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第ｌ９卷第５期 江苏环境科技 Ｖ０１．１９ Ｎｏ．５ ２００６年ｌＯ月 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ０ｃｔ．２ｏ０６ 潜流式人工湿地微生物群落结构及脱氮效果的研究 郭如美 ， 刘汉湖 ， 周立刚一， 潘道永２， 孙红波 （１．中国矿业大学环境与测绘学院， 江苏 徐州 ２２１００８； ２．泗洪县水务局污水处理厂， 江苏 泗洪２２３９００） 摘要： 人工湿地是一种经济有效的处理污水方法．对氮有一定的去除效果。实验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％，５３．６％。 关键词：人工湿地； 脱氮；微生物；氨化细菌； 亚硝化菌； 反硝化菌 中图分类号：Ｘ５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—８６４２（２００６）０５—００１４—０３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｉｎ ａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｗｅｔｌａｎｄ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｒｅｍｏｖａｌ ＧＵＯ Ｒｕ－ｍｅｉ，ＬＩＵ Ｈａｎ－ｈｕ。 ＺＨＯＵ Ｌｉ－ｇａｎｇ，ＰＡＮ Ｄａｏ－ｙｏｎｇ。 ＳＵＮ Ｈｏｎｇ－ｂｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｎ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄｓ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｏｆ ａ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｌｆｏｗ ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｍｏｎｉａ ｂａｃｔｅｒｉａ，ｎｉｔｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｎｉｔｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｂａｃｔｅｒｉａｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｔｓ ｏｆ ｍａｃｒｏｐｈｙｔｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ａｂｕｎｄａｎｔ ｂａｃｔｅｒｉａｓ ｉｎ ｗｅｔｌａｎｄｓ． Ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， Ｋｊｅｌｄａｈｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｅｒｅ ５５．５％．６０．１％ａｎｄ ５３．６％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ； Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ； Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ； Ａｍｏｎｉａ ｂａｃｔｅｒｉａ； Ｎｉｔｉｒｆｉｃａｔｉｏｎ ｂａｃｔｅｒｉａ： Ｄｅｎｉｔｒｊ ｃａｔｉ０ｎ ｂａｃｔｅｒｉａ ０引言 挺水植物系统 挺水植物系统根据水流与填料表面 的关系．人工湿地可分为表面流人工湿地和潜流式 我国是一个缺水国家．