生物转盘+表面流人工湿地对北亚热带秋冬季节受污染河水强化处理效果研究

刘茂林，肖盛柏，邓筱悦，梁银坤，陈玉成,4，黄 磊,4①

(1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.重庆大学环境与生态学院，重庆 400030；3.三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400716；4.农村清洁工程重庆市工程研究中心，重庆 400716)

近年来，随着城市化进程加快，大量生活污水、工业废水和径流污染直接排入城市河流中，导致水体自净能力降低，生态功能逐渐丧失，水环境恶化，引发了一系列水安全问题[1]。目前，我国对污染河流治理的新理论和新技术正在不断发展和完善。人工湿地具有低成本、易运行和管理方便等优点，因此成为治理河流污染的优先选择[2]。其中，表面流人工湿地(FWSCWs)技术被广泛应用于处理河流污染问题[3-4]。然而，FWSCWs净化效果易受温度影响，在秋冬季节，温度较低，植物生长缓慢、易腐烂，微生物活性降低，导致污染物净化效果较差[5]。有研究[6]表明，在秋冬季节，FWSCWs对北亚热带受污染河水中氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)和高锰酸盐指数的去除率仅为23.5%、10%和15%。针对FWSCWs秋冬季节污染物去除效果较差的问题，左倬等[7]采用延长水力停留时间(HRT)、保温、湿地植物收割管理和错峰进水等措施，以提高FWSCWs在冬季对污染物的去除效果，但作为黑臭水体治理的重要管控指标NH4+-N，其去除率也仅从26%上升到41%。

秋冬季节人工湿地运行效果不稳定，NH4+-N去除效果差仍是FWSCWs技术有待解决的难题。生物转盘(RBCs)具有良好的保温效果，能提供好氧-缺氧交替的氧环境条件，实现较好的污染物去除效果，且冬季运行效果稳定[8]。因此，以规模化河水净化湿地工程为基础，探究“生物转盘+表面流湿地”组合工艺(简称组合工艺)在秋冬季节对受污染河水的净化效果，明晰微生物群落结构与污染物去除之间的关系，以期为城市污染河水治理和管控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

梁滩河位于重庆市主城区，全长为88 km，其中，九龙坡段长21.4 km，流域面积为144.7 km2，年均流量为6.7 m3·s-1，是重庆市主城区内第3大次级支流。近年来，受工业废水与城镇污水的综合影响，梁滩河河水污染严重，水质为劣Ⅴ类。因此，2017年12月建成了梁滩河污染治理工程，对受污染河水进行修复。该工程位于重庆市九龙坡区含谷镇，工程平面设计见图1。

1.2 组合工艺介绍

工艺流程：组合工艺主要由提升泵站、生物转盘和表面流人工湿地组成。受污染河水经泵站提升后依次流经生物转盘和表面流人工湿地，处理完成后排出。

设计参数：组合工艺处理规模为30 000 m3·d-1。提升泵设置4台(3用1备)，每台流量Q=450 m3·h-1，功率为25 kW。生物转盘分6组并联，每组由7台串联组成，共计42台，由重庆川仪环境科技有限公司设计生产。单台RBC长6.22 m，盘片数为279片，盘片直径为2 m，盘片面积为1 750 m2，盘片浸没率为40%，转速为2.4 r·min-1，有效水深为1.0 m，接触反应槽容积为7.5 m3，由功率为2.2 kW的电动机驱动，HRT约为1.4 h。FWSCWs面积为16 300 m2，共分为2级，2级之间跌水0.1 m，水深为0.5 m。第1级种植再力花(3丛·m-2，10株·丛-1，种植面积为7 290 m2)，第2级种植旱伞草(9丛·m-2，10～30株·丛-1，种植面积为7 910 m2)。湿地基质由下向上依次为地基层、河沙层(厚200 mm)、防水层(由≥200 g·m-2的无纺土工布和防水卷组成)、种植土层(厚450 mm)和平均粒径为25 mm的碎石层(厚150 mm)，湿地HRT为6.25 h。湿地植物于每年11—12月收割。

