楊明輝，袁雅姝，劉瑞

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

人工濕地是目前應(yīng)用較為廣泛的一種水處理技術(shù)，它在污水處理的基礎(chǔ)上同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，目前也常用于污水處理廠的深度處理，具有濕地調(diào)節(jié)徑流，改善氣候，美化環(huán)境，控制污染等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。人工濕地由基質(zhì)，植物，微生物三大元素組成，依靠三者之間的物理，化學(xué)，生物共同作用來達(dá)到水質(zhì)凈化的目的[3-4]。我國北方寒冷地區(qū)由于冬季氣溫較低，人工濕地系統(tǒng)面臨著系統(tǒng)表層結(jié)冰，植物枯萎，基質(zhì)易吸附飽和，常溫微生物活性降低等問題[5]，導(dǎo)致低溫條件下人工濕地處理效果下降，在低溫條件下,人工濕地的脫氮效果并不理想,因此限制了其在中國北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用與推廣[6]。而人工濕地系統(tǒng)中微生物的氨化，硝化及反硝化作用是氮的主要去除途徑[7-8]，因此從微生物的角度入手，利用生物強(qiáng)化提高低溫條件下水質(zhì)處理效果。

國內(nèi)外對(duì)低溫生物技術(shù)在人工濕地系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究。王碩等研究證明投加耐冷氨氧化功能菌群可以有效提高人工濕地脫氮效率[9]。Pei等研究了添加Bacillus.Subtilis FY99-01菌對(duì)濕地系統(tǒng)的反硝化作用的影響，結(jié)果表明，生物強(qiáng)化能有效提高濕地對(duì)硝酸鹽的去除效率[10]。趙昕悅[11]構(gòu)建了體積比為10∶0.5∶0.5的有機(jī)物降解菌、反硝化菌和除磷菌復(fù)合菌劑。在溫度15 ℃，投加量為0.5%，水力停留時(shí)間24 h條件時(shí)可使人工濕地出水COD達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，氨氮和總氮達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。魏清娟[12]在室溫10 ℃條件下，將富集的低溫脫氮菌群加入人工濕地，水力停留時(shí)間為24 h時(shí)，相比于對(duì)照系統(tǒng)，強(qiáng)化系統(tǒng)的出水氨氮和總氮去除率分別提高了約16.32%和16.41%。

研究證實(shí)了微生物菌劑強(qiáng)化人工濕地低溫污水處理效果的可操作性，目前對(duì)低溫生物強(qiáng)化的研究主要集中在10 ℃左右，研究表明，當(dāng)水溫低于10 ℃時(shí)，人工濕地的處理效果顯著降低，并且當(dāng)水溫繼續(xù)低于4 ℃時(shí)，人工濕地內(nèi)部硝化作用幾乎全部停止[13]，因此在環(huán)境溫度4 ℃條件下進(jìn)行低溫微生物的篩選及復(fù)配，并應(yīng)用至進(jìn)水溫度為7 ℃的人工濕地模擬裝置中，與未進(jìn)行強(qiáng)化的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用有機(jī)玻璃制成人工濕地模擬試驗(yàn)柱，高為1.2 m，直徑為15 cm，見圖1。采用蠕動(dòng)泵連續(xù)進(jìn)水，水流順著進(jìn)水管進(jìn)入兩個(gè)試驗(yàn)柱中，水流從上面流入，從下部出水管流出。采用王國強(qiáng)[14]研究中抗堵塞最佳的反級(jí)配填料，底層30 cm為粒徑大小3～5 mm的煤矸石，中層30 cm為5～8 mm無煙煤，表層30 cm為8～10 mm的沸石。試驗(yàn)裝置置于低溫實(shí)驗(yàn)室中，室溫4 ℃左右，進(jìn)水溫度7 ℃左右，水力負(fù)荷0.35～0.4 m3/(m2·d)。

圖1 裝置運(yùn)行

1.2 試驗(yàn)材料

菌劑復(fù)配試驗(yàn)中采用的菌株均為前期由污水廠活性污泥中提取篩選而得，經(jīng)多次劃線分離，氨化菌，亞硝化菌，硝化菌及反硝化菌每種菌得到兩株純種菌株，富集為液體菌劑，在達(dá)到接近的菌體數(shù)下進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。除碳菌篩選出一株性能最優(yōu)的菌株進(jìn)行復(fù)合菌劑的復(fù)配試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水按照水質(zhì)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)采用化學(xué)藥劑配水，進(jìn)水氨氮、總氮質(zhì)量濃度分別為17±1.32 mg·L-1、22±2.34 mg·L-1。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 同類菌種的復(fù)配

