李 青 张琼华 周卫东 朱瑞亭 DZAKPASU Mawuli 熊家晴 王晓昌
(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 西安 710055; 2.南京水务集团有限公司, 南京 210000;3.江苏金陵环境有限公司, 南京 210003)
人工湿地是经过人工设计和工程强化, 由基质、植物、微生物、动物和水体组成的一种模仿天然湿地的复合体[1]。1989年, Hammer[2]首次利用人工湿地对生活污水和工业废水进行处理, 结果表明去除功效较为理想。1991年, 胡康萍等[3]最先报道了中国第一座白泥坑人工湿地处理系统, 该系统在经济与技术上的优势得到充分展现, 也为国内人工湿地技术的发展与革新创造了坚实的基础。此后, 由于人工湿地具有处理功效好、抗冲击能力强、生态价值突出和造价低等优势[4,5], 逐渐在尾水提标中得到更广泛的推广运用[6—8]。
通过国内外研究发现[9—13], 水力负荷、水深和水力停留时间是影响湿地系统稳定运转的3个重要因素, 且适宜提高水力负荷能有效减少系统用地面积, 从而优化湿地系统运行机制。因此针对建设复杂和用地紧张等情况, 高负荷人工湿地的推广应用需进一步研究与探索。与此同时, 人工湿地研究多以小试、中试为主, 对实际规模人工湿地的净化效果和运行机理分析探究较少, 一方面是由于尾水中碳源不足导致湿地反硝化效果较差; 另一方面是大型湿地系统长期运行中生物膜积累容易造成湿地系统堵塞, 这些都限制了人工湿地实际工程中的大规模推广运用。
基于此, 研究构建一种以双向横流过滤单元为核心的人工湿地系统, 以污水处理厂实际低浓度尾水为进水, 深入探究该人工湿地系统的净化效果和湿地系统中基质、植物和微生物群落之间的作用机理, 以期为大型工程人工湿地建设用地紧张、综合成本高等问题提供一定的理论指导与技术参考。
1.1 系统概况
工艺设计该湿地系统进水为南京市江心洲污水处理厂尾水, 采用双向横流过滤单元+表流湿地单元组合工艺, 湿地系统及其附属廊道占地面积为1800 m2, 设计处理水量为1200 m3/d, 水力停留时间约为24h, 双向横流过滤单元由7个结构相同的单元并联而成(2个单元种植美人蕉、2个单元种植花叶芦竹、3个单元种植再力花), 湿地系统设计参数如表1所示, 平面布置与剖面如图1所示。
表1 双向横流过滤单元设计参数对比Tab.1 Comparison of design parameters for bi-directional cross-flow filter units
系统运行周期2020年11月1日至2021年2月15日为正向启动时期; 2021年2月15日至2021年5月31日为反向运行时期; 2021年6月1日至2021年9月15日为正向运行时期; 2021年9月16日至2021年10月30日为反向运行时期。
1.2 样品的采集与分析
水质指标检验检测湿地系统的进、出水,采样频率为每周1次, 水质指标测定方法参照《水和废水监测分析方法》(第4版)。COD采用重铬酸钾法测定; TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定;-N采用纳氏试剂分光光度法测定; TP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定。
基质生物量分析对不同运行阶段(正向进水、过渡阶段、反向进水)内双向横流过滤单元的进、出水端基质样品进行采集, 将一定量新鲜基质置于已烘干的坩埚(坩埚重量记为W)中, 在105℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥24h以上, 在干燥皿中冷却后称重, 重量记为W1, 置于马弗炉中600℃下燃烧6h, 重量记为W2, 最后计算生物量为(W1-W2)/(W1-W), 单位为gVSS/kg填料。
基质截留碳源分析对3组种植不同植物的双向横流过滤单元不同运行阶段(正向进水、过渡阶段、反向进水)内的进、出水端基质样品进行采集, 采用一定量超纯水冲洗基质样品, 测定冲洗后样品混合液中多糖、蛋白质含量, 其中蛋白质采用多糖选用蒽酮-硫酸法测定[14], 蛋白质选用Lowry法测定[15]。
微生物群落结构分析对3组种植不同植物的双向横流过滤单元不同运行阶段(正向进水、反向进水)内进、出水端基质样品进行采集; 通过OMEGA Soil DNA试剂盒提取基质样品中微生物DNA; 使用通用细菌16S rRNA的515F和909R(V4—V5区)对提取的DNA进行PCR扩增; 将所有序列读数聚类到操作分类单位(OTU)(相似性阈值为97.00%)。高通量测序服务由生工生物工程(上海)股份有限公司提供。