1.3 样品采集与测定

1.3.1水样采集与测定

试验期为2019年9月—2020年1月，每周采集水样(如遇恶劣天气顺延)，每次采样时间固定为10:00—12:00，试验期间共计采样11次，采样期间气温为11.4～28.0 ℃，水温为11.6～23.2 ℃，平均水温为16.6 ℃。共设置3个采样点，分别为河水(S1)、生物转盘出水口(S2)和表面流人工湿地出水口(即组合工艺出水，S3)。NH4+-N、亚硝态氮(NO2--N)、硝态氮(NO3--N)、TN和总磷(TP)浓度均按照标准方法[9]进行测定，化学需氧量(COD)、pH和电导率(EC)分别采用COD测定仪(DR 1010，Hach，美国)、便携式pH计(PB-10，Sartorius，德国)和便携式电导率仪(FiveGo，METTLER TOLEDO，瑞士)测定，温度和溶解氧(DO)浓度采用溶解氧仪(Pro ODO，YSI，美国)测定。

S1、S2和S3为采样点。

1.3.2微生物测定分析

试验设置2个微生物采样点，分别位于生物转盘盘片(1#)和表面流人工湿地种植土层(2#)。随机选择生物转盘用毛刷轻轻刷取盘片上的生物膜，在各表面流人工湿地随机采集种植土层10 cm深处根际土壤，分别采用无菌聚乙烯袋收集带回，然后将其转移至灭活离心管，置于离心机(CT18RT，天美，中国)，在4 ℃和10 000 r·min-1(相对离心力为11 400)条件下离心10 min，离心后用磷酸缓冲液(pH=7.4)洗涤2次，再于相同条件下离心10 min，回收污泥样品后委托上海美吉生物医药科技有限公司进行Illumina MiSeq高通量测序，测序类型为细菌16S rRNA V3～V4区，引物名称为338F_806R(338F序列为5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′，806R序列为5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)，测序平台采用MiSeq PE300测序仪(Illumina，美国)。

1.4 数据分析

污染物去除率(R)和构筑物对污染物去除的贡献(I)计算公式分别为

R=(1-Cout/Cin)×100%，

(1)

I=[(Cout,i-Cin,i)/(Cout-Cin)]×100%。

(2)

式(1)～(2)中，Cin和Cout分别为组合工艺进、出水污染物浓度，mg·L-1；Cin,i和Cout,i分别为第i个构筑物进、出水污染物浓度，mg·L-1。

水样测定采用3次平行试验，试验数据采用Excel 2013和SPSS 20.0软件进行分析，数据以平均值±标准差形式表示，同时数据间差异性分析采用one-way ANOVA进行检验。基于美吉生物生信云平台对97%相似水平下的操作分类单元(OTU)进行生物信息统计分析，以获得基础数据。采用Origin 9.1软件对数据进行整理并作图。

2 结果与讨论

2.1 组合工艺运行效果

2.1.1ρ(DO)、EC和pH沿程变化特征

如图2所示，河水经过生物转盘后ρ(DO)升高2.76 mg·L-1，主要是由于生物转盘转动过程中污染河水与空气充分接触，有利于复氧过程[10]。由于湿地植物和微生物的生命活动消耗DO，河水流经湿地后ρ(DO)降低1.32 mg·L-1[11]。处理过程中，EC沿程逐渐降低，且在各取样点之间存在显著差异(P<0.05)，这与水体中铵根离子等带电离子[12]的去除有关。组合工艺中，pH范围为7.61～7.78，适宜的pH有利于微生物和植物生长代谢，促进污染物降解和去除。

箱体上下线表示上下四分位数；箱中横线表示中位数；箱中方框表示均值；线段上下星号表示最大值和最小值。 S1、S2和S3分别位于治理工程入水口、生物转盘出水口和表面流人工湿地出水口。

