潜流式人工湿地中农村生活污水处理设施尾水的微生物特性

陈曙平 卢原 张文艺 李乔 吴科 吴金海 金林飞

陈曙平，卢 原，张文艺，等. 潜流式人工湿地中农村生活污水处理设施尾水的微生物特性［J］. 湖北农业科学，2024，63（2）：219-223．

摘要：农村生活污水经A1/O1/A2/O2设施处理后流入潜流式人工湿地（简称人工濕地），为揭示其生物降解特性，通过脲酶活性和微生物扩增子测序对人工湿地微生物特性进行分析。结果表明，人工湿地进水处的脲酶活性高于出水处的脲酶活性，出水处的脲酶活性与总氮去除率呈显著正相关，出水处脲酶活性越高，总氮的去除效果越好；微生物扩增子测序表明，人工湿地的优势菌门有变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes），由进水处到出水处变形菌门和拟杆菌门相对丰度分别下降8.41个百分点和12.14个百分点，厚壁菌门上升12.91个百分点；人工湿地进水处、出水处脱氮菌属含量较大，相对丰度分别为20.51%、14.18%，其中，具有异养硝化反硝化功能的菌属也相对丰富，分别为8.54%、7.44%。

关键词：A1/O1/A2/O2；潜流式人工湿地；农村生活污水处理设施；尾水；微生物；脲酶活性；微生物扩增子测序

中图分类号：X703         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）02-0219-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.033 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Microbial characteristics of tailwater from rural domestic sewage treatment facilities in subsurface constructed wetlands

CHEN Shu-ping1，LU Yuan1， ZHANG Wen-yi2，LI Qiao2，WU Ke3， WU Jin-hai3，JIN Lin-fei3

（1. Changzhou Yurun Water Co.， Ltd.， Changzhou  213164，Jiangsu，China； 2. School of Environmental and Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou  213164，Jiangsu，China； 3. Jiangsu KTE Group Co.， Ltd.， Changzhou  213102，Jiangsu，China）

Abstract： Rural domestic sewage was treated by A1/O1/A2/O2 facilities and flowed into the subsurface constructed wetland （abbreviated as constructed wetland）. To reveal its biodegradation characteristics， the microbial characteristics of constructed wetland were analyzed through urease activity and microbial amplicon sequencing. The results showed that the urease activity at the inlet of the constructed wetland was higher than that at the outlet. The urease activity at the outlet was significantly positively correlated with the total nitrogen removal rate. The higher the urease activity at the outlet， the better the total nitrogen removal effect；microbial amplicon sequencing showed that the dominant bacterial phyla in constructed wetland were Proteobacteria， Bacteroidetes， and Firmicutes. The relative abundance of Proteobacteria and Bacteroidetes decreased by 8.41 percentage points and 12.14 percentage points respectively from the inlet to the outlet， while Firmicutes increased by 12.91 percentage points； the content of denitrifying bacteria in the inlet and outlet of the constructed wetland was relatively high， with relative abundances of 20.51% and 14.18%， respectively. Among them， the bacteria with heterotrophic nitrification and denitrification functions were also relatively abundant， with 8.54% and 7.44%， respectively.

Key words： A1/O1/A2/O2； subsurface constructed wetland； rural domestic sewage treatment facilities； tailwater； microorganisms； urease activity； microbial amplicon sequencing

隨着农村人民生活水平的提高，用水量节节攀升，导致农村污水的排放量逐年增加，然而中国对农村污水排放的治理能力并不突出^［1］。江苏省太湖流域陆续建立分散式农村生活污水处理设施并投入运行，一定程度上缓解了农村污水污染。众多分散式农村生活污水处理设施中，地埋式A/O一体化+人工湿地（景观植物）污水处理工艺占比最大（约70%），张亚平等^［2］通过近半年的连续跟踪检测，认为该工艺处理后的农村生活污水中COD、总氮、NH₄⁺-N的出水浓度只有部分达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，总磷出水效果仍不太理想。人工湿地的处理系统主要借助物理、化学、生物三重作用，对污泥污水实现较高程度净化，其中包括过滤吸附、共沉、植物吸收、离子交换及微生物降解等方式^［3，4］。污水经湿地处理后，可用于灌溉、畜产、造纸原材料、建材原材料、渔业水产等^［5］。在湿地的处理系统中，微生物主要是降解废水中有机物，是净化污水的核心因素^［6］。

