顧永鋼 金鵬康 李兆欣 黃炳彬 劉 操

(1.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055；2.北京市水科學技術研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術北京市重點實驗室，北京 100048)

不同填料對再生水補水型水體物種形成研究*

顧永鋼1,2金鵬康1#李兆欣2黃炳彬2劉 操2

(1.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055；2.北京市水科學技術研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術北京市重點實驗室，北京 100048)

穩(wěn)定、多樣的河湖水系生態(tài)系統(tǒng)恢復和維持難度大。針對北京典型再生水補水型河湖水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，選用火山巖、焦炭、沸石、陶粒、人工草等填料考察其對再生水補水型水體凈化效果和物種的形成作用。結果表明：填充陶粒的反應器再生水出水各指標變化最為顯著，其氮、磷等營養(yǎng)鹽得到了較好地去除。火山巖、焦炭、沸石、陶粒和人工草5種填料附著細菌種屬差異較小；附著浮游植物大多以硅藻門為主。5種填料反應器水體中的氮循環(huán)轉化功能菌數(shù)量明顯高于無填料反應器，其中陶粒反應器中數(shù)量最高，與水化學分析結果相吻合。陶粒對生境修復有著一定的促進作用。

再生水 填料 物種形成 多樣性

北京城市河湖景觀用水極度緊缺，再生水成為河湖補給的主要水源[1]。但河湖水體流動性和連通性差，水體自凈能力不足，以再生水為主要水源的補水水質難以滿足良好水生態(tài)系統(tǒng)功能要求，穩(wěn)定、多樣的河湖水系生態(tài)系統(tǒng)恢復和維持難度大。如何保障城市水環(huán)境質量持續(xù)改善，促進水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，是再生水補水型河湖面臨的主要問題[2]。

生物接觸氧化法主要依靠天然河床、人工填充濾料等載體上附著的生物膜，在輔助曝氣或直接利用水中DO的條件下，通過吸附、降解及過濾作用去除河水中的污染物[3]。在河道微污染水的處理中，國內學者利用生物接觸氧化法開展了大量的研究并進行了實際應用[4-6]，生物接觸氧化法作為河道污水或微污染水的原位或旁路處理技術，在抗沖擊性、脫氮除磷等方面比傳統(tǒng)的河水處理法有明顯改善。生物接觸氧化填料的選擇決定了反應器內可供生物膜生長的比表面積的大小和生物膜量的大小,在一定的水力負荷和曝氣強度下,又決定了反應器內傳質條件和氧的利用率，對工藝運行效果影響很大[7]。近年來，研究人員就懸浮填料、無機礦物填料、彈性填料等開展了相關研究[8-10]，但大部分研究主要關注COD、氨氮、TN、TP等指標，對填料的物種形成特點研究不多。

本研究以北京順義新城生態(tài)調水中心的再生水為實驗用水，考察火山巖、焦炭、沸石、陶粒、人工草5種填料對再生水補水型水體凈化效果，并對不同填料的物種形成開展研究，考察各填料上附著的微生物種群多樣性和浮游植物多樣性，以求得到適用于典型補水型城市河湖的優(yōu)選生境恢復填料，為北京再生水補水型城市河湖的生境修復提供技術支撐。

表1 再生水主要水質指標

1 材料與方法

1.1 填料選擇

實驗分別選取火山巖、焦炭、沸石、陶粒、人工草5種填料，其中火山巖直徑為2～3 cm，比表面積為13.60～25.50 m2/g；焦炭直徑為1～2 cm，比表面積為0.60～0.80 m2/g；沸石直徑為1～2 cm，比表面積為13.44～14.32 m2/g；陶粒直徑為2～3 cm，比表面積為6.45 m2/g；人工草比表面積為3 200 m2/m3。