選取篩選出的性能較優(yōu)的兩株菌株，從斜面上挑取菌體轉(zhuǎn)接入液體培養(yǎng)基中，富集為菌液。將菌液離心洗滌多次后添加蒸餾水調(diào)節(jié)至兩株菌株OD600測(cè)定值相近，按照總接種量10%將兩株菌株1∶1復(fù)配接種至100 mL滅菌后的人工濕地進(jìn)水中，在4 ℃，150 r·min-1條件下震蕩培養(yǎng)，測(cè)定污水指標(biāo)降解效率，并與單一菌株降解率對(duì)比

1.4.2 脫氮菌劑的制備

設(shè)計(jì)9組實(shí)驗(yàn)，氨化菌，亞硝化菌，硝化菌，反硝化菌體積比按表1比例，在近似相同的菌體數(shù)量條件下進(jìn)行復(fù)配，在室溫4 ℃條件下按10%的總接種量接種到100 mL滅菌的人工濕地進(jìn)水中，每天檢測(cè)污水氨氮和總氮變化情況

圖2 氨化菌的復(fù)配

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.4.3 復(fù)合菌劑的制備

本實(shí)驗(yàn)中，一方面通過對(duì)污水中氨氮，總氮指標(biāo)的測(cè)定，一方面參考前人實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)前期篩選出的一株性能較優(yōu)的除碳菌和脫氮菌劑在近似相同的菌體數(shù)量條件下按（2、3、4、5）∶1的比例進(jìn)行復(fù)配。在室溫4 ℃條件下按10%的總接種量接種到100 mL滅菌的人工濕地進(jìn)水中，每天檢測(cè)污水氨氮和總氮變化情況。

1.4.4 人工濕地生物強(qiáng)化

將復(fù)合菌劑按人工濕地模擬裝置有效容積的0.5%加入人工濕地模擬實(shí)驗(yàn)裝置1中，并檢測(cè)出水氨氮和總氮變化情況。裝置1為強(qiáng)化組，未投加復(fù)合菌劑的裝置2為對(duì)照組。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一類菌株復(fù)配

圖2至5為氨化菌，亞硝化菌，反硝化菌及硝化菌各菌種復(fù)配與單一菌株的效能對(duì)比情況。

圖2中1號(hào)菌株的氨氮生成率為22.39%，3號(hào)菌株的氨氮生成率為21.09%，而氨化菌復(fù)合菌對(duì)氨氮的生成率為24.31%；圖3中亞硝化菌2號(hào)菌對(duì)氨氮的去除率為9.47%，4號(hào)菌對(duì)氨氮的去除率為11.58%，而亞硝化細(xì)菌復(fù)合菌對(duì)氨氮的去除率可以達(dá)到13.37%；圖4中反硝化菌1號(hào)菌株對(duì)硝態(tài)氮的去除率為51.45%，4號(hào)菌株對(duì)硝態(tài)氮的去除率為49.74%，而反硝化菌復(fù)合菌對(duì)滅菌生活污水中硝態(tài)氮的去除率為56.50%。以上三類菌株的復(fù)配中復(fù)合菌的效能均較單一菌株有一定的提高。這說明進(jìn)行復(fù)配的兩株菌株在同樣的生存環(huán)境下生態(tài)位上沒有明顯的競爭關(guān)系，兩者可以產(chǎn)生協(xié)同作用，互相之間促進(jìn)了細(xì)菌的生長繁殖，使生長繁殖過程中繁殖速度加快，菌量增長，提高了菌株對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化能力，因此后續(xù)試驗(yàn)中采用復(fù)合菌來進(jìn)行脫氮菌劑及復(fù)合菌劑的復(fù)配試驗(yàn)。

圖3 亞硝化菌的復(fù)配

圖4 反硝化菌的復(fù)配

而圖5中硝化菌1號(hào)菌對(duì)亞硝態(tài)氮的去除率可以達(dá)到18.86%，3號(hào)菌對(duì)亞硝態(tài)氮的去除率可以達(dá)到16.97%，而硝化菌復(fù)合菌對(duì)亞硝態(tài)氮的去除率提升并不明顯，僅為19.14%。因此可以認(rèn)為硝化菌1號(hào)和3號(hào)菌株在同種生存環(huán)境下兩株菌株之間既沒有明顯的抑制作用，使復(fù)合菌的去除率降低，也沒有明顯的協(xié)同作用，使復(fù)合菌對(duì)亞硝態(tài)氮的去除率明顯增高，因此后續(xù)的脫氮菌劑及復(fù)合菌劑制備試驗(yàn)中采用1號(hào)硝化菌進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。

圖5 硝化菌的復(fù)配

2.2 脫氮菌劑的制備

從圖6，7中可以看出，各試驗(yàn)組氨氮及總氮濃度逐步下降，均在3天后氨氮及總氮濃度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，其中6號(hào)試驗(yàn)組達(dá)到穩(wěn)定時(shí)氨氮及總氮濃度最低，去除率最高，氨氮去除率16.59%；總氮去除率17.86%。原因可能是6號(hào)試驗(yàn)組亞硝化菌含量較高，亞硝化過程作為低溫條件下受影響最大的過程完成效果較好，同時(shí)各菌群之間生態(tài)競爭較弱，因此脫氮菌劑對(duì)氨氮及總氮的轉(zhuǎn)化率最高。