植物生物量分析将3种植物从湿地中取出,用一定量超纯水进行冲洗, 尽可能将植株上的污渍洗净, 再用蒸馏水清洗3次, 以保证植株被清洗干净。最后将清洗干净的植株的茎叶和根部分开, 用锡箔纸包裹, 做好标记, 放置于烘箱中, 调节至105℃杀青, 之后于80℃条件下放置48h, 直至烘至恒重后称其干重, 单位为g/plant。
植物根系泌氧速率分析首先将3 L的营养液(0.1倍的霍格兰德营养液)导入培养桶中, 用氮气吹脱30min左右, 尽量充分地去除营养液中存在的溶解氧, 并且进行灭菌操作; 其次从湿地中拔出的三种植物中选取每种植物生长情况相近的植株3株,用去离子水清洗根部, 去除残留物后, 迅速插入去氧营养液中, 用溶氧微电极测出溶解氧浓度, 记为DO1, 为防止氧气进入瓶中, 应立即使用石蜡将液体进行封闭, 上述操作均在氮气吹扫条件下进行;随后将广口瓶置于自然条件下6h后, 用溶氧微电极测定溶解氧含量, 记为DO2; 最后计算根系泌氧速率为ROL=(DO2-DO1)V/32mt, 单位为μmol/(h·g)。
2.1 综合处理效果分析
湿地系统近1年的实际进、出水水质如表2所示, 南京江心洲污水处理厂尾水湿地系统可将污水处理厂尾水由《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)近Ⅳ类水质标准提升至近Ⅲ类水质标准, 表明以双向横流过滤单元为核心的湿地系统对污水厂尾水具有稳定且有效的处理效果。
表2 尾水净化复合式人工湿地系统处理效果对比Tab.2 Comparison of treatment effects of tailwater purification composite artificial wetland systems (mg/L)
2.2 低浓度系统净化效果分析
由上述分析可知, 双向横流过滤单元对污水厂尾水具有较好的净化效果, 为进一步探究低负荷尾水湿地系统的净化效果, 研究湿地系统中种植不同植物的双向横流过滤单元的污染物净化效果。
COD的去除COD的去除率随运行时间的变化如图2所示, 由于尾水中COD浓度较低, 该湿地系统进水COD平均浓度为(25.57±1.64) mg/L, 系统对其去除作用并不理想, 这与王楠等[16]的实验结论一致。不同植物单元中花叶芦竹单元去除效果最佳, 平均去除率可达20.11%, 夏季高温时去除率接近30.00%, 而再力花单元对COD的平均去除率仅为11.39%, 夏季高温时去除率接近20.00%, 说明3组种植不同植物的湿地单元对COD的去除效果差别较大, 这可能是因为植物作用是有机物去除的重要途径之一, 而不同的植物根系的吸附和络合能力不同[17]。
图2 不同植物湿地单元COD的去除效果Fig.2 Removal effect of COD in different plant wetland units
-N的去除率随运行时间的变化如图3所示, 系统进水-N平均浓度为(0.79±0.13) mg/L。随着湿地系统的稳定运行, 3个单元对尾水中的-N均有良好的去除效果, 其中花叶芦竹单元去除功效最佳, 平均去除率达到30.00%, 最高可达40.52%, 而再力花单元去除效果较差, 平均去除率为18.53%, 最高接近30.00%, 表明植物类型对-N的处理效果有明显差异, 这是因为-N容易被植物吸收、利用, 并且种植植物类型不同也对基质区的微生物群落结构产生影响。
TN的去除TN的去除率随运行时间的变化如图4所示, 双向横流过滤湿地单元的进水TN平均浓度为(9.06±1.07) mg/L。由图3与图4可知, TN的去除率变化趋势与-N相接近, 花叶芦竹单元平均去除率为17.17%, 夏季高温时其去除率接近30.00%, 美人蕉单元的平均去除率次之, 夏季高温时去除率最高达22.05%, 而再力花单元平均去除率最低, 不足15.00%, 说明植物类型对TN的处理效果有影响。原因可能是植物根部会分泌碳源, 改变了微生物群落, 对反硝化细菌的代谢繁殖产生影响,提高了微生物对TN的处理效果[18,19]。冬季脱氮效果较差, 主要是由于冬季低温使硝化和反硝化速率显著降低, 有研究表明, 当温度＜15℃时, 脱氮微生物(主要为硝化和反硝化细菌)的活性及植物的生长均受到明显抑制作用, 导致湿地系统脱氮效果会出现明显下降[20]。并且相比于其他水质指标, TN去除率较低, 可能与该人工湿地系统的实际进水水力负荷偏高, 且进水中COD较低, C/N不足, 从而对湿地的反硝化过程产生影响。