1.2 實驗用水

實驗水源為北京順義新城生態(tài)調水中心處理后的再生水，該中心的水處理工藝為 A2/O—膜生物反應器(MBR)。再生水主要水質指標見表1。

1.3 實驗條件

實驗在北京順義新城生態(tài)調水中心完成，實驗裝置示意圖見圖1。5種填料分別裝填在5個獨立的反應器中，其中1#反應器填充火山巖，2#反應器填充焦炭，3#反應器填充沸石，4#反應器填充陶粒，5#反應器填充人工草。每個反應器容積為100 L，5種填料填充體積占40%，底部設置排水閥。實驗分6組同時進行，其中第6組為無填料反應器。為模擬河道實際反應條件，6組反應器中均采用曝氣機(CFY-20)連續(xù)曝氣，并備有玻璃轉子流量計(LZB-2WB)計量曝氣量。反應器內DO濃度不應過高，過高會破壞生物膜正常生長，同時也會造成反應器能耗提高[11]，因此曝氣量控制為1.68 L/h。實驗開始向6個反應器分別泵入再生水，控制蠕動泵(BT300J-1A)，停留時間為15 d。實驗處理水量為0.28 L/h，容積負荷為0.05 g/(m3·d)。監(jiān)測指標包括COD、氨氮、TN、TP、硝酸鹽氮等。實驗待填料生物膜成熟后開始考察反應器中物種的形成特點，物種的形成實驗共進行了28 d，在考察污染物去除的同時重點考察填料對再生水物種的形成作用。6組反應器實驗條件相同，連續(xù)運行，無外來碳源補充。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.4 分析方法

水化學指標TN、TP、COD、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和磷酸鹽濃度測定方法參照文獻[12]；物理性指標，如水溫、DO和電導率采用YSI 便攜式多參數(shù)水質分析儀測定；氮循環(huán)轉化功能菌計數(shù)采用最大可能數(shù)(MPN)法[13-15]；水中細菌菌落總數(shù)測定采用稀釋平板法；微生物種群結構多樣性分析采用高通量測序方法；浮游植物數(shù)量和群落采用鏡檢法進行定性分析，采用濃縮計數(shù)法進行定量分析。

2 結果與討論

2.1 不同填料的污染物去除效果

實驗期間，平均溫度為15.3 ℃，DO平均為4～6 mg/L，pH平均為7.5～8.1。5種填料及無填料反應器對應的再生水出水各項指標測定結果如表2所示。

表2 再生水出水各項指標分析結果

由表2可以看出，陶粒填料反應器再生水出水的各項指標變化最為顯著，與無填料反應器對比，電導率、TN、TP、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和磷酸鹽都出現(xiàn)顯著降低，分別減少了85.12%、73.62%、20.00%、28.30%、75.24%、62.86%、75.00%，再生水中氮、磷等營養(yǎng)鹽得到了較好地去除。陶粒填料反應器中，再生水COD變化相對略小，相對于無填料反應器降低了18.34%。這因為再生水中可生物降解有機物比例并不高，影響了有機物去除效率的進一步提高[16]。

相比無填料反應器，焦炭、沸石和人工草填料反應器中再生水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度也明顯降低，說明反應器中填充吸附填料，一方面其形成的微生態(tài)環(huán)境有利于有機質分解，另一方面可促進水體中發(fā)生亞硝化反應和硝化反應。與含氮化合物變化特征不同，3種填料的TP和磷酸鹽濃度均比無填料反應器高；火山巖填料反應器中TN濃度相比無填料反應器有一定程度降低，但氨氮、亞硝酸鹽氮濃度有一定程度升高。分析認為，火山巖填料反應器中有機氮含量較高，氨化反應使得再生水氨氮濃度增加，一部分氨氮氧化為硝酸鹽氮的過程中產生亞硝酸鹽氮累積明顯，說明反應器中亞硝化反應劇烈；反應器中硝酸鹽氮濃度出現(xiàn)明顯降低，說明再生水中反硝化反應也較為活躍。與焦炭、沸石和人工草填料反應器再生水出水相同，火山巖填料反應器中的再生水出水TP濃度也比無填料反應器顯著增加，反應器中填料有部分被吸附的磷重新回到了再生水中，致使出水TP濃度升高。

