生物轉(zhuǎn)盤+表面流人工濕地對(duì)北亞熱帶秋冬季節(jié)受污染河水強(qiáng)化處理效果研究

劉茂林，肖盛柏，鄧筱悅，梁銀坤，陳玉成,4，黃 磊,4①

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400030；3.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716；4.農(nóng)村清潔工程重慶市工程研究中心，重慶 400716)

近年來，隨著城市化進(jìn)程加快，大量生活污水、工業(yè)廢水和徑流污染直接排入城市河流中，導(dǎo)致水體自凈能力降低，生態(tài)功能逐漸喪失，水環(huán)境惡化，引發(fā)了一系列水安全問題[1]。目前，我國(guó)對(duì)污染河流治理的新理論和新技術(shù)正在不斷發(fā)展和完善。人工濕地具有低成本、易運(yùn)行和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，因此成為治理河流污染的優(yōu)先選擇[2]。其中，表面流人工濕地(FWSCWs)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于處理河流污染問題[3-4]。然而，F(xiàn)WSCWs凈化效果易受溫度影響，在秋冬季節(jié)，溫度較低，植物生長(zhǎng)緩慢、易腐爛，微生物活性降低，導(dǎo)致污染物凈化效果較差[5]。有研究[6]表明，在秋冬季節(jié)，F(xiàn)WSCWs對(duì)北亞熱帶受污染河水中氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(shù)的去除率僅為23.5%、10%和15%。針對(duì)FWSCWs秋冬季節(jié)污染物去除效果較差的問題，左倬等[7]采用延長(zhǎng)水力停留時(shí)間(HRT)、保溫、濕地植物收割管理和錯(cuò)峰進(jìn)水等措施，以提高FWSCWs在冬季對(duì)污染物的去除效果，但作為黑臭水體治理的重要管控指標(biāo)NH4+-N，其去除率也僅從26%上升到41%。

秋冬季節(jié)人工濕地運(yùn)行效果不穩(wěn)定，NH4+-N去除效果差仍是FWSCWs技術(shù)有待解決的難題。生物轉(zhuǎn)盤(RBCs)具有良好的保溫效果，能提供好氧-缺氧交替的氧環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)較好的污染物去除效果，且冬季運(yùn)行效果穩(wěn)定[8]。因此，以規(guī)模化河水凈化濕地工程為基礎(chǔ)，探究“生物轉(zhuǎn)盤+表面流濕地”組合工藝(簡(jiǎn)稱組合工藝)在秋冬季節(jié)對(duì)受污染河水的凈化效果，明晰微生物群落結(jié)構(gòu)與污染物去除之間的關(guān)系，以期為城市污染河水治理和管控提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

梁灘河位于重慶市主城區(qū)，全長(zhǎng)為88 km，其中，九龍坡段長(zhǎng)21.4 km，流域面積為144.7 km2，年均流量為6.7 m3·s-1，是重慶市主城區(qū)內(nèi)第3大次級(jí)支流。近年來，受工業(yè)廢水與城鎮(zhèn)污水的綜合影響，梁灘河河水污染嚴(yán)重，水質(zhì)為劣Ⅴ類。因此，2017年12月建成了梁灘河污染治理工程，對(duì)受污染河水進(jìn)行修復(fù)。該工程位于重慶市九龍坡區(qū)含谷鎮(zhèn)，工程平面設(shè)計(jì)見圖1。

1.2 組合工藝介紹

工藝流程：組合工藝主要由提升泵站、生物轉(zhuǎn)盤和表面流人工濕地組成。受污染河水經(jīng)泵站提升后依次流經(jīng)生物轉(zhuǎn)盤和表面流人工濕地，處理完成后排出。

設(shè)計(jì)參數(shù)：組合工藝處理規(guī)模為30 000 m3·d-1。提升泵設(shè)置4臺(tái)(3用1備)，每臺(tái)流量Q=450 m3·h-1，功率為25 kW。生物轉(zhuǎn)盤分6組并聯(lián)，每組由7臺(tái)串聯(lián)組成，共計(jì)42臺(tái)，由重慶川儀環(huán)境科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。單臺(tái)RBC長(zhǎng)6.22 m，盤片數(shù)為279片，盤片直徑為2 m，盤片面積為1 750 m2，盤片浸沒率為40%，轉(zhuǎn)速為2.4 r·min-1，有效水深為1.0 m，接觸反應(yīng)槽容積為7.5 m3，由功率為2.2 kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，HRT約為1.4 h。FWSCWs面積為16 300 m2，共分為2級(jí)，2級(jí)之間跌水0.1 m，水深為0.5 m。第1級(jí)種植再力花(3叢·m-2，10株·叢-1，種植面積為7 290 m2)，第2級(jí)種植旱傘草(9叢·m-2，10～30株·叢-1，種植面積為7 910 m2)。濕地基質(zhì)由下向上依次為地基層、河沙層(厚200 mm)、防水層(由≥200 g·m-2的無紡?fù)凉げ己头浪斫M成)、種植土層(厚450 mm)和平均粒徑為25 mm的碎石層(厚150 mm)，濕地HRT為6.25 h。濕地植物于每年11—12月收割。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1水樣采集與測(cè)定