针对太湖流域污水高标准排放要求，潜流式人工湿地（简称人工湿地）常用来深度处理（消纳）缺氧池1/好氧池1/缺氧池2/好氧池2（A1/O1/A2/O2）排放的尾水^［2］。本研究通过脲酶活性和微生物扩增子测序技术，解析人工湿地消纳设施尾水的生物降解特性，揭示功能菌群对污染物的去除规律和微生物群落特征，以期为深度消纳分散式农村污水处理设施尾水的人工湿地运行管护提供技术支持。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验装置由集水池、A1/O1/A2/O2反应器、垂直潜流式人工湿地组成，工艺流程如图1所示。人工湿地由配水槽、湿地处理区和出水收集区组成，长为1 m、宽为0.6 m、高为0.65 m，湿地基质从下到上由不同粒径、不同厚度的砾石、红砖碎块、钢渣、陶粒和土壤构成，湿地种植茭白、梭鱼草、黑麦草等根系较发达的植物。

1.2 组合工艺的运行

好氧池溶解氧控制在3 mg/L左右，缺氧池溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L，对缺氧池定期进行搅拌，污泥回流比在80%左右，不设内回流，水温为25.0～36.5 ℃，在最佳水力停留时间下运行。其运行情况如表1所示，各化学指标的去除率如表2所示。

1.3 分析方法

1）脲酶活性。7—11月对人工湿地进、出水位置设置采样点，采样深度为10 cm，采用苯酚钠-次氯酸钠比色法（T/NAIA 011—2020）测定湿地土壤脲酶活性。

2）高通量测序。试验装置运行3个月后，分别在湿地进水口植物根系的不同深度采集土壤，处理后送上海天昊生物科技有限公司完成微生物扩增子测序。

2 结果与分析

2.1 湿地脲酶活性分析

湿地脲酶活性与总氮去除率显著正相关，脲酶活性可作为判断湿地脱氮效能的一个重要指标^［7］。表3为不同水力停留时间（HRT）的人工湿地脲酶活性，在相同温度下，HRT的改变对进水处湿地植物根区土壤脲酶活性影响较小，出水处土壤脲酶活性随HRT的降低呈下降趋势，说明随着HRT的降低，湿地脱氮效能有所降低。

2.2 Alpha多样性指数分析

Chao1和ACE指数是用来估计群落中含有OTU数目的指数，Chao1和ACE指数越大，表明群落的丰富度越高。由表4可知，Chao1、ACE、Shannon、Simpson指数的大小均为人工湿地出水处土壤>进水处土壤，表明人工湿地的出水处微生物丰富度及多样性大于进水处。

2.3 门分类的微生物群落物种及其相对丰度分析

由图2可知，湿地进水处相对丰度>1%的菌门有Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）和Planctomycetes（浮霉菌门），分别占比39.17%、21.11%、14.61%、6.21%、5.55%、3.87%、3.83%；变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门在人工湿地进水处为优势菌门。湿地进水处土壤中的各种菌门也广泛存在于湿地出水处土壤，变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门依然是优势菌门，但变形菌门和拟杆菌门相对丰度分别下降至30.76%和8.97%，而厚壁菌门相对丰度则上升至27.52%，这与进水处相对丰度有显著差异。

变形菌门和拟杆菌门在人工湿地中均属于最优势菌门，且变形菌门在生态沟渠中的相对丰度占比最大（66.08%）。变形菌门是细菌中最大的一类，其所包含的许多菌种不仅能够降解有机物，而且还具有硝化反硝化能力^［8］；拟杆菌门和厚壁菌门中的许多微生物也都具有反硝化作用^［9］；绿弯菌门有助于降解有机污染物^［10］。硝化螺旋菌门（Nitrospirae）能够将亚硝酸盐转变为硝酸盐^［11］，对脱氮具有重要作用，从测序数据来看，虽然人工湿地中的硝化螺旋菌门相对丰度含量只有0.18%，但人工湿地依然保持着较好的脱氮效率，这是因为人工湿地中存在大量的同时具有异养硝化反硝化的菌群。

