废砖与碎石人工湿地系统中微生物分布特征及其脱氮效果的比较研究

王晗阳，刘月敏，杨 阳

（天津城建大学a.环境与市政工程学院；b.天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384）

随着我国农村现代化建设的推进，农村人民生活质量亦不断提升，但与此同时，农村生活污水的排放量也随之增加.据第一次全国污染源普查公报的数据结果可知，我国农业污染源排放的总氮（TN）占排放总量的57.2%，已超过工业污染源，成为我国水环境氮污染的主要来源[1].然而，截止2016年底，我国农村生活污水治理率仅为9.04%，相比城市生活污水的93.44%而言，差距很大[2].相对于传统污水处理技术，人工湿地运行成本低（大约是传统二级污水处理厂的1/10～1/2），操作方便，脱氮效果良好、适用范围广[3-4]，更易于在农村推进实施.

人工湿地中氮污染物的去除方式主要包括植物吸收、基质吸附及微生物代谢[5-6].其中，基质作为人工湿地的重要组成部分，可为植物和微生物提供良好的生长和附着环境[7]，因此，基质的选择对其脱氮效果的提高有着至关重要的作用，成为当前研究的热点.刘慎坦等[8]对比了以碎砖、砾石和细沙配比的组合基质和煤渣基质构成的潜流人工湿地的脱氮效果，结果表明采用组合基质的人工湿地的脱氮效果较好，对总氮（TN）和氨氮（NH4+-N）的去除率达到75.7%和81.9%；葛媛[9]以炉渣和砾石为基质开展了潜流人工湿地对污染物去除的对比研究，结果表明随着湿地运行时间的延长，砾石湿地对总氮（TN）和氨氮（NH4+-N）的去除效果更优.张国珍等[10]采用建筑废砖作为折流式垂直流人工湿地的基质处理二级生化尾水，结果表明废砖可作为系统微生物附着生长的载体，对尾水中污染物的去除有积极作用.

基于前人的研究，笔者综合考虑基质材料的经济性和环境友好性，选取建筑废砖和碎石为基质，构建模拟垂直流人工湿地，比较两种人工湿地处理模拟农村生活污水中氮污染的效果，并研究两种基质内微生物的分布特征，以期为垂直流人工湿地基质选择和处理农村生活污水的氮污染提供理论和数据支撑.

1 材料与方法

1.1 人工湿地装置构建与运行

本实验构建了两个大小和结构相同，容积均为500 L的垂直潜流人工湿地装置（如图1所示）.装置由钢化玻璃制成，长2.0 m，宽1.0 m，高1.2 m.分别采用建筑废砖和碎石作为基质，分为上、中、下三层，下层为承托层.各层所采用的基质粒径分别为0.1～0.5 cm、0.5～1 cm、3～5 cm，厚度分别20 cm、70 cm和10 cm.基质的基本物理性质见表1.人工湿地的进水系统主要由进水泵、转子流量计、布水管等装置构成.其中，布水管设置在湿地装置上方20 cm处，采用转子计控制流量.出水系统则由4个直径5 cm的圆形出水口构成，并设有出水区以收集出水.两种垂直流人工湿地中种植植物均为空心菜，种植密度为30株/m2.

图1 人工湿地装置图

表1 废砖与碎石的基本物理性质

实验共进行了16个周期，每个周期为7 d，自2018年7月24日开始至同年11月16日结束.进水方式均采用间歇进水：水量400 L，水力负荷0.2 m/d，进水时间约为2 h/d，每500 L进水中药品投加量见表2.

表2 进水药品投加量 g

1.2 取样及分析方法

分别在8月、9月、10月和11月的固定日期采集两个湿地系统深度0～20 cm的上层基质和50～60 cm的中层基质，用于测定不同微生物的数量.

称取10 g基质样品，置于装有30粒玻璃球的100 mL无菌水中振荡30 min，制成10-1稀释度的菌悬液，并在无菌条件下稀释成不同的梯度，按微生物在基质中的数量多少选择经过适当稀释的菌悬液接种在相应培养基上培养.细菌、真菌和放线菌的数量采用平板培养法计数；氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的数量采用最大可能数法MPN（most probable number）计数，具体方法参照文献[11].

分别在每个运行周期对进、出水中TN，NH4+-N，NO3--N以及DO（溶解氧）的浓度进行测定，测定方法分别为碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、纳氏试剂光度法和酚二磺酸光度法[12]，DO（溶解氧）浓度采用雷磁便携式多参数分析仪（型号：DZB-712F）测定.

1.3 数据分析及处理

用SPSS 24.0软件进行显著性检验（p＜0.05），用Origin 9.0软件绘图，并采用Canoco 4.5对基质中微生物和出水中TN，NH4+-N和NO3--N的浓度做冗余分析，揭示微生物数量和含氮污染物去除性能间的关系.

2 结果与分析

2.1 人工湿地基质中基质微生物的分布与变化

2.1.1 微生物种群分布及变化

两种基质上、中层内细菌、真菌和放线菌的数量变化如图2所示.

