人工湿地细菌量与污染物去除率相关性研究

谢静　钟艳霞　罗玲玲

摘要：通过模拟人工湿地系统，探讨在无植被状态下的人工湿地系统中不同污染物去除效率与模拟湿地水体中细菌数量变化之间的相关性。结果表明，无植被人工湿地对生活污水中典型污染物有较显著的净化作用，其中，TN的平均去除率为48.39%，CODcr的平均去除率为47.36%，TP的平均去除率为21.81%；模拟湿地水体中的细菌数量变化不稳定，呈现增加-减少-增加的波动趋势；经相关性分析，水体中细菌数量与TP去除率之间无显著相关性（P>0.05，r<-0.3）；但细菌数量与CODcr、TN去除率之间均呈显著相关，分别为P<0.01，r=0.549；P<0.05，r=0.507。

关键词：人工湿地；污水处理；污染物去除；细菌数量；相关性

人工湿地作为一种便捷有效的污水处理技术，在污水的处理方面表现出了极大的发展潜力，对COD、BODs、TN和TP均具有较强的去除效率，具有低投资、低能耗、低运行费用、氮和磷去除率高的技术特点，得到了普遍接受。人工湿地系统是由基质、植被、微生物组成的综合生态系统。微生物尤其是细菌对污染物进行吸附和降解的重要生物群体，具有分布广泛、数量巨大、代谢类型多样和适应突变能力强的特点，在湿地污水处理中起着核心作用。人工湿地中各个要素之间相互依托、互相影响，污染物去除机制比较复杂，在研究微生物与污染物间的关系时，植物的影响难以去除。为了更好研究水体中微生物与污染降解直接的关系，需开展无植物种植人工湿地的研究，但该类人工湿地中微生物与污染降解间的相互关系研究相对较少。西部地区全年低温期长，各类湿地植物生长不良，保证人工湿地处理效果的主要贡献者为微生物，对于水生植物分布较少的寒冷地区，研究微生物对水质的影响显得尤为重要。

本研究建立无植物种植的人工湿地，重点对湿地水体中细菌的数量变化以及它们与典型污染物去除之间的关系进行研究，为深入研究人工湿地处理污水的机理和准确评估细菌在湿地净化作用中所起的作用提供一定的理论依据。

1.材料与方法

1.1材料

1.1.1试验装置 试验采用潜流式人工湿地模型（图1），人工湿地床体采用有机玻璃制作，尺寸为120 cm×80 cm×60 cm，由2个120 cm×40 cm×60 cm池体串联而成，池体两端设10 cm宽的进出水和集水廊道，单池长宽比为3：1，两池分别为下行流和上行流，两池之间由1个10 cm×80 cm×60 cm的回水廊道联接。池内基质下层为大卵石，上层为细砂，下行流池卵石厚度20 cm，砂层厚度为12 cm，有效水深35 cm，上行流池卵石厚度15 cm，砂层厚度为15 cm，有效水深35 cm。进出水廊道和中间廊道中分别填充碎石厚度25 cm，起过滤作用。

1.1.2供试水样 供试水样取自西夏区镇北堡镇拦河大坝，该镇的农村生活污水未经处理直接排放于拦河大坝河道中，虽然生活污水在流经过程中有所中和稀释，但该水体中所存在的各种污染物依然能反映出该区域农村生活污水的基本特性。

1.2研究方法

1.2.1模拟湿地水样采集 2013年9月2日取银川市西夏区镇北堡镇拦河大坝处生活污水注入模拟人工湿地，以注入水源当日为第0天，持续观测48 d，试验期共计49 d。期间采集人工湿地水样22次，每次水样采集时间为控制在上午9：00～11：00。所采水样同步开展水质相关项目监测及细菌培养。以未经模拟人工湿地处理的原水样为空白对照组、未加注原水样模拟人工湿地中残留水样为试验背景，每个样本均设3次平行。

1.2.2水质监测方法 水质监测项目主要有氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）。各项均按照国家标准或环境保护标准中所要求的监测方法进行监测，具体方法见表1。

1.2.3细菌培养与计数 在人工湿地众多微生物种群中，细菌的数量最多，其次是放线菌、真菌，选择细菌作为研究对象。采取直接取出水样做分析。将从湿地模型中采集的水样接种于LB培养基中，涂布分离，28℃恒温培养24 h后进行计数。细菌计数采用平板菌落计数法。检验方法参见GB 4789.2-2010。

LB培养基：蛋白胨10 g，NaCl 5 g，酵母膏（粉）10 g，蒸馏水1 000 mL，1 mol/L NaOH，琼脂10～15 g，pH 7.2～7.4，121.3℃湿热灭菌30 min。

1.2.4数据处理 数据经Excel初步处理，借助SPSS 18.0进行统计分析。

2.结果与分析

2.1试验结果

试验所得的水质监测和细菌培养数据经Excel初步处理后，借助SPSS18.0进行统计分析，得到湿地水质及细菌统计特征值，见表2、图2。空白对照组中污染物的浓度分别为TP 0.36 mg/L、NH3-N1.28 mg/L、COD 38.6 mg/L。