2.4 属分类的微生物群落物种及其相对丰度分析

由图3可知，人工湿地进水处土壤中相对丰度>1%的菌属依次有Clostridium_sensu_stricto（梭状芽胞杆菌属）、Flavobacterium（黄杆菌属）、Pseudomonas（假单胞菌属）、Novosphingobium（新鞘氨醇杆菌属）、Enterobacter（肠杆菌属）、Acidobacterium（酸杆菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）、Terrimonas（好氧反硝化菌属）、Acinetobacter（不动杆菌属）、Cloacibacterium（黄杆菌属）、Lysobacter（溶杆菌属）、Ferruginibacter（反硝化聚磷菌属）和Adhaeribacter（土黏结杆菌属），占比分别为4.13%、3.76%、3.31%、3.29%、3.07%、2.93%、2.89%、2.52%、2.31%、1.87%、1.44%、1.42%和1.20%。其中，梭状芽胞杆菌属、黄杆菌属和假单胞菌属是人工湿地进水处的优势菌属；出水处土壤中相对丰度>1%的菌属依次有梭状芽胞杆菌属、芽孢杆菌属、酸杆菌属、溶杆菌属、假单胞菌属、Paenibacillus（类芽孢杆菌属）、Gaiella（芽单孢菌属）、好氧反硝化菌属、新鞘氨醇杆菌属和肠杆菌属，分别占比为12.55%、5.44%、3.27%、1.53%、1.50%、1.46%、1.40%、1.29%、1.22%和1.16%。其中，梭状芽胞杆菌属是出水处的优势菌属。

人工湿地的进水处、出水处主要菌属相对丰度差别较大，如梭状芽胞杆菌属进水处相对丰度为4.13%，出水处相对丰度为12.55%，黄杆菌属进水处相对丰度为3.76%，出水处相对丰度为0.786%。梭状芽胞杆菌属大部分为厌氧微生物，除梭状芽胞杆菌属外，还有地杆菌（Geobacter）和雷尔氏菌（Ralstonia）2种铁还原微生物，分别占比0.18%和0.08%，它们不仅能够促进根际有机质代谢分解，还能够保证植物根系健康生长、适应淹水环境、促进营养元素的吸收和维持根际酸碱平衡。黄杆菌属属于拟杆菌门的黄杆菌科，一般为兼性厌氧菌，可以发生异化性硝酸盐还原作用^［12］，说明人工湿地中存在反硝化作用，且黄杆菌能有效降解有机物。此外，优势菌属芽孢杆菌属类属于厚壁菌门微生物，不仅具有降解COD_cr的功能，还同时具有异养硝化和反硝化的功能^［13］，对于处理生活污水的有机物和氮素具有重要作用。在人工湿地中还存在与芽孢杆菌属具有同样作用的优势菌属假单胞菌属，这对于湿地降解污染物也起到重要作用。溶杆菌属隶属兼性厌氧，是一种化能有机营养型细菌，可以利用碳源并且具有还原硝酸盐的作用^［14］。好氧反硝化菌属属于拟杆菌门的泉发菌科，是一种严格好氧的革兰氏阴性菌^［15］，能还原硝态氮，发生反硝化作用，对于湿地脱氮有重要意义。此外，节杆菌属（Arthrobacter）、拟杆菌属（Ohtaekwangia）等也具有脱氮、去除有机物的功能^［16］。

2.5 脱氮菌属分析

由表5至表8可知，人工湿地进水处、出水处具有脱氮功能的菌属相对丰度分别为20.51%、14.18%。其中，异养硝化反硝化菌属的相对丰度分别为8.54%、7.44%。研究发现异养硝化反硝化菌不但能完成有机氮和无机氮（氨氮）的硝化过程^{［17，18］}，而且这些异养菌可以在缺氧或好氧条件下进行反硝化，使得硝化和反硝化能够在时间上统一，而且硝化作用生成的产物可直接被反硝化细菌利用，从而避免了硝酸、亚硝酸积累对硝化反应的抑制，有利于加速氮去除进程，同时反硝化过程产生的氢氧根离子可以补充硝化过程所消耗的碱，维持系统的酸碱平衡。

3 小结

1）人工湿地进水处的脲酶活性高于出水处的脲酶活性，出水处的脲酶活性与总氮的去除有关，出水处脲酶活性越高，总氮的去除效果越好。

2）人工濕地的主要优势菌门有变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门，由进水处到出水处，变形菌门和拟杆菌门相对丰度分别下降了8.41个百分点和12.14个百分点，厚壁菌门则上升了12.91个百分点。

3）从属分类水平分析得出，人工湿地进水处、出水处脱氮菌属含量较大，相对丰度分别为20.51%、14.18%，其中，具有异养硝化反硝化功能的菌属也相对丰富，分别为8.54%、7.44%。

参考文献：

［1］ 张 燕. 农村生活污水治理问题及对策分析［J］. 当代化工研究， 2022（4）： 57-59.