2.2 不同填料附著的微生物物種形成特點

2.2.1 微生物種群結構分析

反應器中火山巖、焦炭、沸石、陶粒和人工草上附著的細菌群落種屬數(shù)量分別為709、777、583、568、659種，種類數(shù)量分別為253、295、231、232、224種。針對每種填料，將數(shù)量所占比例為前5名的菌種名稱列于表3。

由表3可知，火山巖附著細菌主要是芽孢桿菌屬、嗜甲基菌屬、硝化螺旋菌屬、乳酸菌屬和硫化細菌屬，其中芽孢桿菌屬所占比例為6.54%；焦炭上附著細菌主要是芽孢桿菌屬、乳酸菌屬、藍細菌屬、纖線桿菌屬、硝化螺旋菌屬，其中芽孢桿菌屬所占比例為14.12%；沸石上附著細菌主要是芽孢桿菌屬、乳酸菌屬、硝化螺旋菌屬、嗜甲基菌屬和纖線桿菌屬，其中芽孢桿菌屬所占比例為20.60%；陶粒上附著細菌主要是芽孢桿菌屬、嗜甲基菌屬、乳酸菌屬和藍細菌屬，芽孢桿菌屬所占比例為19.61%；人工草上附著細菌主要是嗜甲基菌屬、硫化細菌屬、腸桿菌屬、芽孢桿菌屬,其中嗜甲基菌屬所占比例為26.02%。

表3 5種填料附著細菌的主要種屬列表

表4 氮循環(huán)轉化功能菌和細菌總數(shù)計數(shù)結果1)

注：1)氮循環(huán)轉化功能菌計數(shù)結果為反應器中各種填料上氮循環(huán)轉化細菌MPN的幾何均值。

5種填料上附著細菌種屬差異不大，分析認為各填料上附著微生物主要來自再生水，再生水來源相同使得各反應器中細菌種屬差異較小。經比較后發(fā)現(xiàn)，人工草上附著細菌最多的為嗜甲基菌屬，而沸石、焦炭、火山巖和陶粒上附著最多的為芽孢桿菌屬。說明填料顆粒的質地、空隙結構和微粒攜帶電荷等多種因素會對附著細菌有選擇性，形成不同種屬細菌的適宜生存環(huán)境。

2.2.2 氮循環(huán)轉化功能菌群分析

國外學者對河湖生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)轉化功能菌分布開展了一系列的研究[17-19]。氮循環(huán)轉化過程包括生物固氮、氨化、硝化、亞硝化、反硝化及同化等作用，其中生物固氮、氨化、硝化、亞硝化及反硝化作用是微生物的特有特征。附著在填料上的氨化細菌將水中的有機氮轉化為無機氮，同時反硝化細菌將無機氮(硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮)還原為氣態(tài)的一氧化二氮和氮氣，并釋放到大氣中，這對富營養(yǎng)化河湖的凈化有著特別的意義。5種填料反應器和無填料反應器中水體的氮循環(huán)轉化功能菌數(shù)量和細菌總數(shù)的測定結果如表4所示。

由表4可以看出，5種填料反應器水體中氨化細菌數(shù)明顯高于無填料反應器水體，尤其陶粒、火山巖填料反應器最高；陶粒、人工草、沸石填料反應器水體中硝化細菌略高于無填料反應器水體；陶粒、火山巖填料反應器水體中亞硝化細菌、反硝化細菌明顯高于無填料反應器水體。

當氨化、硝化、亞硝化及反硝化細菌存在時，才能發(fā)生相應的氮循環(huán)轉化過程，因此氮循環(huán)轉化細菌的分布對氮循環(huán)轉化過程有重要影響。亞硝化細菌數(shù)量多有利于亞硝化反應，從而促進水中亞硝酸鹽氮累積；亞硝化細菌和硝化細菌聯(lián)合作用使得硝化反應發(fā)生，促使硝酸鹽累積；反硝化細菌數(shù)量多促進反硝化反應，使得水中硝酸鹽氮還原生成氮氣，從而脫離反應系統(tǒng)。