图3 不同植物湿地单元-N的去除效果Fig.3 Removal effect of-N in different plant wetland units
图4 不同植物湿地单元TN的去除效果Fig.4 Removal effect of TN in different plant wetland units
TP的去除TP的去除率随运行时间的变化如图5所示。由图可知, 双向横流过滤湿地单元的进水TP平均浓度为(0.052±0.0090) mg/L, 虽然系统进水TP过低, 但3组不同植物单元对TP的平均去除率均达到13.00%以上, 其中花叶芦竹单元处理效果最佳, 平均去除率为18.12%, 最高去除率可达30.00%,说明种植不同植物的3组湿地单元对尾水中磷均有较好的去除功效, 而植物类型对TP的处理效果的差异性较弱, 这是因为湿地系统对磷的去除作用主要是利用植物的吸收作用、微生物的生物作用及湿地系统内基质填料的过滤、吸附等作用[21], 并且填料的物理化学作用是除磷的主要机制[22—24]。
图5 不同植物湿地单元TP的去除效果Fig.5 Removal effect of TP in different plant wetland units
2.3 讨论
通过对不同植物单元的处理效果、基质截留碳源能力、微生物群落分布特性和强化脱氮功效四方面进行讨论与分析, 进一步揭示双向横流过滤单元的净化机理。
不同植物湿地单元效果分析本研究在双向横流过滤单元分别种植了花叶芦竹、美人蕉与再力花, 其中花叶芦竹单元的污染物去除效果最佳,这可能因为花叶芦竹的成活率高, 具有强抗逆性和高竞争力的特点, 从而有较强的去污和净化能力[25]。通过实验测定发现三种植物的生物量大小分别为花叶芦竹59.47 g/plant＞再力花56.15 g/plant＞美人蕉54.42 g/plant; 孔隙度大小分别为花叶芦竹39.23%＞美人蕉37.22%＞再力花31.49%; 根系干重泌氧大小分别为花叶芦竹2.94 μmol/(h·g)＞美人蕉2.02 μmol/(h·g)＞再力花0.91 μmol/(h·g), 说明孔隙度、根系泌氧量与水质净化率呈正相关。成水平等[26]通过研究发现, 植物的吸收、富集作用与其生长状况和根系的发达程度具有正相关变化趋势; 林剑华等[27]发现孔隙度高的植物泌氧能力越强, 且根长越长的植物更易于为深层次的基质提供氧气; Lai等[28]研究发现植物的泌氧作用功效对湿地系统降解污染物时所需耗氧的补充量远高于由空气扩散而得到的氧气量, 且植物根系泌氧机制与COD去除率紧密相关。这些在一定程度上解释与证实了本文实验结果, 但美人蕉、再力花的生物量与其氮磷去除效果不匹配, 可能再力花植株大, 单次生物量高, 但其生物量增长率低, 而水生植物的生长繁殖强弱对氮磷的去除贡献最大[29], 因此再力花单元对水质净化效果较差。
基质截留解析生物量分析: 图6为实验期间双向横流过滤单元进水端与出水端基质区生物量变化情况, 切换湿地系统进水方向后, 其正向启动阶段时的进水端区域则转换为反向运行阶段的出水端区域。从图6可知, 在正向启动运行期间, 双向横流过滤单元的进水端与出水端基质区中生物量随运行时间增加均呈上升趋势, 在启动末期(正向进水末期), 进水端填料区的生物量提高至6.09 gVSS/kg填料, 高达出水端填料区生物量的2.3倍。但随着进水方向的切换(反向运行阶段期), 系统正向运行时的进水端与出水端基质区位置进行转换。由图6可知, 反向运行时出水端基质区生物量随运行时间增加而逐渐减小。这主要是因为启动阶段的好氧区域变为缺氧区域。之前正向运行进水端区域积累的生物量则位于反向进出水周期的缺氧段, 生物膜生长受到抑制, 但生物膜可作为内碳源被缺氧段反硝化细菌的反硝化作用所利用, 使相应生物量含量显著降低, 在反向进水末期生物量降至1.67 gVSS/kg。与此同时, 正向运行时的出水端区域则由缺氧出水区转为好氧进水区, 其生物量随运行时间增加而逐渐提高, 由0.79升高至8.03 gVSS/kg, 为双向横流过滤单元下一次进水方向切换储备了反硝化内碳源。
图6 不同运行阶段下双向横流过滤湿地单元前后段填料区生物量变化Fig.6 Biomass changes in front and back sections of bidirectional cross flow filtration wetland unit under different operation stages
