微生物在人工湿地污水处理中的应用

微生物在人工湿地污水处理中的应用

人工湿地技术是20世纪70年代末开发的一种新型的废水生态处理技术。其特点是投资少、效率高、抗冲、处理效果稳定、运营成本低、维护方便、景观生态适应性好等。目前已被用于处理各种类型的废水,如居民生活污水、养殖废水、酸性矿排水、暴雨径流、面源污染控制以及河流、湖泊湿地恢复和重建,同时在城市市政工程建设中发挥作用。一般认为,人工湿地是通过植物-土壤-微生物的综合作用实现对污染物去除的,其中微生物是对污染物进行吸收和降解的主要生物群体和承担者,微生物在湿地基质中与其他动物和植物共生体的相互关系往往起着核心作用。在人工湿地系统净化污水过程中,基质中的微生物起到十分重要的作用,一方面它们既是生态系统中的重要组成部分,另一方面又是有机污染物去除的积极分解者,它们的组成以及功能的发挥将直接影响人工湿地的净化效果。近年来对湿地微生物的研究逐渐深入,包括微生物种群时空分布,微生物酶活性,遗传多样性等。本文总结归纳了国内外有关人工湿地系统中微生物去除污染物的研究进展。1湿地微生物去除污染物的研究围绕人工湿地基质微生物去除污染物已经展开了多方面的研究,主要包括微生物数量、种群分布、酶活性以及有机物的生物降解等几方面。1.1不同微生物制剂对人工湿地的净化效果黄德锋等分析了复合垂直流人工湿地污染物的沿程降解情况。结果表明,湿地系统中污染物质量浓度沿程逐渐降低。当污水由下行池流入上行池时,大部分污染物已被去除,TN、TP、COD和NH+4-N在下行池的去除率分别为63.7%、66.7%、72.2%和67.9%,污染物主要在下行池通过基质微生物和植物的协同作用被去除。有机污染物通过好氧、兼氧以及厌氧微生物的作用被降解,出水ρCOD在10mg/L以下。郭如美等主要测定了泗洪潜流式人工湿地芦苇根面及填料表面上氨化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌的数量分布情况,并初步探讨了人工湿地脱氮效果。结果显示湿地中细菌数量丰富,氮去除效果较好,其中氨氮、凯氏氮、总氮的去除率分别为55.5%、60.1%和53.6%。研究人员测定了人工湿地基质微生物,人工湿地基质好氧微生物数量下行池大于上行池;基质上层好氧微生物数量显著大于中下层基质;基质上层区域是人工湿地污水处理系统最有效的净化空间。由于人工湿地下行池基质中好氧微生物数量大于上行池,在人工湿地净化污水的过程中,下行池的作用占主导地位。郑仁宏等探讨了表面流人工湿地脱氮过程中沿程硝化和反硝化作用的变化,以及不同C∶N对系统反硝化强度的影响。研究结果表明:表层土壤硝化强度高于深层土壤,对NH+4-N的去除具有较好的效果;深层土壤反硝化作用优于表层土壤;反硝化细菌的生长需要碳源来合成细胞,5倍碳源的反硝化强度高于3倍碳源,不加碳源时最低。系统在进行反硝化作用时由于菌群生长需要碳源从而降低了COD,有利于TN和COD的去除;反硝化作用主要在系统的1/3至1/2进行,末端强于前端,符合微生物脱氮反应的基本过程。在保证碳源供给的条件下,能充分发挥系统反硝化脱氮作用,有利于TN的去除。林静等研究了添加复合微生物制剂对芦苇人工湿地系统去除苏州河水污染物的影响。于2005年2月17日~10月25日测定了氨氮的变化。苏州河河水的氨氮数值在2~9mg/L之间波动,春夏季比较高,冬季低。河水经过芦苇湿地后氨氮有显著的降低,从氨氮的去除率上看,氨氮平均去除率在30%~40%之间,最高可以达到70%~80%,进入秋季,出水的氨氮可以低于1mg/L。