图2 不同湿地系统中不同深度细菌、真菌、放线菌的数量随时间的变化

在所有微生物中，细菌所占比例最高，分别为55%（废砖基质）、52%（碎砖基质）；其次为真菌，放线菌数量最少，这与杜刚[13]等人的研究结果一致.在运行周期内，废砖基质内细菌（见图2a）的平均数量为3.55×1010cfu/g干基质，碎石基质内细菌的平均数量为3.98×1010cfu/g干基质，两种基质内细菌的平均数量无显著差异（p＞0.05）.碎石基质中真菌、放线菌的平均数量分别为2.61×107cfu/g干基质和3.80×105cfu/g干基质（见图2b、2c）；废砖湿地中真菌、放线菌的平均数量分别为6.55×104cfu/g干基质和2.88×105cfu/g干基质，碎石基质中真菌、放线菌的平均数量均显著高于废砖基质（p＜0.05）.从空间分布来看，8月至10月，细菌、真菌以及放线菌在两基质中上层的数量均高于中层，11月之后则相反，这是由于进入11月后，温度下降，上层基质距离空气较近，因而更容易受到温度下降的影响.实验结果说明碎石湿地较废砖湿地而言更有利于真菌及放线菌的附着，但对细菌的附着影响不大.

2.1.2 氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌分布与变化

两种基质上、中层内氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的数量变化如图3所示，废砖基质中氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的平均数量分别为2.82×106cfu/g干基质、9.33×104cfu/g干基质和1.90×104cfu/g干基质；而在碎石基质中，这3种微生物的数量分别为5.01×104cfu/g干基质、1.23×104cfu/g干基质和6.79×102cfu/g干基质.通过独立样本T检验发现，这3种微生物在废砖基质中的数量均显著高于其在碎石基质中的数量（p＜0.05）.在空间分布上，在两种基质上层均存在氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌的数量高于中层的现象，且对于反硝化细菌而言，这一现象则恰好相反.总体而言，废砖较碎石更利于氮代谢微生物的附着和生长.

图3 不同湿地系统中不同深度与氮素代谢相关的微生物数量随时间的变化

2.2 人工湿地中DO质量浓度变化特征

两湿地系统在16个运行周期内DO浓度的变化特征如图4所示.在第9个运行周期两种基质上层和中层的溶解氧质量浓度都有不同程度的降低；在第10个运行周期，湿地各层溶解氧浓度都有不同程度的回升.在第11～16个运行周期内，废砖上层溶解氧质量浓度基本保持不变且维持在一个相对较高的水平（平均质量浓度为0.54 mg/L）；但碎石湿地上层的溶解氧质量浓度则大幅度下降，并低至0.03 mg/L.同时，两种基质中层的溶解氧质量浓度也降至0～0.1 mg/L之间.整体来看，废砖湿地系统上层的溶解氧质量浓度要高于碎石湿地系统，这是由于废砖的微孔体积较碎石大，提高了系统内的氧交换过程（见表1）.

人工湿地氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的空间分布呈现出明显差异（见图3），上层以好氧的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌为优势微生物，中层则以兼性厌氧和厌氧的反硝化细菌为优势微生物，这与基质上层和中层溶解氧浓度的分布规律有关.在人工湿地表面的水体能够更好地和空气接触，从而进行复氧过程，另外，基质上层距离植物根系较近，根部输氧作用强[14]，这也是人工湿地上层溶解氧浓度较高的原因.因而，在人工湿地上层，由于溶解氧水平较高，氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的数量大于反硝化细菌的数量；反之，在垂直流人工湿地中层，溶解氧水平较低，反硝化细菌则更占优势.

图4 湿地系统中不同层次溶解氧质量浓度随时间的变化

2.3 人工湿地的脱氮效果

2.3.1 人工湿地中TN质量浓度的变化规律

在第1～16个运行周期中，两种湿地系统中TN质量浓度的变化规律及去除率如图5所示.进水TN质量浓度在37.52～48.75 mg/L之间波动，废砖湿地的TN去除率呈下降趋势，从第1个运行周期的75.36%降至第16个运行周期的35.75%.在1～7个运行周期中，废砖为基质的垂直流人工湿地对TN的去除率较高，平均去除率维持在75%以上，最高可达83%.而在第8～13个运行周期中，由于环境温度的下降，废砖人工湿地去除率下降至64%左右.在第14～16个运行周期（10月中下旬至11月中旬），出水TN质量浓度显著升高，平均出水质量浓度达到27.91 mg/L，去除率急速下降，降低至41%以下.造成人工湿地系统的TN去除率呈现阶段下降趋势的原因推测如下：在第14～16个运行周期（10月中下旬至11月中旬），受季节影响，部分植物呈枯落状态，腐败的落叶会向水中释放氮素[15]；同时受温度影响，基质内微生物数量下降（见图3），致使系统内对TN的去除效果降低.

与废砖人工湿地相比，碎石人工湿地的TN去除率则较低，除第1、2和第11个运行周期外，在其余运行周期，TN去除率一直低于50%，出水TN质量浓度均在20 mg/L以上.废砖湿地整个实验周期的TN平均去除率为66.04%显著高于碎石湿地的45.09%（p＜0.05），这与湿地基质中氮代谢微生物的数量及分布结果相吻合.结果表明，废砖湿地较碎石湿地而言，对TN的去除能力更优.