試驗(yàn)期為2019年9月—2020年1月，每周采集水樣(如遇惡劣天氣順延)，每次采樣時(shí)間固定為10:00—12:00，試驗(yàn)期間共計(jì)采樣11次，采樣期間氣溫為11.4～28.0 ℃，水溫為11.6～23.2 ℃，平均水溫為16.6 ℃。共設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，分別為河水(S1)、生物轉(zhuǎn)盤出水口(S2)和表面流人工濕地出水口(即組合工藝出水，S3)。NH4+-N、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、TN和總磷(TP)濃度均按照標(biāo)準(zhǔn)方法[9]進(jìn)行測(cè)定，化學(xué)需氧量(COD)、pH和電導(dǎo)率(EC)分別采用COD測(cè)定儀(DR 1010，Hach，美國(guó))、便攜式pH計(jì)(PB-10，Sartorius，德國(guó))和便攜式電導(dǎo)率儀(FiveGo，METTLER TOLEDO，瑞士)測(cè)定，溫度和溶解氧(DO)濃度采用溶解氧儀(Pro ODO，YSI，美國(guó))測(cè)定。

S1、S2和S3為采樣點(diǎn)。

1.3.2微生物測(cè)定分析

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)微生物采樣點(diǎn)，分別位于生物轉(zhuǎn)盤盤片(1#)和表面流人工濕地種植土層(2#)。隨機(jī)選擇生物轉(zhuǎn)盤用毛刷輕輕刷取盤片上的生物膜，在各表面流人工濕地隨機(jī)采集種植土層10 cm深處根際土壤，分別采用無菌聚乙烯袋收集帶回，然后將其轉(zhuǎn)移至滅活離心管，置于離心機(jī)(CT18RT，天美，中國(guó))，在4 ℃和10 000 r·min-1(相對(duì)離心力為11 400)條件下離心10 min，離心后用磷酸緩沖液(pH=7.4)洗滌2次，再于相同條件下離心10 min，回收污泥樣品后委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行Illumina MiSeq高通量測(cè)序，測(cè)序類型為細(xì)菌16S rRNA V3～V4區(qū)，引物名稱為338F_806R(338F序列為5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′，806R序列為5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)，測(cè)序平臺(tái)采用MiSeq PE300測(cè)序儀(Illumina，美國(guó))。

1.4 數(shù)據(jù)分析

污染物去除率(R)和構(gòu)筑物對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)(I)計(jì)算公式分別為

R=(1-Cout/Cin)×100%，

(1)

I=[(Cout,i-Cin,i)/(Cout-Cin)]×100%。

(2)

式(1)～(2)中，Cin和Cout分別為組合工藝進(jìn)、出水污染物濃度，mg·L-1；Cin,i和Cout,i分別為第i個(gè)構(gòu)筑物進(jìn)、出水污染物濃度，mg·L-1。

水樣測(cè)定采用3次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示，同時(shí)數(shù)據(jù)間差異性分析采用one-way ANOVA進(jìn)行檢驗(yàn)。基于美吉生物生信云平臺(tái)對(duì)97%相似水平下的操作分類單元(OTU)進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析，以獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用Origin 9.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 組合工藝運(yùn)行效果

2.1.1ρ(DO)、EC和pH沿程變化特征

如圖2所示，河水經(jīng)過生物轉(zhuǎn)盤后ρ(DO)升高2.76 mg·L-1，主要是由于生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中污染河水與空氣充分接觸，有利于復(fù)氧過程[10]。由于濕地植物和微生物的生命活動(dòng)消耗DO，河水流經(jīng)濕地后ρ(DO)降低1.32 mg·L-1[11]。處理過程中，EC沿程逐漸降低，且在各取樣點(diǎn)之間存在顯著差異(P<0.05)，這與水體中銨根離子等帶電離子[12]的去除有關(guān)。組合工藝中，pH范圍為7.61～7.78，適宜的pH有利于微生物和植物生長(zhǎng)代謝，促進(jìn)污染物降解和去除。