加菌剂的试验组出水氨氮显著低于对照组(TTEST,P<0.01)。说明菌剂的投加可以提高氨氮的去除率,强化氨氮的去除效果。季节变化对于氨氮的去除有较大的影响,春秋季节有利于氨氮的去除,究其原因可能与温度有关。在冬季,气温普遍在0℃以下,即使人工湿地采取了保温隔离措施,水温一般仍然很低,约在0~5℃间。微生物不能得到根系的保护,所受到温度急剧降低的冲击更为明显,几乎失去处理的能力。氮去除率取决于人工湿地内的温度,有一些学者提出实质上的硝化作用在4℃时就停止了。然而,有数据显示:低负荷的潜流式人工湿地能在温度2.8~4.4℃使氨氧化。在加拿大的一个垂直流式人工湿地,硝化反应能在2~5℃的温度内进行;一个由美国田纳西州山谷当局取得专利权的、可间歇交替使用的项目,经证实总氮的去除率已超过85%。Gearheart研究发现在一定的温度范围之内,在北美代表地区,湿地中氮的去除率相对稳定,Vymazal的研究发现氨化过程与温度的关系最为密切。Crites研究发现在10℃时硝化速率比较稳定,当温度低于10℃时,湿地处理效率则明显下降,Brodrick等研究发现反硝化速率在5℃左右非常低,大大限制了湿地脱氮作用的发挥,Herskowitz等研究发现在6℃左右时湿地几乎没有去除效果。在夏季高温条件下,湿地的脱氮效率明显提高,而当夏季温度高于30℃时,高温湿地基质酶活性产生拟制作用,影响硝化菌和反硝化菌的生物化学过程,反而影响湿地脱氮效果。刘学燕等的研究也同样表明在水温低于4℃的条件下氨氮的去除率仍然可以达到约50%。在滤床内有较大空气运动的湿地,氮的去除率会比较好。但一般冬季运行的人工湿地几乎是在封闭的系统内进行的,进水温度低,甚至接近0℃,可以通过强制在床体通风来获得能量和足够的氧气,对此有待进一步实验研究。综上所述,不同类型人工湿地系统中,去除污染物的效果不尽相同。湿地中微生物必须在一定温度下才能发挥活性,所有这些能量均来源于太阳光能,而在湿地的处理时段内,随着太阳幅射的周期性变化和年变化,湿地水体和湿地土壤的温度也发生周期性变化,湿地的去除效果也随之规律性波动,因而会出现处理效率的差异。1.2不同季节和地带性湿地微生物群落结构人工湿地中存在大量的厌氧、好氧和兼性菌群,这些微生物存在于湿地的土壤或砾石填料的表面和植物的根系表面,通过参与营养物的循环和改善填料氧化还原条件,以实现湿地处理污水的功能。吴振斌等通过磷脂脂肪酸(PLFAs)分析,研究了复合垂直流人工湿地基质剖面的微生物群落结构及其分布特征。基质中好氧原核微生物为优势类群,其次为革兰氏阳性细菌及其他厌氧细菌,真核微生物所占比例最低。统计结果显示,好氧原核微生物的特征PLFAs相对含量在上行池表层最高;革兰氏阳性细菌、SRB及其他厌氧细菌的特征PLFAs相对含量在下行池中层显著高于其他位点,指示该区域为湿地系统主要的兼性厌氧功能区,为控制和强化湿地净化效果提供理论基础。谢冰等采用单链构象多态性(SSCP)技术对上海梦清园芦苇人工湿地底泥微生物群落结构进行了研究。采用SSCP技术对芦苇湿地底泥中的微生物DNA研究表明,当凝胶浓度10%、交联度49∶1、5%的尿素,PCR产物上样量为4μL,电压为150V时,可以得到重复性好的指纹图谱。PCR-SSCP实验结果显示,芦苇人工湿地中优势微生物主要是一些对环境适应能力强的芽孢杆菌。季节变化和进水水质变化对微生物群落结构有较大影响,湿地微生物DNA多样性呈现季节性和地带性变化。