2.1.2组合工艺对污染物的去除效果

如图3所示，组合工艺进水ρ(NH4+-N)为1.41～3.82 mg·L-1，出水为0.15～0.83 mg·L-1，出水水质达到Ⅲ类标准，平均去除率为83.83%。表明组合工艺能够实现秋冬季节对NH4+-N的高效去除，有效解决在秋冬季节传统工艺对NH4+-N去除效果差的问题。

S1、S2和S3分别位于治理工程入水口、生物转盘出水口和表面流人工湿地出水口。

组合工艺进水ρ(TN)平均为5.66 mg·L-1，出水为4.44～7.21 mg·L-1，平均去除率为3.32%，去除效果不明显。这主要是由于COD较低，无法为反硝化提供充足碳源，且反硝化细菌在秋冬季节受到温度限制，活性降低，导致反硝化速率降低[13]。同时，秋冬季节植物地上部分收割也会导致湿地对氮素污染物吸收能力快速下降，最终导致TN去除率降低。

组合工艺进水ρ(TP)为0.42～0.82 mg·L-1，出水为0.39～0.59 mg·L-1，去除率为2.27%～30.22%，平均去除率为11.09%，组合工艺对磷的去除效果较差。其中，生物转盘对磷的去除贡献仅为14.29%，其原因是生物转盘不具备微生物除磷的好氧厌氧环境，而工艺中磷的去除主要依靠人工湿地的基质吸附、植物吸收和微生物同化作用。但在低温条件下，人工湿地基质对磷的吸附能力有所减弱[14]，冬季植物地上部分被收割后植物对磷的吸收能力下降[15]，微生物的同化作用也受低温影响有所下降，因此在秋冬季节湿地对TP的去除效果不佳，导致在秋冬季节组合工艺对TP的去除也受到限制。

组合工艺进水COD为29.00～54.00 mg·L-1，出水为26.50～43.00 mg·L-1，平均去除率为20.52%，基本达到地表水Ⅴ类标准。由于进水COD较低，影响了生物生化作用的正常发挥，从而限制了组合工艺对COD的去除效能。

2.1.3含氮污染物沿程变化特征

如图4所示，河水经过RBCs后，ρ(NH4+-N)由2.54 mg·L-1降低至0.41 mg·L-1，大量NH4+-N在RBCs中通过好氧硝化反应被去除，RBCs对NH4+-N的平均去除率为83.8%。这主要是由于RBCs较好的复氧能力有利于硝化过程进行。

S1、S2和S3分别位于治理工程入水口、 生物转盘出水口和表面流人工湿地出水口。

同时，RBCs能够有效保持水温，RBCs内水温较FWSCWs更高，保证了秋冬季节较好的NH4+-N去除效果。经过FWSCWs后，水中ρ(NH4+-N)升高0.04 mg·L-1，增加的NH4+-N主要来自于植物，冬季湿地植物收割后，残留的枯枝败叶和水下死亡根系的腐败会释放氮素污染物[16]。

经过RBCs后，水中ρ(NO3--N)由1.79 mg·L-1升高至4.01 mg·L-1，NO3--N浓度的激增主要来源于RBCs中强烈的硝化反应。经过FWSCWs后，通过反硝化作用，ρ(NO3--N)降低0.22 mg·L-1。FWSCWs对NO3--N的去除效果有限，主要是由于低温季节植物和微生物对NO3--N的吸收同化作用较弱，而河水中较高的DO浓度和较低的COD，不利于反硝化作用进行，导致NO3--N去除较低。整个处理过程中，ρ(NO2--N)为0.10～0.35 mg·L-1，始终处于较低水平。