碳源分析: 图7为种植不同植物(花叶芦竹、美人蕉、再力花)时双向横流过滤单元在切换系统进水方向前后(即正向运行阶段、切换方向过渡阶段、反向运行阶段)的进、出水端基质区截留碳源量(蛋白质、多糖)变化情况。由图7可知, 湿地系统在正向稳定运行时3种不同植物湿地单元进水端基质区蛋白质与多糖的总含量均大于出水端基质区; 相较于正向启动阶段, 在过渡阶段即切换水流方向初期时基质区截留碳源量随湿地系统稳定运行均呈上升趋势, 且湿地系统中进水端基质区截留量均大于出水端; 而反向稳定运行期间, 基质截留量显著高于正向稳定运行阶段, 且3种植物单元的出水端基质区截留量仍大于进水端, 其中花叶芦竹湿地单元中截留蛋白质与糖类的含量最高。这是由于随系统运行时间的增加, 正向进水阶段末期基质区进水端积累了大量生物膜, 切换系统进水方向后, 则转变为湿地系统的出水端区域, 为系统出水端缺氧或厌氧条件下的反硝化过滤提供内碳源, 从而实现强化脱氮功效, 与上述水质分析中花叶芦竹单元对COD、TN去除效果最佳相符。
图7 不同运行阶段下双向横流过滤湿地单元不同位置基质区截留碳源量解析Fig.7 Analysis of the amount of carbon retained in the substrate zone at different locations in a two-way cross-flow filter wetland unit at different stages of operation
微生物群落结构分析微生物序列和多样性: 微生物在湿地系统中对水质提升、有机质分解和氮磷转化起到关键作用[30,31], 为解析不同运行阶段(正向运行与反向运行)时种植不同植物湿地单元微生物群落的分布规律与作用特点, 对种植不同植物的双向横流过滤单元中进水端与出水端的基质样品进行微生物群落比较分析。三组湿地单元的多样性(Shannon指数、Simpson指数)、丰富度(Chao1指数和Ace指数)和覆盖度(Coverage指数)如表3所示, 从表3可知, 所有样品Coverage指数均达到0.98, 表明测试结果准确可靠, 每个湿地样本中的细菌OTU都得到了很好的捕获, 足以覆盖所有物种, 可以真实反映不同湿地中的微生物群落结构[32—34]。从表中可以看出, 在正向运行阶段与反向运行阶段时Shannon指数、Ace指数和Chao1指数的变化规律相似, 均为进水端高于出水端, 且种植不同类型植物单元的微生物多样性存在一定差异, 表现为花叶芦竹单元＞美人蕉单元＞再力花单元, 说明了花叶芦竹的种植能显著提升微生物群落多样性, 这可能是不同植物根系泌氧作用强弱不同, 并且根系分泌碳源的类型具有差异性[35]。有研究表明[36], 不同植物湿地单元中微生物丰度存在差异, 且微生物群落的丰度愈大, 湿地具备的生态净化功能更丰富, 能去除更多的污染物。因此, 可以推测本研究的花叶芦竹湿地具有相对较强的污染物净化能力, 与上述水质实验结果一致。
表3 不同湿地单元微生物多样性和丰富度Tab.3 Microbial diversity and richness in different wetland units
微生物群落结构组成: 由图8可知, 在正向稳定进水时, 不同植物湿地单元进水端与出水端的主要优势门有Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Cyanobacteria_Chioroplast(蓝藻菌门)、Planctomycetes(浮霉菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Nitrospire(硝化螺旋菌门)、Actinobacteria(放线菌门)和Chloroflexi(绿弯菌门); 在反向稳定进水时, 不同植物湿地单元进水端与出水端的主要优势门有Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroi-detes(拟杆菌门)、Cyanobacteria_Chioroplast(蓝藻菌门)、Planctomycetes(浮霉菌门)、Nitrospire(硝化螺旋菌门)和Acidobacteria(酸杆菌门)。由此可知,不同运行阶段时3种植物湿地单元进水端与出水端中微生物群落在门水平上的主要优势菌门种类基本一致, 但也存在一定差异, 其差异性主要体现在细菌群落的相对丰度上。有研究发现[37,38], Proteobacteria中存在参与C循环、N循环和S循环相关的菌属, 在湿地中被广泛发现。从图8可知, Proteobacteria为本研究不同湿地中的第一优势菌门, 这与其他很多研究结果相一致[39,40], 其丰度较高使湿地系统具有良好的脱氮和有机物去除功效。而比较不同植物湿地单元微生物群落相对丰度可知, 种植花叶芦竹的湿地单元中变形菌门相对丰度较低, 而酸杆菌门与硝化螺旋菌门含量相对较高, 说明不同植物根际分泌物类型不同, 对微生物分布特性产生影响。