经济正处于高速发展的 人工湿地系统 人工湿地对氮的去除主要依靠微生 时期。据统计，我国城市污水处理率仅为２Ｏ％左右． 物的氨化、硝化和反硝化作用。废水中的无机氮作为 绝大多数小城市的污水仍然处于不加治理直接排放 植物生长过程中不可缺少的物质．可以直接被植物 到水体，造成我国水环境污染严重…。因此．寻找推 吸收并通过植物收割从废水和湿地中去除 但植物 广有效的污水处理方法更加重要 但是．传统的二级 活性污泥处理工艺由于其基建投资、运行费用较高 直接吸收只占很少的一部分．主要的去除途径是通 等缺点而在中小城镇得不到很好的推广和应用：美 过微生物的硝化、反硝化作用来完成［４１ 国、德同等一些经济发达国家采用稳定塘处理法．虽 在此．通过对泗洪潜流式人工湿地芦苇根际及 然具有很好的去除ＢＯＤ．ＣＯＤ及病原微生物的能 填料表面的氨化细菌、亚硝化菌和反硝化细菌含量 力．但却无法有效地去除Ｎ和Ｐ等营养元素［２１ 在此 水平进行测定、比较研究．同时对湿地不同点位氨氮 情况下．人工湿地以其特有的性质与功能日益受到 及总氮含量变化做了测定．试图阐明人工湿地中氨 化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌的含量变化规律 人们的关注。 及湿地脱氮效果 人 湿地是一种生态工程废水处理技术．由人 ：［建造和监督控制的、类似沼泽地的地面．它由人工 １ 实验材料与方法 基质和ｑ｜长在其上的植物组成．形成一个独特的土 壤一植物一微生物生态系统．具有良好的污染物去 １．１ 实验材料 除效果、可观的经济效益和广泛的适用性［３１ 根据湿 １．１．１ 工艺流程 地中主要植物类型人工湿地可分为浮水植物系统 泗洪县位于苏北西部徐淮平原．东临洪泽湖．西 挺水植物系统、沉水植物系统。目前一般所指的都是 与安徽五河泗县接壤，南邻淮河．与盱眙、安徽嘉山 收稿日期：２００６—０４—０５ 相望，北连宿迁、泗阳。据统计，２００４年全县共排放 作者简介：郭如美（１９８２一），女，山东日照人，硕士研究生，专业研究方 工业废水８６３．１６万ｍ 。其中经过处理的污水量为 向：水污染控制技术． ２０４．９３万ｍ ．处理率为２３．７％ 废水达标排放量为 维普资讯 http://www.cqvip.com
第１９卷 第５期 郭如美等 潜流式人工湿地微生物群落结构及脱氮效果的研究 ｌ５ ５６５．７１万ｍ ．达标率为６５．５％ 好的碎石床作为研究对象。 《南水北调工程总体规划》规划了“清水廊道工 表１ 潜流式人工湿地设计进、出水水质 程”、“用水保障工程”和“水质改善工程”三大工程 “清水廊道工程”要确保输水主干渠沿线污水零排 人，主干渠输水水质达Ⅲ类标准．这就要求沿线城镇 污水必须达标排放。１９９９年在国家财政专项投资项 目支持下．在泗洪县城南郊二里坝小区附近建设泗 洪污水处理厂。厂区占地５．９５ ｈｍ ．设计日处理量５ 万ｔ，预算造价为４ ２１４万元。２００３年５月，泗洪污 １．２样品采集及测定方法 水处理厂一期工程建成．日处理量１．２５万ｔ 分别在湿地床内距离进水口０ ｍ（１ 进水口），９ 泗洪县污水处理厂生化处理工艺采用潜流型碎 ｍ（２ ，２７ ｍ（３ ，３７ ｍ（４ 中间观测井），４６ ｍ（５ ，６４ ｍ 石床人工湿地工艺。污水处理工艺流程见图ｌ （∞，７３ ｍ（７ 出水口）设置７个采样点，如图２所示。 进水 汴河 图１ 泗洪污水处理厂工艺流程 图２取样点位置 １．１．２人工湿地工程概况 （１ 填料及芦苇根样采集及各类氮转化菌的测定 泗洪污水处理厂采用潜流式碎石床人工湿地工 在２ ．３ ．５ ，６ 采样点分别采取湿地表面下约５～ｌ５ 艺，它利用碎石床、水生高等植物（芦苇）、微生物三 ｃｍ的芦苇根，和表面下５～１５ ｃｍ的填料ｌ０ ｇ。氨化 者之间的密切关系和相互作用．形成一个良好的生 细菌、亚硝化菌、反硝化菌的测定用标准方法 】，其中 态系统来实现污水净化 系统共有８个碎石床单元． 