不同处理水芹浮床对城市河道黑臭污水的脱氮效果及其机理研究

书书书第３１卷第１０期２０１１年１０月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３１，Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．，２０１１基金项目：中国博士后科学基金（Ｎｏ．２０１００４７０７６８）；河口海岸学国家重点实验室科研业务课题（Ｎｏ．２０１０ＲＣＤＷ０８，２００８ＫＹＹＷ０７）；云南省自然科学基金项目（Ｎｏ．２００８ＺＣ１６１Ｍ）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＣｈｉｎａＰｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ（Ｎｏ．２０１００４７０７６８），ｔｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｓｔｕａｒｉｎｅａｎｄＣｏａｓｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．２０１０ＲＣＤＷ０８，２００８ＫＹＹＷ０７）ａｎｄｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＹｕｎｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２００８ＺＣ１６１Ｍ）作者简介：周元清（１９７４—），女，副教授（博士），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＺＨＯＵＹｕａｎｑｉｎｇ（１９７４—），ｆｅｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ（Ｐｈ．Ｄ．），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]周元清，李秀珍，唐莹莹，等．２０１１．不同处理水芹浮床对城市河道黑臭污水的脱氮效果及其机理研究［Ｊ］．环境科学学报，３１（１０）：２１９２２１９８ＺｈｏｕＹＱ，ＬｉＸＺ，ＴａｎｇＹＹ，ｅｔａｌ．２０１１．ＥｆｆｅｃｔａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｉｎｕｒｂａｎｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒｕｓｉｎｇＯｅｎａｎｔｈｅｊａｖａｎｉｃａｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３１（１０）：２１９２２１９８不同处理水芹浮床对城市河道黑臭污水的脱氮效果及其机理研究周元清１，２，李秀珍１，，唐莹莹１，辛在军１，贾悦１，李淑英２１．华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海２０００６２２．玉溪师范学院资源环境学院，玉溪６５３１００收稿日期：２０１１０１０４　　　修回日期：２０１１０３２２　　　录用日期：２０１１０４２２摘要：通过对冬季不同留茬高度水芹（ＯｅｎａｎｔｈｅＪａｖａｎｉｃａ）浮床对城市河道污水氮循环细菌数量和脱氮效果的影响研究，试图阐明浮床植物去除污染水体氮素的可能途径．研究结果表明：不同处理水芹浮床对城市河道黑臭污水硝氮和氨氮的去除效果分别达到了５２．５％～６９．８％和６８１％～７６．７％，１９ｃｍ留茬高度水芹浮床对脱氮效果最好；１９ｃｍ留茬浮床水芹根际也是各类氮循环细菌生长的最佳区域；浮床水芹处理有效地提高了系统氮循环细菌的数量，第５个换水周期试验结束时处理污水中的好氧细菌总数（Ａ，单位为ＣＦＵ·ｍＬ－１）达到最大值（７．０８±０．６０）×１０１２，其ｌｇＡ增加至１２．８５，各类氮循环细菌比对照高１～４个数量级；同时，浮床水芹处理显著提高了氮循环细菌的群落多样性，系统内固氮菌与氨化菌、硝化菌、亚硝化菌和反硝化菌共存．研究认为，浮床水芹的吸收同化和氮循环细菌的生物脱氮是浮床水芹净化水质的两个重要途径．关键词：浮床水芹；黑臭污水；氮循环细菌文章编号：０２５３２４６８（２０１１）１０２１９２０７　　　中图分类号：Ｘ７０３．１　　　文献标识码：ＡＥｆｆｅｃｔａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｉｎｕｒｂａｎｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒｕｓｉｎｇＯｅｎａｎｔｈｅｊａｖａｎｉｃａｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓＺＨＯＵＹｕａｎｑｉｎｇ１，２，ＬＩＸｉｕｚｈｅｎ１，，ＴＡＮＧＹｉｎｇｙｉｎｇ１，ＸＩＮＺａｉｊｕｎ１，ＪＩＡＹｕｅ１，ＬＩＳｈｕｙｉｎｇ２１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｓｔｕａｒｉｎｅ＆ＣｏａｓｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００６２２