不同基质对人工湿地脱氮效果和硝化及反硝化细菌分布的影响刘慎坦

第41卷第2期2011年3月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)Vol．41No．2Mar．2011doi:10．3969/j．issn．1001－0505．2011．02．035不同基质对人工湿地脱氮效果和硝化及反硝化细菌分布的影响刘慎坦1王国芳1谢祥峰1吴磊1李先宁1，2(1东南大学能源与环境学院，南京210096)(2东南大学环境医学工程教育部重点实验室，南京210096)摘要:对组合基质和煤渣基质潜流式人工湿地的脱氮效果进行了对比研究，结果表明:组合基质人工湿地的脱氮效果较好，氨氮和总氮的平均去除率达到81.9%和75.7%，而煤渣基质人工湿地的去除率相对较低，氨氮和总氮的平均去除率仅为59.6%和51.8%．为进一步探讨2组人工湿地脱氮效果差异显著的原因，研究了不同基质潜流式人工湿地系统内硝化细菌和反硝化细菌的空间分布．实验结果表明:基质类型对人工湿地中硝化细菌和反硝化细菌的数量和空间分布有较大影响;在上层，组合基质人工湿地硝化细菌数是煤渣基质人工湿地的2.8倍，在下层，反硝化细菌数是煤渣基质人工湿地的1.8倍．人工湿地表层溶解氧水平较高，硝化细菌密度大，底层溶解氧水平较低，反硝化细菌密度大，使得湿地中形成上层以硝化菌为主的硝化反应区和下层以反硝化菌为主的反硝化区．关键词:人工湿地;基质;硝化细菌;反硝化细菌中图分类号:X703文献标志码:A文章编号:1001－0505(2011)02-0400-06EffectofmatrixondenitrificationefficiencyanddistributionofnitrifyinganddenitrifyingbacteriainconstructedwetlandsLiuShentan1WangGuofang1XieXiangfeng1WuLei1LiXianning1，2(1SchoolofEnergyandEnvironment，SouthestUniversity，Nanjing210096，China)(2KeyLaboratoryofEnvironmentalMedicineandEngineeringofMinistryofEducation，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China)Abstract:Acomparativestudyonnitrogenremovalinsubsurfaceconstructedwetlandswithcombi-nationmatrixandcoalmatrixwasconducted．Theresultsindicatethattheremovalefficiencyofni-trogeninthecombinationmatrixconstructedwetlandishigher．Theaverageremovalrateofammo-nianitrogenandtotalnitrogenreach81.9%and75.7%．Whileinthecoalmatrixconstructedwet-land，theremovalefficiencyofnitrogeniscomparativelylower，andtheaverageremovalrateofam-monianitrogenandtotalnitrogenreachonly59.6%and51.8%．Tofurtherinvestigatethecauseofthesignificantdifferenceofnitrogenremovalefficiencyoftwogroupsofartificialwetlands，thespa-tialdistributionofnitrifyingbacteriaanddenitrifyingbacteriawasstudied．Theexperimentalresultsshowthatthenumberandthespatialdistributionofnitrifyingbacteriaanddenitrifyingbacteriaarein-fluencedbythetypeofthematrixusedinthewetlands．Intheupperlayer，thenumberofnitrifyingbacteriaofthecombinationmatrixconstructedwetlandis2.8timeslargerthanthecoalmatrixcon-structedwetland，whileinthelowerlayerthedenitrifyingbacteriawas1.8timeslarger．Thedensityofnitrifyingbacteriaintheupperlayerishighduetohighdissolvedoxygenandthedensityofdeni-trifyingbacteriainthelowerlayerishighduetolowdissolvedoxygen，whichresultinnitrificationareaintheupperlayeranddenitrificationareainthelowerlayer．Keywords:constructedwetland;matrix;nitrifyingbacteria;denitrifyingbacteria收稿日期:2010-11-04．作者简介:刘慎坦(1984—)，男，博士生;李先宁(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，[e-mail]．基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2008322)、江苏省科技支撑计划资助项目(BE2008408)．