圖6 脫氮菌劑氨氮處理效果

圖7 脫氮菌劑總氮處理效果

2.3 復(fù)合菌劑的制備

圖8和圖9為復(fù)合菌劑對(duì)氨氮及總氮的處理效果，同樣在3天后趨于穩(wěn)定，除碳菌和脫氮菌劑體積比為4∶1時(shí)氨氮及總氮的處理效果最佳，氨氮去除率為21.34%；總氮去除率為18.59%。分析原因應(yīng)該是除碳菌和脫氮菌劑體積比4∶1時(shí)，細(xì)菌之間競爭性較弱，生態(tài)位重疊部分較少，減少了種群內(nèi)部的競爭壓力，因此與體積比2∶1的試驗(yàn)組相比，氨氮和總氮的轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，而體積比5∶1的試驗(yàn)組中，脫氮菌劑所占比例較少，因此氨氮及總氮轉(zhuǎn)化能力低于體積比為4∶1的組合。

圖8 復(fù)合菌劑氨氮處理效果

圖9 復(fù)合菌劑總氮處理效果

綜合氨氮和總氮去除率來看，選擇除碳菌和脫氮菌劑體積比為4∶1的試驗(yàn)組為最優(yōu)組合。

2.4 復(fù)合菌劑投加對(duì)人工濕地處理效果影響

從圖10中可以看出，由于菌劑中微生物須有適應(yīng)期，菌劑投加初期強(qiáng)化組與對(duì)照組的出水氨氮濃度及氨氮去除率相差不多，隨后復(fù)合菌劑中的亞硝化菌大量繁殖，硝化作用功能菌的數(shù)量增多，硝化反應(yīng)速率加快，微生物代謝活性增強(qiáng)，從而促進(jìn)了污水中氨氮的降解，強(qiáng)化組的出水氨氮濃度下降，低于對(duì)照組的出水氨氮濃度，而未投加菌劑的對(duì)照組氨氮去除率為16.97%左右，強(qiáng)化組氨氮去除率可達(dá)22.75%左右，相比對(duì)照組提高了5.78%。同樣是在菌劑投加后10 d左右發(fā)生出水氨氮濃度上升，氨氮去除率下降的情況，因此可以考慮以10 d為周期反復(fù)投加復(fù)合菌劑。

圖10 生物強(qiáng)化對(duì)人工濕地氨氮處理效果影響

從圖11中可以看出，強(qiáng)化組出水總氮濃度同樣在2 d后開始有所下降，出水總氮質(zhì)量濃度在14.39 mg·L-1左右，可以達(dá)到出水水質(zhì)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)照組的出水總氮質(zhì)量濃度為16.11 mg·L-1左右，總氮去除率在26.73%左右，強(qiáng)化組的總氮去除率可達(dá)到34.42%左右，與對(duì)照組相比提高了7.69%。說明低溫復(fù)合菌劑的投加對(duì)總氮的去除有一定的促進(jìn)作用，原因是由于復(fù)合菌劑的生長條件適宜，細(xì)菌數(shù)量有明顯增多，硝化、亞硝化細(xì)菌能夠?qū)⒏嗟陌钡D(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，同時(shí)具有硝酸鹽還原能力的異養(yǎng)微生物數(shù)量也大量增多，將硝酸鹽經(jīng)反硝化除去，進(jìn)而使經(jīng)生物強(qiáng)化的人工濕地模擬系統(tǒng)的總氮轉(zhuǎn)化能力也相應(yīng)提高。同樣在菌劑投加10 d后，出水總氮濃度有所上升，考慮原因?yàn)閺?fù)合菌劑中脫氮微生物沒有成為潛流人工濕地模擬裝置系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌株，隨著脫氮微生物的流失，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率也有所下降。

圖11 生物強(qiáng)化對(duì)人工濕地總氮處理效果影響

3 結(jié) 論

1）低溫4 ℃條件下，復(fù)配脫氮菌劑最佳體積比為氨化菌∶亞硝化菌∶硝化菌∶反硝化菌=2∶3∶1∶2。氨氮去除率為16.59%；總氮去除率為17.86%。

2）低溫4 ℃條件下，考慮總氮和氨氮的去除率兩方面因素，復(fù)合菌劑除碳菌和脫氮菌劑最佳復(fù)配比為4∶1，總氮和氨氮去除率分別為18.59%、21.34%。

3）復(fù)合菌劑的投加對(duì)低溫潛流人工濕地去除率有一定提高，在一級(jí)B進(jìn)水條件下，總氮達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)?？偟钡コ史謩e提高7.69%、5.78%。