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＹｕｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｕｘｉ６５３１００Ｒｅｃｅｉｖｅｄ４Ｊａｎｕａｒｙ２０１１；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２２Ｍａｒｃｈ２０１１；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ２２Ａｐｒｉｌ２０１１Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓｗｉｔｈＯｅｎａｎｔｈｅｊａｖａｎｉｃａｏｎｔｈｅｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｒｅｍｏｖａｌｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｔｈｅｓｅｗａｇｅｏｆｕｒｂａｎｃａｎａｌｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈ１８ｐｌａｓｔｉｃｔａｎｋｓ（ｓｉｚｅ：８４ｃｍ×６４ｃｍ×４８ｃｍ）ｐｌａｃｅｄａｔｔｈｅｕｒｂａｎｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒｓｉｄｅｉｎＳｈａｎｇｈａｉ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓｔｏｒｅｍｏｖｅｎｉｔｒｏｇｅｎｆｒｏｍｔｈｅｓｅｗａｇｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｅｓｓｓｔｕｂｂｌｅｈｅｉｇｈｔｓｆｏｒＮＯ－３ＮａｎｄＮＨ＋４Ｎｗｅｒｅ５２．５％～６９．８％ａｎｄ６８．１％～７６．７％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓｗｉｔｈ１９ｃｍｃｒｅｓｓｓｔｕｂｂｌｅｈｅｉｇｈｔｓｈｏｗｅｄｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｉｎｕｒｂａｎｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒｉｎｗｉｎｔｅｒ．Ｔｈｅｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｏｆｔｈｅ１９ｃｍｃｒｅｓｓｓｔｕｂｂｌｅｈｅｉｇｈｔｗａｓａｌｓｏｍｏｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ．Ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｏｔａｌａｅｒｏｂｉｃｂａｃｔｅｒｉａｉｎｔｈｅｓｅｗａｇｅｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｃｒｅｓｓｆｌｏａｔｉｎｇ－ｍａｔｓｙｓｔｅｍｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｖａｌｕｅ（７．０８±０．６０）×１０１２［ｌｇＡ（ＣＦＵ·ｍＬ－１）＝１２．８５］ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅ５ｔｈｗａｔｅｒｃｈａｎｇｅｃｙｃｌｅａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｗａｓ１ｔｏ４ｏｒｄｅｒｏｆｍａｇｎｉｔｕｄｅｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ（ｎｏｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓ）．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｗａｔｅｒｃｒｅｓｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｔｙｄｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ，ｉｎｗｈｉｃｈａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ，ａｍｍｏｎｉｆｉｅｒｓ，ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａ，ｎｉｔｒｏｓｏｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｗｅｒｅｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ｔｈｕｓ，ｗｅｂｅｌｉｅｖｅｄｔｈａｔｂｏｔｈｎｉｔｒｏｇｅｎａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎｂｙｔｈｅｐｌａｎｔａｎｄｂｉｏｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｉｎｔｈｅｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｈａｖｅｐｌａｙｅｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｄｕｒｉｎｇｒｅｍｏｖａｌｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｆｒｏｍｔｈｅｓｅｗａｇｅｗｉｔｈｗａｔｅｒｃｒｅｓｓｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｅｎａｎｔｈｅｊａｖａｎｉｃａｆｌｏａｔｉｎｇｍａｔｓ；ｍａｌｏｄｏｒｏｕｓｒｉｖｅｒ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ１０期周元清等：不同处理水芹浮床对城市河道黑臭污水的脱氮效果及其机理研究１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）随着城市的发展，城市河道污染问题越来越突出，尤其是氮元素的污染（柯孟岳等，２０１０；张永明等，２００９）．生物浮床具有可移动式运行、易维护、使用寿命长、低廉高效等特点而备受关注（胥丁文等，２０１０）．生物浮床可通过种植经济作物，在有效治理富营养化的同时收获农产品（李艳蔷等，２０１０；陈家长等，２０１０）．但是影响该技术的因素也较多，主要包括浮床植物种类的选择（吴建强等，２０１０）、水体污染程度的差异（郑罛等，２００６ａ；张志勇等，２００７）、植物的种植方式（周晓红等，２００８）和周边环境条件（郑剑锋等，２００８）等．水芹（ＯｅｎａｎｔｈｅＪａｖａｎｉｃａ）作为我国冬季特色水生蔬菜和典型的保健蔬菜．近几年，因其具有较高的生物量，可多次收割，耐低温，有人将水芹作为低温季节浮床植物的优势种用于富营养化水体的净化研究（李欲如和操家顺，２００５；郑罛等，２００６ｂ；李海英等，２００９），但对水芹浮床的氮循环细菌群落的研究却未见报道．通过对冬季不同留茬高度水芹浮床对城市河道污水氮循环细菌数量和脱氮效果的影响研究，试图阐明浮床植物去除污染水体氮素的可能途径，以期为生物浮床技术的发展提供一定的理论基础．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　供试植物试验中所使用水芹为上海本地种，来自上海市某菜市场的土培苗，经去土洗净后，取３０～３５ｃｍ苗高的水芹用城市河道污水驯化培养一周．２．２　供试水样供试水样取自上海市普陀区李家宅河道，其主要理化指标见表１．２．３　试验设计设置不采收根不灭菌，不采收根灭菌（２０％的次氯酸钠中轻摇５ｍｉｎ）两组试验．采收后分别留茬１３ｃｍ，１９ｃｍ，２５ｃｍ和空白对照，共６种处理，每种处理设３个重复．试验水箱规格为８４ｃｍ×６４ｃｍ×４８ｃｍ的长方体塑料箱，污水体积为０．２０～０．２１ｍ３．浮床由ＰＶＣ管和尼龙绳制成，管径３．２ｃｍ，规格为６０ｃｍ×５０ｃｍ，拉线栽培，每个浮床种植（１００±３）ｇ水芹．浮床对黑臭污水的处理时间为２００９年１１月１日至２０１０年１月１７日，每隔１５ｄ换一次黑臭河水，选取２０１０年１月１日至１６日（第５个换水周期）为测试时间，每４ｄ用Ｈｙｄｒｏｌａｂ多参数水质测定仪测定ＤＯ，叶绿素ａ，浊度ｐＨ值和温度；同时取水样（离水面１０ｃｍ，梅花取样后混匀）和根样（根尖２ｃｍ处２０～３．０ｇ）各５次．２．４　测试项目和方法２．４．１　水样测定　硝氮采用酚二磺酸分光光度法，参考标准为ＧＢ７４８０—８７；氨氮采用纳氏试剂比色法，参考标准为ＧＢ７４７９—８７（国家环保局，２００２）．２．４．２　微生物测定　无菌水洗涤根样，用灭菌纸吸干水分后剪碎称取１ｇ根放入装有玻璃珠的９９ｍＬ无菌水试管中，将包扎好的试管置于摇床上（１８０ｒ·ｍｉｎ－１）运转２４ｈ，常温下所得悬浮液即为根系附着物菌液．水样和根系附着物采用相同的细菌培养和技术方法，不同的细菌类群所用的培养基和测定方法不同（沈平等，１９９９），好氧菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂，自生固氮菌用阿须贝氏（Ａｓｈｂｙ）培养基，氨化菌用蛋白胨培养基，亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌分别用其选择性培养基进行培养．其中除好氧菌用稀释平板计数法外，氨化菌、硝化菌、亚硝化菌和反硝化菌均用液体稀释法（ＭＰＮ）测定其每ｍＬ水样中最大可能菌数（Ａ，单位为ＣＦＵ·ｍＬ－１）．由于不同菌群数量呈数量级变化，为便于分析，将最大可能菌数Ａ以１０为底取对数，即为ｌｇＡ（ＣＦＵ·ｍＬ－１）．２．５　数据分析应用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ２００７和ＳＰＳＳ１７．０统计软件对数据进行处理．３　结果（Ｒｅｓｕｌｔｓ）３．１　试验开始和结束时不同留茬水芹浮床的生长情况如表１所示，经过１６ｄ不同留茬浮床水芹的处理，城市河道污水的温度，ｐＨ，叶绿素ａ含量并无显著变化，浊度从（２４．９３±０．１５）～（２５．５７±０．５４）ＮＵＴ下降至（２．２０±０．３５）～（６．６３±０