2.2 微生物种群结构特征

组合工艺中微生物在门水平下的群落组成见图5，2个构筑物优势菌门相对丰度存在较大差异。其中，RBCs中优势菌门相对丰度分别为32.69%〔变形菌门(Proteobacteria)〕、22.88%〔绿弯菌门(Chloroflexi)〕、22.17%〔硝化螺旋菌门(Nitrospirae)〕、7.64%〔放线菌门(Actinobacteria)〕和5.62%〔厚壁菌门(Firmicutes)〕，FWSCWs中变形菌门、绿弯菌门、放线菌门、厚壁菌门和酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度分别为48.52%、11.09%、12.78%、7.58%和7.89%。其中，变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门与碳循环有关，能够降解有机物；绿弯菌门、放线菌门和硝化螺旋菌门包括大量具有硝化功能的微生物，具有较强的硝化能力；变形菌门和拟杆菌门主要参与反硝化过程[17-22]。

2个构筑物中微生物在属水平下的群落组成见图6。在秋冬季节，组合工艺中存在的优势菌属包括硝化螺旋菌属(Nitrospira)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、红杆菌属(Rhodobacter)、乳杆菌属(Lactobacillus)、芽孢杆菌属(Bacillius)、β-变形菌纲脱氯菌属(Dechloromonas)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、丛毛单胞菌属(Comamonas)和不动杆菌属(Acinetobacter)等。其中，亚硝化单胞菌属和硝化螺旋菌属分别参与亚硝化和硝化过程，不动杆菌属、红杆菌属、芽孢杆菌属、β-变形菌纲脱氯菌属和丛毛单胞菌属等参与反硝化过程[23-27]。

RBCs中亚硝化单胞菌属和硝化螺旋菌属相对丰度分别为2.69%和22.16%，显著高于FWSCWs中的0.06%和0.62%。亚硝化单胞菌属和硝化螺旋菌属分别为氨氧化菌(NOB)和亚硝酸盐氧化菌(AOB)中的主要菌属[28]。AOB能将NH4+-N转化为NO2--N，而NOB能将NO2--N转化为NO3--N，这解释了NH4+-N主要在RBCs中通过亚硝化反应去除，但RBCs中无明显NO2--N积累的现象。值得注意的是，在秋冬季节，RBCs中硝化螺旋菌属相对丰度依然能达到22.16%。这主要是由于RBCs具备一定保温能力，同时复氧条件和复氧手段温和，比较适合硝化螺旋菌属生存。RBCs中硝化螺旋菌属较高的相对丰度确保了在秋冬季节该工艺对NH4+-N的高效去除，有效解决了在秋冬季节传统工艺对NH4+-N去除效果不佳的问题。

1#和2#分别位于生物转盘盘片和表面流人工湿地种植土层。

1#和2#分别位于生物转盘盘片和表面流人工湿地种植土层。

在FWSCWs中β-变形菌纲脱氯菌属和丛毛单胞菌属相对丰度分别为0.73%和0.48%，显著高于RBCs中的0.04%和0.21%，说明秋冬季节反硝化菌在FWSCWs中优势分布明显。因此，在秋冬季节FWSCWs对TN的平均去除率高于RBCs，具有更好的反硝化功能。

3 结论

(1)在秋冬季节，“生物转盘+表面流湿地”组合工艺对NH4+-N、TN、TP和COD的去除率分别为83.83%、3.32%、11.09%和20.52%，对NH4+-N去除效果最好。工艺出水NH4+-N浓度达到Ⅲ类标准，出水COD达到Ⅴ类标准。RBCs转盘的增氧保温作用为NH4+-N和COD的有效去除提供保障。

(2)通过生物-生态耦合，河水中大量NH4+-N在生物转盘中通过硝化作用转化为NO3--N，少量NO3--N在表面流人工湿地中通过反硝化反应被去除，整个过程NO2--N浓度维持在较低水平。

(3)生物转盘中硝化功能菌主要包括亚硝化单胞菌属和硝化螺旋菌属，其相对丰度分别为2.69%和22.16%，能保证硝化作用的正常进行，确保NH4+-N的高效去除。表面流人工湿地则主要进行反硝化反应。