邓欢欢等利用Biolog微平板技术研究了水平潜流人工湿地基质微生物群落结构,主成分分析(PCA)结果表明,不同部位的基质微生物群落具有不同的群落结构。功能多样性指标分析表明,基质上层微生物群落丰度、均匀性和多样性指标均高于下层,前部下层微生物群落的均匀性指数显著低于其他取样点,存在较强的优势种;后部下层的丰度指数则明显低于其他采样部位。张甲耀等研究不同植物构成的潜流型人工湿地处理系统的净化能力及其异养细菌数量,发现在芦苇湿地中有假单胞菌属、无色杆菌属、不动杆菌属、黄杆菌属、黄单胞菌草属、短杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、葡萄球菌属和微球菌属等,假单胞菌属、无色杆菌属和不动杆菌属细菌是优势菌。在无植物系统中假单胞菌属也是优势菌,但没有分离到不动杆菌属、黄杆菌属和微球菌属细菌。沈耀良等发现人工湿地内存在明显的好氧菌和厌氧菌群体,在植物的根、茎上好氧微生物占优势;而在植物的根系区则既有好氧微生物的活动,也有兼性厌氧微生物的活动;在冬季,虽然湿地植物的地上部分要枯萎,但湿地中各类微生物的数量则基本上保持在较高的水平上,不过好氧微生物和兼性厌氧微生物数量的比值有所减少。人工湿地污水处理系统是一个高含氮环境,有大量微生物参与氮素物质的转化。许多学者把涉及氮转化的细菌作为研究的重点。有研究结果表明人工湿地系统中氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌数量都处于较高水平,湿地中氮转化细菌丰富,有植物系统中亚硝化菌数量高于无植物系统。梁威等对不同季节的芦苇、茭白和香蒲等湿地系统植物根区、无植物对照微生物分布状况以及净化效果进行研究,结果显示种植不同植物的湿地系统根区微生物数量不同,其湿地净化效果也不同;季节变化显示湿地系统秋季的细菌总数量比夏季高;但对照系统夏季的真菌和放线菌数量明显高于秋季;湿地系统总磷的去除率夏季高于秋季。相关性分析发现湿地植物根区的细菌总数与污染物的去除率之间存在显著相关性,而根区微生物数量与TP、COD和凯氏氮(KN)的去除率之间不存在显著相关性。Ibekwe等用PCR-DGGE技术分别对16SrNA基因和氨单加氧酶基因(amoA)扩增条带进行分析,研究处理奶场废水的人工湿地出水中总细菌种群和氨氧化细菌种群的组成的变化。研究结果表明,总细菌种群主要由Bacillus,Clostridium,Mycoplasma,Eubacterium和Proteobacteria组成,与哺乳动物胃肠道内菌群相似。氨氧化细菌种群分析显示,在湿地系统中Nitrosospira相似条带占较高比例,且实验期间没有发生优势种群的变化,而在原水、粪便和兼性厌氧池塘中的Nitrosomonas相似条带占较高比例。Kevin等在英国康沃尔市建立了一个用来处理重金属矿山废水的人工湿地,研究人员在为期30个月的时间段内富集培养了不同种的嗜酸细菌,结果发现最初出现的是中度嗜酸铁氧化细菌(Halothiobacillusneapolitanus),随后出现的优势种群是异养嗜酸菌,并且从湿地中筛选出了在酸矿废水中没有出现的细菌。Vacca等研究人工湿地中细菌的去除过程时用PCR-SSCP(single-strandconformationpolymorphism,单链构象多态性)来分析细菌多样性,结果表明出水中微生物多样性要显著低于进水中微生物多样性;与土壤相比,根区条带的增加表明植物能够刺激特殊的微生物种群的出现;沙和膨胀粘土根区指纹的不同说明基质类型的不同将导致微生物种群的不同,上述研究结果表明湿地系统的微生物种群受到过滤过程、过滤介质和植物的影响。