［2］ 张亚平，王海芹，印 杰，等. 太湖流域农村生活污水处理技术模式调查和分析——以江苏省为例［J］. 农业资源与环境学报， 2017， 34（5）： 483-491.

［3］ 赵亚芳，白华清，孙 政. 人工湿地在污水处理中的应用案例及常见问题探讨［J］. 净水技术， 2022， 41（5）： 53-61.

［4］ 周日宇，张弘弢，周明罗，等. 垂直潜流人工湿地对农村污水的净化及微生物群落［J］. 安全与环境学报，2022，22（6）：3439-3447.

［5］ 王小国. 人工湿地污水处理系统中的微生物特性研究进展［J］. 河南科技， 2015（16）： 106-109.

［6］ 赖巧晖，张 浩，刘治鹏. 不同植物配置下人工湿地微生物群落特征及其影响因素［J］. 水土保持研究，2019，26（5）：89-94，99.

［7］ 陈 杰，陈 婕，王逸超，等. 耕作型稻田消纳村庄生活污水及其土壤脲酶活性研究［J］. 湖北农业科学， 2021， 60（10）： 33-37.

［8］ YE L， SHAO M F， ZHANG T， et al. Analysis of the bacterial community in a laboratory-scale nitrification reactor and a wastewater treatment plant by 454-pyrosequencing［J］. Water research，2011， 45（15）： 4390-4398.

［9］ ZUMFT W G. Cell biology and molecular basis of denitrification.［J］. Microbiology and molecular biology reviews，1997， 61（4）： 533-616.

［10］ WANG Q H， FENG C P， ZHAO Y X， et al. Denitrification of nitrate contaminated groundwater with a fiber-based biofilm reactor.［J］. Bioresource technology， 2009， 99（7）： 2223-2227.

［11］ LIU H， ZHU L， TIAN X， et al. Seasonal variation of bacterial community in biological aerated filter for ammonia removal in drinking water treatment［J］. Water research，2017，123： 668-677.

［12］ WANG Q， FENG C， ZHAO Y， et al. Denitrification of nitrate contaminated groundwater with a fiber-based biofilm reactor［J］. Bioresource technology， 2009， 100（7）： 2223-2227.

［13］ 梁书诚，赵 敏，卢 磊，等. 好氧反硝化菌脱氮特性研究进展［J］. 应用生态学报. 2010， 21（6）： 1581-1588.

［14］ 曾 妮. 污水处理厂微生物群落结构及胞外聚合物组分分析［D］.重庆： 重庆大学， 2015.

［15］ 葛 辉. 异养硝化与好氧反硝化细菌的筛选、培养及综合除氮研究［D］. 江苏苏州： 苏州科技学院， 2011.

［16］ 李 平，张 山，刘德立. 细菌好氧反硝化研究进展［J］. 微生物学杂志， 2005， 25（1）： 60-64.

［17］ 王永刚，王 旭，张俊娥，等. 好氧反硝化细菌研究及应用进展［J］. 工业水处理， 2017， 37（2）： 12-17.

［18］ PATUREAU D， ZUMSTEIN E， DELGENES J P， et al. Aerobic denitrifiers isolated from diverse natural and managed ecosystems［J］. Microbial ecology， 2000， 39（2）： 145-152.

收稿日期：2022-08-20

基金項目：江苏省科技支撑计划项目（BE20207611）

作者简介：陈曙平（1975-），男，江苏常州人，高级工程师，硕士，主要从事水污染控制研究，（电话）13806129800（电子信箱）1042680361@qq.com；通信作者，张文艺（1968-），江苏常州人，教授，博士，主要从事污染控制与生态修复研究，（电子信箱）zwy@cczu.edu.cn。