间歇曝气强化人工湿地低温脱氮研究

康晓荣　刘亚利　周友新　苏瑛

摘要：为了提高秋、冬季节人工湿地的去污效果，本研究采用间歇曝气方式强化人工湿地对营养盐的处理。研究结果表明：间歇曝气有效提高了人工湿地对有机物、氨氮和总氮的去除效率，即使在低温季节（12月-2月）下，COD、氨氮和总氮的平均去除率分别达到67.6%、76.4%和63.9%。采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）技术对根系微生物进行分析发现：具有氨氮氧化和反硝化能力的Actinobacteria和β-proteobacteria在间歇曝气方式下得到更好的生长，同时有机物降解菌属Bacteroidetes和Firmicutes是人工湿地中的优势菌属。

关键词：人工湿地;间歇曝气;氨氮;微生物群落

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）03-0074-04

Studies on Intermittent Aeration Enhancing Nitrogen Removal

of Constructed Wetland at Low Temperature

KANG Xiaorong1， LIU Yali2， ZHOU Youxin3， SU Ying3

（1. School of Environmental Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 210037;

2.School of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037;

3.School of Civil Engineering， Yancheng Institute of Technology， Jiangsu Yancheng 224002）

Abstract：In order to improve the removal performances of constructed wetlands in autumn and winter， in this paper， intermittent aeration was used to strengthen the treatment of nutrient in constructed wetlands. The results showed that intermittent aeration effectively improved the removal efficiencies of organic matter， ammonia nitrogen and total nitrogen. Even in low temperature environment （December-February）， the removal rates of COD， ammonia nitrogen and TN reached 67.6%， 76.4% and 63.9%， respectively. Microorganisms at the roots of plants were analyzed by PCR-DGGE. The microbial analysis suggested that Actinobacteria and β-proteobacteria， which were mainly involved in ammonia oxidation and denitrification， were promoted by intermittent aeration model. Meanwhile Bacteroidetes and Firmicutes， which were responsible for removal of organic matters， were dominant group in constructed wetlands.

Keywords：Constructed wetland; intermittent aeration; ammonia nitrogen; microbial community

0引言

人工湿地具有处理效果好、成本低和运行维护简单等优点，被广泛应用于污水处理、河道净化、生态修复以及海绵城市建设等领域[1-3]。人工湿地利用植物吸收、底部填料吸附，以及微生物的生命活动来降解水中的氨氮（NH+4-N）等营养物质[4-5]。然而，人工湿地的脱氮效果受温度影响较大，特别是在我国北方地区，有机物、氨氮和总氮（TN）的去除率相较其他季节更低[6]。由此可见，在秋冬低温环境下脱氮效率低下是影响人工湿地技术应用的难题。

为了提高人工湿地低温脱氮效果，国内外学者除了采用覆盖植物和地膜等保温措施外[7]，还筛选耐低温的微生物、填料和植物[8-9]，甚至优化并开发适合低温地区的新工艺[10]。最近研究认为：湿地植物对氮的吸收作用相對较弱，微生物的硝化和反硝化作用对总氮的去除则至关重要[11-13]。但是，在秋冬低温条件下，植物枯萎，生命活动减弱，植物根系不能为微生物提供适合的载体和氧气，导致氧传递能力不能满足有机物降解的需求[14-16]。因此，人工强化供氧为硝化和反硝化菌提供良好的生存环境，这为提高人工湿地低温脱氮效果的重要措施之一[17-18]。

本文采用间歇曝气方式强化人工湿地在秋冬季节的脱氮效果，重点考察间歇曝气方式对有机物、氨氮和总氮的去除规律，并研究秋冬两季中常温和低温环境下植物根系微生物群落的演替规律，为人工湿地低温脱氮技术的发展提供理论和技术支持。

1实验材料和方法

1.1实验设计

本实验所采用的人工湿地如图1所示。人工湿地的表面积为3 m2（长3 m，沉水植物区1 m，挺水植物区2 m，宽1 m），有效水深1 m，水力停留时间（HRT）为6 d。污水进水流量为0.5 m3/d。进水为校园生活污水，水质参数：化学需氧量（COD）为110 ± 20 mg/L、总氮为21.4 ±10 mg/L、氨氮为17.2 ± 5.7 mg/L。

1.2植物选择与控制方式

人工湿地植物选择耐污能力强、对寒冷有一定的耐性且为当地环境中的优势植物。本试验选择3种挺水植物芦苇、香蒲和菖蒲。3种沉水植物金鱼藻、粉绿狐尾藻和菹草。曝气装置（回转式鼓风机，HC251S）设置在人工湿地的底部，沉水植物的开放水面处设置溶解氧（DO）检测点。间歇曝气的控制方式：当DO浓度为0.5 mg/L时开始曝气，达到2.0 mg/L时停止曝气。

1.3检测方法

水质监测在常温和低温的9月-2月份进行，分别检测进出水中的COD、总氮和氨氮。微生物检测分别取人工湿地中常温（9月-11月）、低温（12月-2月）各取根系底部4个微生物样本进行检测。4个样本分别为：I（常温-不曝气），II（低温-不曝气），III（常温-曝气），IV（低温-曝气）。