箱體上下線表示上下四分位數(shù)；箱中橫線表示中位數(shù)；箱中方框表示均值；線段上下星號(hào)表示最大值和最小值。 S1、S2和S3分別位于治理工程入水口、生物轉(zhuǎn)盤出水口和表面流人工濕地出水口。

2.1.2組合工藝對(duì)污染物的去除效果

如圖3所示，組合工藝進(jìn)水ρ(NH4+-N)為1.41～3.82 mg·L-1，出水為0.15～0.83 mg·L-1，出水水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率為83.83%。表明組合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)秋冬季節(jié)對(duì)NH4+-N的高效去除，有效解決在秋冬季節(jié)傳統(tǒng)工藝對(duì)NH4+-N去除效果差的問題。

S1、S2和S3分別位于治理工程入水口、生物轉(zhuǎn)盤出水口和表面流人工濕地出水口。

組合工藝進(jìn)水ρ(TN)平均為5.66 mg·L-1，出水為4.44～7.21 mg·L-1，平均去除率為3.32%，去除效果不明顯。這主要是由于COD較低，無法為反硝化提供充足碳源，且反硝化細(xì)菌在秋冬季節(jié)受到溫度限制，活性降低，導(dǎo)致反硝化速率降低[13]。同時(shí)，秋冬季節(jié)植物地上部分收割也會(huì)導(dǎo)致濕地對(duì)氮素污染物吸收能力快速下降，最終導(dǎo)致TN去除率降低。

組合工藝進(jìn)水ρ(TP)為0.42～0.82 mg·L-1，出水為0.39～0.59 mg·L-1，去除率為2.27%～30.22%，平均去除率為11.09%，組合工藝對(duì)磷的去除效果較差。其中，生物轉(zhuǎn)盤對(duì)磷的去除貢獻(xiàn)僅為14.29%，其原因是生物轉(zhuǎn)盤不具備微生物除磷的好氧厭氧環(huán)境，而工藝中磷的去除主要依靠人工濕地的基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物同化作用。但在低溫條件下，人工濕地基質(zhì)對(duì)磷的吸附能力有所減弱[14]，冬季植物地上部分被收割后植物對(duì)磷的吸收能力下降[15]，微生物的同化作用也受低溫影響有所下降，因此在秋冬季節(jié)濕地對(duì)TP的去除效果不佳，導(dǎo)致在秋冬季節(jié)組合工藝對(duì)TP的去除也受到限制。

組合工藝進(jìn)水COD為29.00～54.00 mg·L-1，出水為26.50～43.00 mg·L-1，平均去除率為20.52%，基本達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。由于進(jìn)水COD較低，影響了生物生化作用的正常發(fā)揮，從而限制了組合工藝對(duì)COD的去除效能。

2.1.3含氮污染物沿程變化特征

如圖4所示，河水經(jīng)過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中通過好氧硝化反應(yīng)被去除，RBCs對(duì)NH4+-N的平均去除率為83.8%。這主要是由于RBCs較好的復(fù)氧能力有利于硝化過程進(jìn)行。

S1、S2和S3分別位于治理工程入水口、 生物轉(zhuǎn)盤出水口和表面流人工濕地出水口。

同時(shí)，RBCs能夠有效保持水溫，RBCs內(nèi)水溫較FWSCWs更高，保證了秋冬季節(jié)較好的NH4+-N去除效果。經(jīng)過FWSCWs后，水中ρ(NH4+-N)升高0.04 mg·L-1，增加的NH4+-N主要來自于植物，冬季濕地植物收割后，殘留的枯枝敗葉和水下死亡根系的腐敗會(huì)釋放氮素污染物[16]。

經(jīng)過RBCs后，水中ρ(NO3--N)由1.79 mg·L-1升高至4.01 mg·L-1，NO3--N濃度的激增主要來源于RBCs中強(qiáng)烈的硝化反應(yīng)。經(jīng)過FWSCWs后，通過反硝化作用，ρ(NO3--N)降低0.22 mg·L-1。FWSCWs對(duì)NO3--N的去除效果有限，主要是由于低溫季節(jié)植物和微生物對(duì)NO3--N的吸收同化作用較弱，而河水中較高的DO濃度和較低的COD，不利于反硝化作用進(jìn)行，導(dǎo)致NO3--N去除較低。整個(gè)處理過程中，ρ(NO2--N)為0.10～0.35 mg·L-1，始終處于較低水平。