Tam研究废水对红树林土壤微生物种群和酶活性的影响时,发现试验土壤中的需氧和兼性异养细菌以及硝化与反硝化细菌总数要显著高于对照土壤,这些表明废水中的有机物和营养物质能够刺激细菌的大量增加,而重金属的存在并没有产生副作用,研究者认为可能是由于重金属的抑制作用被营养物的刺激作用所掩盖,从实验结果来看,相比较重金属污染,废水中的有机物和营养物质对微生物活性有显著的影响。众多研究都表明,不同人工湿地中的微生物种群和数量均不同,主要原因是由湿地废水来源和类型的不同,种植植物的不同,基质材料和运行管理方式的不同等因素导致的。所以可以针对不同的应用对象,选择不同类型的人工湿地来调控微生物的种群数量,提高净化效果。1.3不同基质中微生物活性的研究人工湿地中酶的活性是微生物功能的一种体现,其活性高低直接影响着污水的净化效果,并且是人工湿地运行效果好坏的一个指标。国内外的科研工作者围绕人工湿地中酶,开展了不少研究。徐德福等研究了不同基质的酶活性,发现不同基质的脲酶和磷酸酶活性存在差异。砂子/土壤/泥炭混合物与土壤的脲酶活性都显著高于砂子和土壤/砂子的混合物(P<0.05)。砂子/土壤/泥炭混合物的脲酶活性是砂子的2.4倍,砂子/土壤混合物和砂子中脲酶活性差异不大。砂子/土壤/泥炭混合物的磷酸酶活性显著高于砂子(P<0.05),而砂子的磷酸酶活性最低,砂子/土壤/泥炭混合物的磷酸酶活性是砂子的17.14倍。基质脲酶和磷酸酶活性均为:砂子/土壤/泥炭混合物>土壤>土壤/砂子混合物>砂子。崔玉波等针对寒冷地区季节性运行的人工湿地,研究了两级逆向垂直潜流人工湿地中微生物INT-脱氢酶活性(DHA)的变化。系统中0.15m深度较0.22m深度的微生物DHA高,可能的原因是由于根系活动和受大气复氧的影响。DHA受温度变化影响明显。系统启动初期,微生物DHA随气温升高而升高;系统运行后期,DHA随气温降低相应下降。同时,DHA受营养物水平影响,高营养对应着高活性。人工湿地中的微生物脱氢酶活性存在明显的空间和时间变化特征。李智等测定了人工湿地酶活性,人工湿地基质中酶活性下行池大于上行池;基质上层磷酸酶、脲酶和蛋白酶的活性显著大于中下层基质;不同时间的基质酶活性不同。由于人工湿地下行池基质中酶活性大于上行池,在人工湿地净化污水的过程中,下行池的作用占主导地位。宋铁红等认为湿地中的微生物活性对环境温度的变化有一个适应过程,也存在一个适应的温度范围。可以说,在适宜的温度范围内,微生物的活性是可以恢复的;但超过这个范围,用INT所检测的活性就很低,或者根本检测不出活性,具体的温度范围尚需要进一步研究。周巧红等对复合垂直流人工湿地基质中6种酶的酶活性和5种细菌生理类群数量进行了测定,从基质酶的角度阐明人工湿地的净化机理,并丰富了生理、生化等方面信息。吴振斌等研究了复合垂直流人工湿地基质中的磷酸酶和脲酶活性及与污水净化效果的关系,为利用酶活性强度作为评价净化效果和挑选合适湿地植物的指标提供了理论依据。成水平等对香蒲系统人工湿地中涉及碳、氮、磷元素的纤维素酶、蛋白酶和磷酸酶活性以及空间分布进行了初步调查。还有学者对不同湿地中的氧化还原酶开展了研究工作,例如梁永超等对水稻土壤中的铁还原酶进行了研究;张甲耀等对潜流型人工湿地中的乙醇酸氧化酶、硝酸还原酶以及超氧化物歧化酶进行了研究。