图5 湿地系统中TN进出水质量浓度及去除率变化

2.3.2 人工湿地中NH4+-N和NO3--N质量浓度的变化规律

在第1～16个运行周期中，以废砖和碎石为基质的人工湿地对NH4+-N去除性能如图6所示.运行期间进水的NH4+-N质量浓度维持在35.02～42.98 mg/L.在第1～12个运行周期内，废砖人工湿地对NH4+-N的平均去除率为83.75%，出水NH4+-N质量浓度均在10.00 mg/L以下，表明废砖人工湿地系统对污水中NH4+-N去除效果良好且维持度高.但在第13～16个运行周期（10月中旬至11月中旬），随着温度的下降，植物供氧能力不断下降，造成人工湿地内部溶解氧不足，因而致使氨氮去除率下降.此外，由于NH4+-N的去除主要依靠氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌在氧气作用下将其氧化为NO2--N、NO3--N，但是由于温度的下降，造成氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌数量的降低，这也导致了NH4+-N去除性能的恶化.

碎石湿地对于NH4+-N的去除效率整体上呈下降趋势，且去除效果不稳定.在第1～8个运行周期内，碎石人工湿地对NH4+-N的去除效率略低于废砖人工湿地，平均去除率在69.71%.在第9～16个运行周期，碎石人工湿地对NH4+-N去除率在50%水平上下波动且呈下降趋势.对两种湿地的NH4+-N去除率做独立样本T检验，发现废砖湿地（平均去除率75.63%）显著高于碎石湿地（平均去除率60.93%）（p＜0.05）.

图6 湿地系统中NH4+-N进出水质量浓度及去除率变化

以废砖和碎石为基质的人工湿地中进出水NO3--N质量浓度的变化规律如图7所示.结果表明，两种人工湿地中出水NO3--N质量浓度均高于进水质量浓度.这是由于NH4+-N经硝化作用而被转化为NO3--N，同时反硝化过程由于有机物的缺乏以及温度降低导致了反硝化细菌数量的下降（见图3），基于以上原因造成反硝化不彻底，并最终导致硝化过程产生的NO3--N不能被完全去除.

图7 湿地系统中NO3--N进出水质量浓度随时间的变化

2.3.3 人工湿地的微生物与出水中TN，NH4+-N和NO3--N浓度的冗余分析

通过冗余分析（redundancy analysis，RDA），揭示氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌、反硝化细菌数量和两种人工湿地出水中TN，NH4+-N和NO3--N浓度之间的关系，结果如图8所示.第一轴（RDA1）和第二轴（RDA2）对于整体信息的解释率分别达到74.8%和17.3%，说明排序结果可信，微生物能够显著影响人工湿地对污水的脱氮效果（p＜0.05）.

排序结果表明，TN和NH4+-N出水浓度与氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）、反硝化细菌（DNB）负相关，这是由于氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的“硝化-反硝化”作用会消耗进水中的TN和NH4+-N[16]，使其出水浓度下降.相关研究表明，人工湿地系统通过微生物的“硝化-反硝化”作用对氮的去除量占全部去除量70～80%[17]，说明氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的数量是影响TN和NH4+-N去除的关键因素，这与本次实验结果一致.NO3--N出水浓度与氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）正相关，与反硝化细菌（DNB）负相关，这是因为氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的硝化作用产生NO3--N[16]，使其出水浓度上升，而人工湿地中NO3--N的去除则主要依赖人工湿地中反硝化细菌的作用[18].另一方面，TN和NH4+-N出水浓度与真菌（fungi）、放线菌（actinomyces）呈正相关，说明其含量越高反而越不利于TN和NH4+-N的去除，这是由于真菌和放线菌会和与氮素代谢相关的微生物竞争生长环境，且一些好氧的真菌和放线菌会与氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌竞争氧气而不利于后者的生长，进而影响湿地的脱氮作用.废砖湿地集中（除11月，即图8中A11以外）排列在一、四象限，含氨氧化细菌、硝化细菌、反硝化细菌较多，说明废砖湿地较碎石湿地含有数量更高的与氮素代谢相关的微生物，有利于TN和NH4+-N的去除；而碎石湿地则含有更多的真菌和放线菌，一定程度上影响了氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的附着，从而影响了TN和NH4+-N的去除.

图8 两种湿地内关键微生物与出水含氮量的冗余分析

3 结论

（1）废砖基质较碎石基质含有更高数量的氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌，碎石基质较废砖基质含有更多的真菌和放线菌，对于细菌的数量而言两种基质无显著差异.

（2）废砖湿地对于TN和NH4+-N的去除率均显著高于碎石湿地，对于NO3--N而言，由于两湿地中反硝化细菌数量在运行中后期减少的原因，致使硝化过程产生的NO3--N不能完全去除.

（3）冗余分析表明，TN和NH4+-N的去除主要依赖基质中的氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌，因而含有这3种微生物数量更多的废砖湿地较碎石湿地而言对于TN和NH4+-N的去除效果更优.