存在的脲酶活性的表达.有研究表明，温度每升高10℃，酶促反应速度可相应提高1～2倍［13］.综上可见，脲酶活性分布特征与基质深度、进水氨氮质量浓度以及环境温度密切相关.

NAR活性随基质深度的变化规律为20 cm＞40 cm＞60 cm＞80 cm.这可能是因为上层基质硝化作用较下层明显，NAR的催化基质NO3－-N质量浓度高，有利于NAR活性的表达.与脲酶活性对温度和进水水质变化的敏感程度相比，NAR受温度和进水水质的影响程度较小.

与NAR不同，NIR活性大小依次为40 cm＞20 cm＞60 cm＞80 cm.NAR和NIR的催化反应是一个相继进行的过程.NIR是酶促NO2－-N还原成N2的过程，而NO2－-N是NAR酶促反应的产物，因此，NIR活性最强的基质深度与NAR相比有一定的空间差异，前者比后者深度大.与脲酶相似，NIR活性同样受温度的影响.随着温度降低，NIR活性减弱.

为从酶学角度揭示SWIS脱氮的关键区域，对比研究了22～28℃，进水氨氮质量浓度34.2～38.0 mg/L工况下，20、40、60和80 cm深度基质层酶活性的变化情况，结果如图2.图2表明，80 cm深度，NAR和NIR活性波动较上层明显.20～60 cm区域，脲酶、NAR和NIR的活性均较强，可以认为，20～60 cm是SWIS中氮污染物净化的最有效空间.

图2 深度对基质酶活性的影响Fig.2 Effects of depth on enzyme activities

2.2 酶活性与氮去除的相关性

在2007年4月～2009年3月，测试脲酶、NAR与NIR活性的同时，检测氨氮、总氮出水质量浓度.每月取样1次，每次取3个平行样，结果取平均值，考察酶活性与氮脱除效果的相关性，如图3，并进行SPSS相关性分析 (见表2).结果表明，各深度基质脲酶活性与TN去除率之间均呈显著正相关.说明SWIS中，能分泌脲酶的微生物种类在20～80 cm基质层中分布较均匀，TN的去除以基质中微生物和酶的作用为主，脲酶可作为判断系统TN脱除效果的重要指标.脲酶的主要作用是将生活污水中的尿素等有机氮化合物酶促反应成氨态氮［14］，因此脲酶活性与NH4+-N的去除率之间相关性不显著，不能作为评价 SWIS脱除 NH4+-N效果的指标.NAR活性与NH4+-N和TN的去除率之间的相关性均不显著，硝态氮的还原并非反硝化过程的限速步骤［15-16］，因此，不能将基质 NAR活性作为评价SWIS脱氮效果的酶学指标.60～80 cm基质NIR活性与系统TN去除率之间存在着显著正相关，说明60 cm以下基质层是反硝化作用的主要区域.

图3 基质酶活性与氮去除率的相关性Fig.3 Correlation between enzyme activities and nitrogen removal rates

表2 酶活性与氮去除率的Pearson相关系数Table 2 Pearson correlation coefficients between enzyme activities and nitrogen removal rates (%)

可见，基质脲酶和NIR活性与TN去除率之间呈显著正相关，可将这两种酶的活性作为指示SWIS中TN脱除效果的重要生物学指标.

结 语

综上研究可知:① 基质脲酶活性分布与基质深度、进水氨氮浓度以及环境温度密切相关，散水层活性强，且随进水氨氮质量浓度及温度的升高而增强;NAR活性分布主要受基质深度的影响，随着基质深度的增大，NAR活性增强，受温度和进水水质的影响较小;NIR活性分布主要受基质深度和温度的影响，且随温度的升高而增强.②各深度脲酶活性与TN去除率之间均呈正相关;NAR活性与NH4+-N和TN去除率之间的相关性均不显著;60～80 cm区域，NIR活性与TN去除率之间存在正相关.③可将脲酶和NIR作为指示SWIS中TN脱除效果的生物学指标，通过对基质中脲酶和NIR活性的测定，可建立TN脱除效果的酶学评价模式.

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