图8 不同运行阶段时在门水平上不同植物湿地中微生物种群分布Fig.8 Microbial population distribution in different plant wetlands at different operating stages at phylum level
从6组样本的门分类水平来看, Proteobacteria、Bacteroidetes是污泥厌氧发酵的重要菌门, 并且在反硝化中具有显著作用功效, 其中Bacteroidetes还可进行蛋白类物质的降解。Liu等[41]通过研究AOA-SBR剩余污泥中细菌门的分布特性, 发现这两个菌门的总和占比为60.00%。而在本试验所研究的正向、反向进水运行阶段内, 这两种菌门在湿地组合系统中占比总和高达65.00%以上, 且在系统进水端和出水端比例差距较小, 说明调换系统进水方向对这两种主要功能菌门的作用效果影响较小,这也解释了切换水流进水方向后湿地系统脱氮作用的快速恢复现象。由图8可知, 双向横流过滤单元的进水端区域在正向进水末期积累了大量了生物膜, 切换系统进水方向后, 进水端则转变为系统的出水端, 使这两种菌门能充分利用内生碳源, 从而为反硝化细菌提供反硝化所需的电子供体, 促进反硝化作用效果, 进而提升整个系统的脱氮功效。
强化脱氮功效为进一步探究双向横流过滤单元的强化脱氮功效, 对3组植物单元在不同运行阶段的TN和-N的去除效果进行对比分析。由图9可知, 相比正向运行阶段, 3组双向横流过滤单元在切换水流方向后, 对TN和-N的去除率均显著升高, 与正向运行时期相比, 反向运行TN去除效果可提高50.00%; 且此时-N去除率最高接近40.00%。对图6与图7中双向横流单元基质区生物量与碳源截留量的变化趋势进行综合分析可知, 双向横流过滤单元在切换水流方向后, 可对内生质碳源进行高效利用, 促进湿地系统的反硝化作用, 提升湿地系统的脱氮性能。该系统通过设置横流式过滤廊道, 营造理想的推移流条件, 利用进水中的DO, 在前段滤层中实现有机物的好氧生物降解, 滤料颗粒表面形成生物膜, 随着DO浓度沿流向降低, 在后段滤层中营造缺氧或厌氧条件; 通过水位调节实现双向进出水, 当前段滤层中生物膜成熟后, 倒换水流方向, 使生物膜位于廊道后段, 为缺氧或厌氧条件下的反硝化过滤提供“内生碳源”; 根据生物膜形成情况定期倒换水流方向, 在过滤廊道中持续保持“好氧生物过滤+内生碳源利用反硝化过滤”的运行状态, 在无外加碳源的条件下, 同步实现有机物氧化和反硝化脱氮; 可通过内生碳源利用实现滤层的自我再生, 有效防止生物膜老化与脱落造成的滤层堵塞。
图9 不同运行阶段下对氮的去除效果Fig.9 Nitrogen removal effect at different running stages
(1)采用以双向横流过滤单元为核心的人工湿地系统处理南京江心洲污水处理厂低浓度尾水, 发现该湿地模式的系统出水水质可稳定提升1个等级。(2)3种不同植物湿地单元对低负荷污水厂尾水均具有良好的水质提升功效, 不同类型水生植物湿地单元对COD、TN和-N净化效果具有显著差异性, 其中花叶芦竹植物单元对COD、TN、-N和TP的平均去除率最高, 分别为20.11%、17.17%、28.08%和18.12%。(3)双向横流过滤湿地可借助进出水双向切换, 通过内生碳源利用实现滤层的自我再生, 反向进水TN去除率可提升50.00%, 不仅能强化脱氮功效而且可防止滤层堵塞。(4)从门分类水平来看, 湿地系统正向与反向稳定运行阶段时主要微生物群落变化不大, 系统进水端Proteobacteria(变形菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门)占比较高(65.00%左右), 充分说明切换进水方向后湿地系统可较快地进行过渡且趋于稳定, 恢复其对污染物的处理功效。
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