總體而言，5種填料反應器水體中的氮循環(huán)轉化功能菌數(shù)量大多高于無填料反應器水體，而其中陶粒填料反應器中數(shù)量最高，對群落微生物形成和生境修復有著一定的促進作用。陶粒填料反應器由于氨化細菌較多，在環(huán)境條件較適宜(pH 7.9～8.7)時，氨化作用將有機氮還原為銨和氨，促進了再生水中的氮以氣態(tài)氨的形式揮發(fā)。

2.3 不同填料上浮游植物多樣性分析

反應器填料上附著的浮游植物包括藍藻門(Cyanophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)、綠藻門(Chlorophyra)3個門。藍藻門包括顫藻屬(Oscillatoria)；硅藻門包括小環(huán)藻屬(Cyclotella)、舟形藻屬(Navicula)、針桿藻屬(Synedra)、異極藻屬(GomphonemaAgardh)、橋彎藻屬(Cymbella)、直鏈藻屬(Melosira)、曲殼藻屬(Achnanthes)、脆桿藻屬(Fragilaria)；綠藻門包括盤星藻屬(Pediastrum)、柵藻屬(Scenedesmus)、小球藻屬(Chlorella)、弓形藻屬(Schroederia)。

5種填料上附著的不同門類浮游植物數(shù)量如表5所示。不同填料上浮游植物優(yōu)勢種群類別表現(xiàn)出一定差異，火山巖填料附著的浮游植物優(yōu)勢種群類別為硅藻門的脆桿藻屬，沸石填料附著的浮游植物優(yōu)勢種群類別為硅藻門的舟形藻屬和綠藻門的柵藻屬，陶粒、焦炭填料附著的浮游植物優(yōu)勢種群類別為硅藻門的舟形藻屬，人工草填料附著的浮游植物優(yōu)勢種群類別以綠藻門的柵藻屬和硅藻門的小環(huán)藻屬為主。不同填料附著的浮游植物優(yōu)勢種群類別具有一定差異，但大多以硅藻門為主。

表5 不同填料附著各類別浮游植物數(shù)量

3 結論與展望

與無填料反應器相比，填充陶粒的反應器再生水出水各指標濃度變化最為顯著，其氮、磷等營養(yǎng)鹽得到了較好地去除。5種填料上附著細菌種屬差異較小，火山巖、焦炭、沸石和陶粒上附著比例最大的均為芽孢桿菌屬，而人工草附著細菌中嗜甲基菌屬所占比例最大；大多數(shù)反應器中填料上附著浮游植物以硅藻門為主。5種填料反應器水體中的氮循環(huán)轉化功能菌數(shù)量大多高于無填料反應器水體，其中陶粒反應器中數(shù)量最高，與水化學分析結果相吻合。陶粒對生境修復有著一定的促進作用。但在實際水體應用中，填料選擇還要綜合考慮水溫、水深、流速、不同的污染負荷等因素，因此后續(xù)研究應充分考慮填料在再生水補水型水體中不同季節(jié)物種形成和生境修復特點，優(yōu)選布置填料以達到凈化污染水體水質和修復受損水體生境的目的。

[1] 孟慶義，吳曉輝，趙立新，等．再生水回用于北京景觀水體引起的水質變化及其改善措施[J].水資源保護，2011，27(1)：51-54．

[2] 申穎潔．再生水補給型河湖水體凈化技術分析與適宜性評價[J].中國給水排水，2015，31(1)：6-10．

[3] SABATER S,GUASCH H,ROMANA,et al.The effect of biological factors on the efficiency of river biofilms in improving water quality[J].Hydrobiologia,2002,469(1/2/3):149-156.