COD、总氮和氨氮采用国家标准方法测定[19]，DO采用溶解氧仪测定。微生物采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）进行检测。采用上海华舜生物公司的细菌DNA试剂对底泥中的DNA进行提取。对提取的DNA通过16S rRNA通用引物BSF338 （5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3）和BSR534（5-ATTACCGCGGCTGCTGG-3）进行PCR扩增。DGGE具体操作过程如文献[20]所述。

2实验结果和讨论

2.1间歇曝气对COD的去除影响

间歇曝气对人工湿地进出水COD浓度的影响如图2所示。由图2可见，无论在常温还是低温条件下，与不曝气相比，间歇曝气可使平均出水COD浓度有一定的降低，但差距不大，相应的去除率为61.7%～70.1%。这说明大量的微生物能够负载在遴选的优势植物根系，并且能够促进有机污染物的去除。对比常温（9月-11月）和低温（12月-2月）情况来看，常温条件下，COD的去除率略高于低温时。总体来说间歇曝气方式对有机物氧化作用效果不明显，这主要是因为：人工湿地系统中有机物的去除主要包括湿地填料（卵石、砂石）的过滤、吸附和截留作用，植物根系的吸附和沉淀作用，微生物絮体的吸附和降解作用，而只有部分有机物的去除主要通过微生物的降解来实现。在低温环境中由微生物的生命活动引起的COD去除受到了影响。从COD浓度变化来看，间歇曝气方式未能有效促进有机物的去除，这与以有机物去除为主的人工湿地设计中不布置曝气设施是一致的。

2.2间歇曝气对氨氮的去除影响

间歇曝气对人工湿地中氨氮转化的影响如图3所示。由图3可见，沉水植物和挺水植物联合的人工湿地对氨氮有很好的去除效率。在9月-11月份，不曝气和间歇曝气条件下，氨氮的平均去除效率分别为72.5%和84.7%。而在低温（12月-2月）时期，氨氮的氧化能力受到了温度的影响，出水氨氮的平均浓度从常温（9月-11月）的2.53 mg/L升高到了低温阶段（12月-2月）的4.25 mg/L，但总体来说，间歇曝气人工湿地中的氨氮去除率仍高于不曝气人工湿地。这说明间歇曝气供氧比单一以植物根系传递和表面接触供氧的效率要高，强化了氨氮的氧化过程。

2.3间歇曝气对总氮的去除影响

人工湿地对总氮的去除主要依靠微生物的反硝化作用来实现，维持反硝化菌所需的有机物和硝酸盐氮是总氮高效去除的前提[11，13]。间歇曝气对总氮的去除影响如图4所示。由图4可知，常温阶段，间歇曝气对总氮的去除效率较高，平均出水浓度为4.42 mg/L，相应的平均去除率达到79.1%。低温阶段，间歇曝气人工湿地中总氮的平均出水浓度和去除率为7.59 mg/L和64.4%，仍明显高于不曝气人工湿地。氨氮去除过程主要是在有氧的环境中氨氮被氨氧化菌氧化成硝态氮，因而氨氮的去除率反应氨氧化菌的活性。而总氮是在缺氧的条件通过反硝化菌将硝态氮转化为氮气去除。总体来说，以间歇曝气-植物-微生物构建的人工湿地体系在低温环境（12月-2月）有一定的适应性，相比仅依靠植物根系携氧，间歇曝气方式能够强化缺氧/好氧的交替环境，但是低温环境还是对氨氧化菌和反硝化菌活性产生了影响，去除率相比于常温有所降低。

2.4间歇曝气对微生物群落的影响

微生物是人工湿地中有机物去除、氨氮氧化和总氮降解的主要贡献者，因此，有必要研究间歇曝气对常温和低温条件下植物根系微生物的影响。从图5可以看出，无论常温还是低温，间歇曝气还是不曝气，植物根系的微生物主要以Actinobacteria、β-proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes为主，其中β-proteobacteria所占比例最高。在常温和低温阶段，间歇曝气使的β-proteobacteria所占比例分别从不曝气时的35.18%和24.07%提高到42.37%和41.66%，相應的Actinobacteria所占比例则分别从18.51%和12.96%提高到22.03%和18.75%。结合总氮的去除规律进行分析发现，β-proteobacteria和Actinobacteria的变化规律与总氮的去除规律相似，这与前人的研究结果一致[12]，β-proteobacteria和Actinobacteria能够利用多种碳源完成反硝化反应[21]，被认为是提高总氮降解转化的主要原因。此外，Bacteroidetes和Firmicutes也是主要细菌，受间歇曝气的影响较小，是污水处理中的常见菌属，其中Firmicutes与有机物降解以及反硝化过程息息相关[22]。

3结论

间歇曝气-植物-微生物体系的人工湿地在低温环境下具有更好的去污能力。间歇曝气强化了氧的供给，为微生物提供了良好的缺氧/好氧环境，能够促进低温环境下氨氮的硝化和反硝化反应进行。对植物根系微生物的分析表明：Actinobacteria、β-proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes是人工濕地中的主要菌属，其中Actinobacteria和β-proteobacteria是参与氨氮转化/总氮去除的主要细菌，在间歇曝气条件下得到强化，同时主要以有机物降解为主的Bacteroidetes和Firmicutes菌属占有较大比例。

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