引文格式:刘慎坦，王国芳，谢祥峰，等．不同基质对人工湿地脱氮效果和硝化及反硝化细菌分布的影响［J］．东南大学学报:自然科学版，2011，41(2):400-405．［doi:10．3969/j．issn．1001－0505．2011．02．035］我国农村经济基础薄弱，污水收集系统不完善，造成农田排水、灌溉余水、村落污水、畜禽养殖污水和部分雨水径流等组成的农业径流的大量排放．由于农业径流污水具有面广、量大、分散、间歇的峰值和高无机沉淀物负荷的特点［1］，利用传统污水处理技术处理时，难度大、维护管理复杂、投资和运行费高．人工湿地污水处理技术是通过人工构建的由土壤(或其他基质)、植物、微生物形成的独特生态系统，充分利用了天然湿地系统净化污水的特点和自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化［2］．因此，人工湿地具有低投资、低能耗和维护管理简便的特点．从目前国内外研究和应用的各种生态控制技术来看，人工湿地技术是目前治理和控制农业径流污水最实际、最有效的工程措施之一［3-4］．人工湿地中植物、微生物、土壤基质以及污水的组成都会影响氮的去除效果，由于这些复杂因素的相互作用使得人工湿地的脱氮效率在11%～90%之间变化［5］．基质是人工湿地中水生植物和微生物赖以生存的场所，一方面为水生植物提供载体和营养物质，同时也为微生物的生长提供了稳定的依附表面，是污水中有机物转为无机物的枢纽．Vacca等［6］的研究表明，人工湿地对营养物质和有机物起转移和矿化作用的主要是基质中的微生物，而基质中硝化菌和反硝化菌的代谢则是人工湿地去除氮的主要作用．因此，本文在相同进水水质和水力负荷下，研究2种不同基质类型(组合基质和煤渣基质)潜流式人工湿地的脱氮效果，同时研究2组潜流式人工湿地中硝化细菌和反硝化细菌的空间分布，以及基质和溶解氧对硝化细菌和反硝化细菌数量的影响，进一步分析人工湿地采用不同基质时硝化及反硝化细菌对脱氮效率的影响，为人工湿地的优化设计及运行参数提供理论依据和指导．1材料与方法1.1潜流式人工湿地人工湿地试验装置位于宜兴市大浦镇林庄村，湿地采用砖砌结构，分为2组，每组平面长宽尺寸为7m×0.7m，有效深度0.75m，坡度为0.5%，如图1所示．为考察基质条件对污染物去除的影响，采用组合基质和煤渣基质2种不同基质组成的潜流式人工湿地进行了对比试验研究，其中组合基质人工湿地由底部向上依次填充40cm厚的碎砖(粒径为30～50mm)、30cm厚的砾石(粒径为10～20mm)和5cm厚的细砂(粒径为5～10mm);煤渣基质人工湿地中填充烧煤锅炉的弃渣．湿地种植芦苇，栽植密度为25株/m2．图1潜流式人工湿地装置示意图(单位:m)本研究对象的人工湿地为稳定运行1a以上的人工湿地，该湿地建于2008年3月，本研究试验期间为2009-05-28—07-12．湿地采用连续进水方式，进水采用经化粪池预处理后的农村生活污水，主要水质指标见表1，水力负荷为10cm/d，相应HRT约7d．表1试验期间湿地进水水质mg/L参数ρ(COD)ρ(NH4+-N)ρ(TN)ρ(TP)范围45.3～331.57.9～47.59.1～48.40.3～2.8平均值95.517.121.81.11.2检测项目及方法为了监测湿地沿程水质、DO等变化情况，在湿地廊道前、中、后段埋设了管径为30mm的PVC取样管，如图1所示，3个取样点距进水口距离分别为1.5，3.5，5.5m．同时在水样取样点钻取上下2层基质样品分析细菌总数及硝化细菌和反硝化细菌的数量分布情况，其中上层为基质层表面下5～10cm处，下层设在基质层表面下30～40cm处，检测项目COD，TN，NH+4-N均采用国家标准方法［7］测定，DO采用溶解仪测定，硝化细菌数采用荧光原位杂交法［8］测定，反硝化细菌数采用最大可能数(MPN)法［9］测定．2实验结果2.1人工湿地对氨氮和总氮的去除特性图2(a)为组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地运行过程中的进、出水氨氮浓度变化情况．整个试验阶段，进水氨氮浓度在7.9～47.5mg/L范围内变化，组合基质人工湿地出水的氨氮平均浓度为4.0mg/L，对氨氮的平均去除率(去除率的平均值)达到81.9%，而煤渣基质人工湿地出水的氨氮平均浓度为8.7mg/L，对氨氮的平均去除率仅为59.6%．104第2期刘慎坦，等:不同基质对人工湿地脱氮效果和硝化及反硝化细菌分布的影响图2人工湿地对污水中氨氮和总氮去除情况图2(b)为组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地运行过程中的进、出水总氮浓度变化情况，整个试验期间，进水的总氮浓度变化范围较大，最小时仅为9.1mg/L，而最大时则为48.4mg/L．组合基质人工湿地出水总氮的平均浓度为6.6mg/L，对总氮的平均去除率为75.7%，而煤渣基质人工湿地出水总氮的平均浓度为13.1mg/L，对总氮的平均去除率只有51.8%．从以上实验结果可以看出:在相同进水水质和水力负荷运行条件下，不同基质的选择关系到人工湿地整体的脱氮效果．在人工湿地中，对于氮的去除，除植物吸收与过滤作用外，硝化反硝化等微生物反应是净化主体［10］，对2组人工湿地中硝化细菌数及反硝化细菌数的检测表明，组合基质人工湿地中硝化细菌数量多于煤渣基质人工湿地，且组合基质人工湿地通过合理的选择搭配碎砖、砾石和细砂，形成了明显的微生物量分层，从而大大提高了氮的去除效率;而煤渣基质人工湿地由于采用单一基质，湿地整体孔隙率较小，影响了基质的渗透性能，导致湿地的脱氮效果较差．另外，多种基质之间的协同效应［11］也是造成组合基质人工湿地的脱氮效果好于煤渣基质人工湿地的一个重要原因．2.2人工湿地沿程氨氮和总氮的变化人工湿地稳定运行阶段，2种基质人工湿地的氨氮和总氮沿程的变化曲线分别如图3所示．图3人工湿地沿程的氨氮和总氮浓度变化曲线对于氨氮和总氮的沿程变化，2种基质人工湿地均有显著的差异．组合基质人工湿地氨氮变化基本呈直线下降，进水氨氮平均浓度为24.6mg/L，出水氨