2.2分析

2.2.1细菌数量变化及分析 由图2可知，49 d的培养过程中，细菌数量变化不稳定。其中，整个培养过程中，细菌数量最小值出现在培养的第四十天，为5.500×10⁴CFU/mL；细菌数量最大值出现在培养的第四十八天，为7.790×10⁷CFU/mL。

生活污水注入模拟人工湿地第0天，水样中细菌总数约为3，380×10⁶CFU/mL。之后，水样中的细菌细菌生长进入迟缓期以适应新环境，加之水样中污染物对其生长的影响，水样经模型处理的第一天，细菌数量减少到3.000×10⁵CFU/mL。

随着运行时间的延长，细菌数量不断增加并基本稳定在10⁵-10⁷CFU/mL数量级，说明细菌数量并不是随着运行时间的增加而无限增长繁殖，而是在系统的长期运行过程中逐渐形成了数量和活性比较稳定的生物群落。由于细菌自身生长繁殖特点及其净化水质的功能，导致整个培养过程中，其数量一直处于增长-衰退-增长的循环模式。

2.2.2TP变化及其趋势 TP变化及其去除量变化趋势见图3，可以看出，48 d的培养过程中，人工湿地中TP总体变化呈逐渐减少的趋势，去除量整体呈现减少-增加-减少的波动趋势。TP平均值为0.28 mg/L，水样在未经湿地模型进行处理之前，其TP为0.36 mg，/L，在培养过程中，TP最小值出现在培养的第三十天，为0.21 mg/L。

2.2.3氨氮含量变化及其趋势 图4显示了氨氮的含量变化及其趋势，处理第0天氨氮含量为1.28 mg/L，处理过程中氨氮含量最小值为第四十八天的0.28 mg/L。氨氮含量在处理的第二天大量减少后于第三天突然升高到1.01 mg/L，随后逐渐减少。整体而言，氨氮含量虽出现波动，但总体趋势是逐渐减少。

2.2.4 COD变化及其趋势 由COD变化及其趋势图（图5）可以看出，在处理过程中，COD含量总体呈现不断下降的趋势，这与前人的研究较为相似。其中处理第0天为38.6 mg/L，最小值为14.6 mg/L，平均值为21.2 mg/L，平均值小于初始状态，说明COD的处理效果比较理想。

2.3细菌数量变化与污染物去除率的相关性分析

采用SPSS18.0软件对细菌数量变化和污染物去除率与处理天数进行相关陛分析，结果见表3。

细菌数量与TP去除率之间没有显著性（P>0.05），相关性也很弱（r<-0.3），它们相互之间并未呈现显著的线性相关关系。前人在对基质微生物与净化效果的研究过程中也发现基质中细菌数量与TP去除率的相关性不显著。虽然在污水处理过程中，TP有一定程度的降低，但模拟装置中并未种植植物，因此处理过程中磷的去除主要依靠基质通过吸附、络合、沉淀反应等物理化学作用。水体中的磷能够以磷酸盐的形式沉积在水体底部，与基质相结合形成难以去除的物质，基质的吸附作用在磷的去除过程中占很重要的地位。其中部分细菌将磷作为生长所需而将有机磷和溶解性较差的磷转化为溶解性磷，但由于没有植物吸收，这些被转化的溶解性磷会导致水体磷含量增多的现象。另外，聚磷菌在好氧区吸附了过量的磷，又在厌氧区将这些把磷释放出来，一部分随水流扩散输移返回水体中，另一部分会被基质吸附。

在植被存在时，水体中氮去除的主要途径有反硝化作用和植物的吸收作用。NH₃-N的去除主要是通过氮细菌分解吸收，细菌的活动在TN的去除过程中发挥主要作用。本试验中，细菌数量与TN去除率成显著相关性（P<0.05，r=0.507），说明细菌数量发生变化时对TN的去除率影响较大，氨氮的去除主要是细菌进行硝化、反硝化的结果。已有研究发现有植物的人工湿地对TN的去除明显优于无植物湿地，这是因为反硝化作用的细菌是兼性异养菌，在植物根系较容易生长存活，而无植被状态限制了其生长繁殖，影响了反硝化作用，因此试验中氨氮含量的变化呈现增加-减少的波动。

经相关性分析，水体中的细菌数量与COD去除率显著相关（P<0.01，r=-0.549）。人工湿地对污水中有机污染物去除主要靠基质的过滤和微生物分解，然而基质吸附能力有限，微生物的分解成为有机物去除的主要途径。细菌可以利用COD，起到去除COD的作用。

研究结果提示细菌对TP、NH3-N、COD具不同程度的降解作用，NH3-N、COD的去除率较为可观，TP去除率较低，说明人工湿地系统中，植物、微生物和基质之间相互配合极其重要。

3.结论

通过建立无植物模拟人工湿地，探讨湿地水体中细菌数量与污染物去除的关系。结果表明，模拟人工湿地水体中细菌数量变化不稳定，呈增长一衰退一增长趋势，TP呈逐渐减少趋势，NH₃-N呈增加-减少的波动趋势，COD总体呈不断减少趋势。相关性分析表明，细菌数量与TP变化无显著相关性，与COD变化相关性最显著（P<0.01，r=0.549），与NH₃-N变化相关性显著（P<0.05，r=-0.507）。