2.2 微生物種群結(jié)構(gòu)特征

組合工藝中微生物在門水平下的群落組成見圖5，2個(gè)構(gòu)筑物優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度存在較大差異。其中，RBCs中優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度分別為32.69%〔變形菌門(Proteobacteria)〕、22.88%〔綠彎菌門(Chloroflexi)〕、22.17%〔硝化螺旋菌門(Nitrospirae)〕、7.64%〔放線菌門(Actinobacteria)〕和5.62%〔厚壁菌門(Firmicutes)〕，F(xiàn)WSCWs中變形菌門、綠彎菌門、放線菌門、厚壁菌門和酸桿菌門(Acidobacteria)相對(duì)豐度分別為48.52%、11.09%、12.78%、7.58%和7.89%。其中，變形菌門、放線菌門、厚壁菌門和擬桿菌門與碳循環(huán)有關(guān)，能夠降解有機(jī)物；綠彎菌門、放線菌門和硝化螺旋菌門包括大量具有硝化功能的微生物，具有較強(qiáng)的硝化能力；變形菌門和擬桿菌門主要參與反硝化過程[17-22]。

2個(gè)構(gòu)筑物中微生物在屬水平下的群落組成見圖6。在秋冬季節(jié)，組合工藝中存在的優(yōu)勢(shì)菌屬包括硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、紅桿菌屬(Rhodobacter)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、芽孢桿菌屬(Bacillius)、β-變形菌綱脫氯菌屬(Dechloromonas)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、叢毛單胞菌屬(Comamonas)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)等。其中，亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬分別參與亞硝化和硝化過程，不動(dòng)桿菌屬、紅桿菌屬、芽孢桿菌屬、β-變形菌綱脫氯菌屬和叢毛單胞菌屬等參與反硝化過程[23-27]。

RBCs中亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬相對(duì)豐度分別為2.69%和22.16%，顯著高于FWSCWs中的0.06%和0.62%。亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬分別為氨氧化菌(NOB)和亞硝酸鹽氧化菌(AOB)中的主要菌屬[28]。AOB能將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，而NOB能將NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N，這解釋了NH4+-N主要在RBCs中通過亞硝化反應(yīng)去除，但RBCs中無明顯NO2--N積累的現(xiàn)象。值得注意的是，在秋冬季節(jié)，RBCs中硝化螺旋菌屬相對(duì)豐度依然能達(dá)到22.16%。這主要是由于RBCs具備一定保溫能力，同時(shí)復(fù)氧條件和復(fù)氧手段溫和，比較適合硝化螺旋菌屬生存。RBCs中硝化螺旋菌屬較高的相對(duì)豐度確保了在秋冬季節(jié)該工藝對(duì)NH4+-N的高效去除，有效解決了在秋冬季節(jié)傳統(tǒng)工藝對(duì)NH4+-N去除效果不佳的問題。

1#和2#分別位于生物轉(zhuǎn)盤盤片和表面流人工濕地種植土層。

1#和2#分別位于生物轉(zhuǎn)盤盤片和表面流人工濕地種植土層。

在FWSCWs中β-變形菌綱脫氯菌屬和叢毛單胞菌屬相對(duì)豐度分別為0.73%和0.48%，顯著高于RBCs中的0.04%和0.21%，說明秋冬季節(jié)反硝化菌在FWSCWs中優(yōu)勢(shì)分布明顯。因此，在秋冬季節(jié)FWSCWs對(duì)TN的平均去除率高于RBCs，具有更好的反硝化功能。

3 結(jié)論

(1)在秋冬季節(jié)，“生物轉(zhuǎn)盤+表面流濕地”組合工藝對(duì)NH4+-N、TN、TP和COD的去除率分別為83.83%、3.32%、11.09%和20.52%，對(duì)NH4+-N去除效果最好。工藝出水NH4+-N濃度達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，出水COD達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。RBCs轉(zhuǎn)盤的增氧保溫作用為NH4+-N和COD的有效去除提供保障。

(2)通過生物-生態(tài)耦合，河水中大量NH4+-N在生物轉(zhuǎn)盤中通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，少量NO3--N在表面流人工濕地中通過反硝化反應(yīng)被去除，整個(gè)過程N(yùn)O2--N濃度維持在較低水平。

(3)生物轉(zhuǎn)盤中硝化功能菌主要包括亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬，其相對(duì)豐度分別為2.69%和22.16%，能保證硝化作用的正常進(jìn)行，確保NH4+-N的高效去除。表面流人工濕地則主要進(jìn)行反硝化反應(yīng)。