Shackle等研究不同的碳源供给对人工湿地中酶活性的影响时在人工湿地中添加10mg/L和100mg/L的纤维素和葡萄糖,结果表明在54d内磷酸酶活性差别不显著,硫酸酯酶活性比对照显著的降低,分别是对照的53%(葡萄糖)和79%(纤维素),当投加纤维素10mg/L和100mg/L,β-葡萄糖苷酶分别增加127%和161%。张建等对冬季潜流人工湿地内污染物去除效果和微生物生物系统的功能特性进行了研究,考察了系统内土壤脲酶和脱氢酶活性的变化规律。脱氢酶和脲酶的活性常被用来作为土壤中微生物活性的评价指标。脱氢酶能促进有机物质的脱氢作用,它起着氢的中间传递体的作用。土壤脱氢酶活性的测定,主要是根据Lenhard所拟定的方法进行。脲酶能酶促尿素的水解生成氨和二氧化碳。脲酶在土壤中一般在pH6.5~7.0的范围内活性最大。土壤中脲酶活性通常采用1g土样在37℃培养24h释放出氨氮的mg数来表示。对冬季运行条件下人工湿地系统中的土壤微生物活性进行了分析,由于系统温度上升(比无地膜覆盖高出2~6℃),微生物活性得到提高,脲酶的活性提高到覆盖地膜前的1.5倍,脱氢酶的活性提高了近27倍。由此可见,覆盖地膜后,由于系统温度的上升,微生物活性得到显著提高,这是覆盖地膜后系统对污染物去除效果提高的一个重要原因。综上所述,人工湿地中各种酶活性会受到空间、污染负荷、污染物类型等等的影响,所以可以通过改变人工湿地的条件来调控胞外酶使其达到最佳的处理污水的状态。为增强系统的去除污染物功能,在人工湿地系统中投加酶制剂,可以增加系统的微生物量以及酶活性,加快湿地系统中污染物的转化。1.4生物多样性变化人工湿地系统的微生物在去除特殊的有机污染物时发挥了重要的作用,已有学者针对多种特殊有机污染物展开了研究。Machate等对基质是火山熔岩的垂直流人工湿地进行研究,发现菲降解细菌数量在污水经过的第一池中最高,同时各池中总细菌数量基本恒定,基质中的细菌数是水体中的1000倍,添加菲的池子中的菲降解细菌数量是106个/g,而没有添加菲的池子中的菲降解细菌数量是102个/g。Chong等用人工湿地处理含乙二醇的机场废水,发现潜流人工湿地和表面流人工湿地对乙二醇的去除率分别为78%和54%,监测乙二醇投加前后土壤微生物种群数量的变化时发现细菌、真菌和放线菌非常丰富,实验室的进一步研究表明细菌、真菌能够最大限度地耐受乙二醇,并且一些菌株能够降解利用乙二醇。Giraud等用从湿地基质中筛选的40株真菌(24个属)降解多环芳烃蒽和荧蒽,发现33株菌能够降解荧蒽,有2株能降解蒽,说明可以通过富集真菌来提高人工湿地处理污水的能力。许多学者都研究了人工湿地对除草剂阿特拉津(atrazine)的去除。Runes等用人工湿地处理阿特拉津,用MPN法测定细菌数量时发现有部分微生物能够矿化阿特拉津的乙烷基侧链。Anderson等调查美国俄亥俄州的两个湿地对阿特拉津的矿化作用,一个湿地的源水来自是农业集水区,另外一个的源水是曾经用阿特拉津处理过的玉米地。用14C标记阿特拉津,结果表明一个月的时间内有70%~80%的阿特拉津得到矿化,实验数据表明第一个湿地基质微生物种群能够矿化阿特拉津,它的活性水平依赖于湿地进水的阿特拉津的浓度,而第二个湿地却没有发现降解活性,可能是由于源水中较低的阿特拉津浓度所致。Weaver等用人工湿地中的土壤研究阿特拉津和伏草隆的降解,试验土壤从密西西比河三角洲的人工湿地距表层3cm处采集,土壤分别投加84μg/kg和86μg/kg的14C标记的阿特拉津和伏草隆(fluometuron),2组实验均做水饱和(88%的湿度)和淹水处理,在32d的实验时间内,伏草隆在水饱和状态和淹水状态下半衰期分别为25~27d和175d,而阿特拉津无论在饱和水状态还是在淹水状态,半衰期大约为23d,结果表明湿地土壤能够较好地处理阿特拉津这种除草剂。