[4] 肖羽堂，許建華．生物接觸氧化法凈化微污染原水的機理研究[J].環(huán)境科學，1999，20(3)：85-88．

[5] 牛天新，張永明，朱奇亮．利用生物膜去除城市河道水中氨氮的影響因素[J].上海師范大學學報(自然科學版)，2007，36(1)：102-106．

[6] 廖日紅，王培京，許志蘭，等．固定化微生物處理河流微污染水體實驗研究[J].北京水務，2006(2)：11-14．

[7] 趙賢慧．生物接觸氧化法及其研究進展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(9)：26-28．

[8] 施東文，陳健波，奚旦立，等．兩種生物膜反應器對黃河微污染水處理[J].環(huán)境工程，2007，25(2)：18-20．

[9] 雷金勇，黃偉，黎圣，等．河道污染治理技術——生物接觸氧化填料研究[J].礦產與地質，2006，20(2)：178-181．

[10] 李璐，溫東輝，張輝，等．分段進水生物接觸氧化工藝處理河道污水的試驗研究[J].環(huán)境科學，2008，29(8)：2227-2234．

[11] 閆建文．生物接觸氧化裝置優(yōu)化參數(shù)的除污效率和硝化菌群變化分析[J].水土保持學報，2013，27(5)：225-227,266．

[12] 國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會．水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版．北京：中國環(huán)境科學出版社，2002．

[13] 中國科學院南京土壤研究所微生物室．土壤微生物研究法[M].北京：科學出版社，1985．

[14] MATULEWICH V A,STROM P F,FINSTEIN M S.Length of incubation for enumerating nitrifying bacteria present in various environments[J].Applied Microbiology,1975,29(2):265-268.

[15] 李阜棣，喻子牛，何紹江．農業(yè)微生物學實驗技術[M].北京：中國農業(yè)出版社，1996．

[16] 陳漢輝，孫國勝．生物接觸氧化法處理微污染源水的研究進展與應用[J].環(huán)境污染治理技術與設備，2000，1(3)：55-60．

[17] RHEINHEIMER G．Aquatic microbiology[M].3rd ed．New York：John Wiley & Sons，1985．

[18] REDDY K R,PATRICK W H,LINDAU C W.Nitrification-denitrification at the plant root-sediment interface inwetlands[J].Limnology and Oceanography,1989,34(6):1004-1013.

[19] CHRISTENSEN P B,S?RENSEN J.Temporal variation of denitrification activity in plant-covered,littoral sediment from Lake Hampen,Denmark[J].Applied and Environmental Microbiology,1986,51(6):1174-1179.

Effectofdifferentfillersonthespeciesformationinthewaterbodiessupplementedbyreclaimedwater

GUYonggang1,2，JINPengkang1，LIZhaoxin2，HUANGBingbin2，LIUCao2.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’anShaanxi710055；2.BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute,BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，Beijing100048)

Restoration and maintenance of stable and diverse properties of river and lake eco-system is difficult. According to the eutrophication of Beijing urban river supplemented by reclaimed water,volcanic rocks,coke,zeolite,ceramsite and artificial grass were selected as fillers to investigate their purification effects and mechanism of species formation in water bodies supplemented by reclaimed water. Results indicated that the change of indexes from the effluent of the reactor filled with ceramsite was the most remarkable,and nutrients such as nitrogen and phosphorus were better reduced. Slight difference of attached bacteria species was observed on the surface of the five fillers such as volcanic rocks,coke,zeolite,ceramsite and artificial grass. Most of the phytoplankton species were dominated by diatoms. The amount of nitrogen cycling transformation functional bacteria from water bodies of five reactors were significantly higher than the reactor without fillers，wherein the amount of ceramsite reactors was the highest,which was consistent with the results of water chemistry analysis. Ceramsite showed promoting effect for habitat restoration.

reclaimed water； filler； species formation； diversity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.016

顧永鋼，男，1974年生，博士研究生，高級工程師，主要從事水體污染防治與生態(tài)修復方面的研究。#

。

*北京市科技計劃項目(No.Z151100002115008)；國家水體污染控制與治理科技重大專項 (No.2014ZX07203-010)。

2016-12-09)