综上所述,人工湿地系统的微生物在去除特殊的有机污染物时发挥了核心作用。一些特殊有机污染物,如菲、乙二醇、阿特拉津和伏草隆等都能够得到很好的去除。这为全面降解水中各种污染物质提供了可能性。1.5人工湿地的硝化与反硝化特性人工湿地对污染物的净化主要通过植物、填料和微生物之间的物理、化学和生物作用实现,而微生物群体是维持湿地生态系统和实现生态净化功能重要组成部分,大量的有机物和氮素均通过微生物作用去除。邓欢欢等采用Biolog方法研究了2套处理农村富营养化水体的垂直流人工湿地中微生物群落的代谢特性。垂直流人工湿地下层基质微生物群落碳源代谢能力要高于上层基质微生物群落,同一深度上风车草湿地微生物碳源代谢能力要高于香蒲湿地。对胺类、糖类、聚合物、氨基酸和羧酸类碳源,微生物群落的利用程度较高,最后的光密度值较高(平均>1.4),而对酚类的利用程度较低(平均<0.8)。不同植物和不同深度的基质微生物群落具有不同的群落结构和代谢特性。基质下层微生物群落与上层微生物群落相比,丰度指数区别较小,而多样性和均匀度指数底层要高于上层,风车草湿地微生物群落要高于香蒲湿地。Kang等提出酶能将有机物水解形成无机营养,且对湿地中污染物质的转化具有重要作用。Hammer认为湿地基质、湿地植物以及微生物的相互作用是人工湿地的主要去除机理,湿地中有机磷的分解、氮的硝化与反硝化以及有机物的去除都与微生物的活性密不可分。付融冰等利用混菌法和稀释法,测定了不同植物以及无植物潜流水平湿地基质中微生物的数量。结果表明:不同植物湿地基质中微生物的数量差异不显著,有植物和无植物湿地的差别不明显;湿地基质中不同空间位置的微生物数量各不相同,一般上层多于下层;在湿地运行条件相对稳定的情况下,湿地基质中会逐渐形成数量和活性比较稳定的生物群落。分析了人工湿地基质中微生物数量与污水净化效果的关系。结果表明:微生物数量与BOD5及TN的去除有显著的相关性,说明微生物的作用是去除它们的重要途径;基质微生物数量与TP的去除率相关性不明显。测定了湿地基质硝化速率,其硝化能力与亚硝化细菌的数量呈显著相关。夏宏生等认为随着人工湿地深度的增加,人工湿地对有机物降解的效果逐步下降,最上层处理能力最强;细菌总数与有机物的降解没有明显的相关关系。人工湿地对TN、氨氮具有良好的降解效果,且以微生物降解起主要作用;细菌总数与总氮降解转化有明显的相关关系;氨化细菌是水中有机氮的主要降解微生物,硝化细菌则是氨氮降解的微生物。其中氨化细菌是除氮的优势菌群,随着人工湿地的运行,其数量逐渐增加;随着人工湿地的连续运行硝化细菌的数量有所下降。有研究者认为,硝化和反硝化作用是人工湿地脱氮的主要途径。但是人工湿地脱氮效果往往受到气候、植物种类、负荷以及立地条件等因素的影响。文献报道中的湿地脱氮效率差别也较大,这给湿地脱氮设计带来很大的不确定性,主要原因是湿地系统脱氮是一个多因素综合控制过程,关键影响因素难以量化和控制,从而使得湿地出水氮浓度难以控制。王晓娟等通过对表面流和潜流人工湿地中不同填料层的微生物硝化和反硝化强度进行对比研究,探讨了人工湿地脱氮过程中硝化反硝化作用的变化,从微生物角度分析了人工湿地脱氮效果的差别。人工湿地系统可以同时进行硝化和反硝化作用。表面流湿地硝化强度高于潜流湿地,2个系统