氨化细菌采用平板法培养、计数，亚硝化细菌和反硝 每座呈平行四边形．直边长４９ ｍ．斜边长７３．５ ｍ．每 化细菌均采用试管培养．用最大可能数法（ＭＰＮ）计数。 座碎石床分二级．级间用粗碎石隔开。碎石层高度为 （２）水样的测定 ０．８ ｍ．碎石的粒径在床体内为ｌ０～３０ ｍｍ．而在进 在采取填料及芦苇根的同时．于ｌ ～７ 采样点 水与出水侧以及一级和二级碎石床分界处采用粒径 采取水样．测定氨氮、凯氏氮、总氮含量变化及去除 ５０～６０ ｍｍ的粗碎石（或者卵石）．其作用是均匀配 率．．测定用标准方法［７１。 水．每处粗碎石床宽度为０．５ ｍ 碎石床底面采用 ３％ｅ的坡度 污水自初沉池分２股沿进水管进入碎石 ２结果与分析 床．在进水一侧的床壁上设配水渠．在配水渠的碎石 床一侧设溢流堰。污水通过溢流堰流下。通过宽０．５ ２．１ 微生物数量测定结果 ｍ的粗碎石层进入床内 污水经配水渠进入碎石床 ２００５年５月对微生物数量进行测定．结果见表２。 一后。在碎石床内潜流．水面距碎石床表面为５ ｃｍ，在 由人工湿地净化机理“根区理论”例．人工湿地中 每座二级碎石床出水一侧的床壁上．设汇水渠．在渠 的溶解氧呈区域性变化．连续呈现好氧、缺氧及厌氧 的一侧与床内水线齐并沿渠的坡度方向每隔０．５ ｍ 状态．相当于许多串联或并联的Ａ／Ｏ处理单元．使硝 留有高５０ ｍｍ、宽１００ ｍｍ的孔口，处理水由此进入 化和反硝化作用可以同时进行。在这种情况下．氨氮 汇水渠．并经排放管进入阀门井．在二级碎石床末端 首先被氧化成ＮＯ２－和ＮＯ 一．再通过反硝化作用将硝 底部设有排空管．进入同一阀门井．排空管设有阀 酸盐还原成气态氮从水中逸出 硝化作用在好氧环 门。碎石床内芦苇栽培密度为ｌ６株・ｍ之。２００３年５ 境下由自养型好氧微生物完成．它包括２个步骤：① 月 ２００５年５月．系统采用问歇进水．每隔３ ｄ进水 由亚菌将氨氮转化为亚盐（ＮＯ：一）；②由硝 １次．每次进水量为６ ０００～８ ０００ ｔ。其设计进、出水 酸菌将亚盐进一步氧化为盐（ＮＯ３－）。亚硝 水质如表ｌ所示 本实验选取其中一座芦苇长势较 酸菌、菌通称为硝化菌。反硝化作用在无氧条件 维普资讯 http://www.cqvip.com
１６ 江 苏环境科技 ２００６年１０月 下进行．反硝化菌利用盐中的氧进行呼吸．氧化 效果较好。 分解有机物，将硝态氮还原为Ｎ２或Ｎ Ｏ，从而实现 了湿地的脱氮效果 表３湿地水中氮去除监测结果 ｍｇ・Ｌ－ 表２潜流式人工湿地系统中微生物的数量 采样点ｐ（氨氮）ｐ（凯氏氮）ｐ（总氮） 采样点ｐ（氨氮）ｐ（凯氏氮）ｐ（总氮） ｌ ２７．３３ ３１．７８ ３６．３Ｏ ５ ｌ５．９０ ｌ７．５９ ２３．１４ 采样点位 ．． 氨化细菌／（ｃｆｕ・ｇ－ｉ）亚硝化菌／（ＭＰＮ・ｇ－ｉ）反硝化菌／（ＭＰＮ・ｇ ） ２ ２５．０１ ２８－３１ ３３．８０ ６ １３．７５ １５．７９ ２０．１４ — — －— １ｉ －＿ ３ ２１．５１ ２１．４４ ３２．２２ ７ １２．１７ １２．６８ １６．８４ ２ ４．６７ｘ１０’５．１２ｘ１０ ４．５９ｘ１０ ７．４２ｘ１０ ２．０９ｘ１０ ３．２８ｘ１０ ２１．２９ ２２．４２ ２８，１１ ３｝｝ ５．１６ｘｌ ８．９７ｘｌ０９ ３．５５ｘ１０４ １，８９ｘ１０ ２．６２ｘ１０ ２，７３ｘ１０ ５｝｝ ４．３５ｘ１０ ７．９３ｘ１０ ６．８４ｘ１０３ ５．３２ｘｌ０５ ３．１６ｘｌ ０４ ３．６６ｘｌ０５ ６｝｝ ３，９６ｘ１０７ ４．８２ｘｌ０９ Ｏ，７５ｘ１０３ １，２０ｘｌ０５ ３．４７ｘｌ０４ ３，７１ｘ１０ ３结论 由测定结果看．根面上各类细菌数量要比填料 微生物在氮的转化及去除过程中起了非常重要 的表面上多１ ２个数量级 这是由于单位重量根 的作用。实验结果表明．泅洪潜流式人工湿地中芦苇 的表面积远比单位重量填料的表面积大的缘故 根际和填料表面微生物数量丰富．这为污水处理系 （１）氨化细菌属于好气性细菌．在污水净化过程 统提供了足够多的分解者 同时测定结果显示湿地 中起到巨大作用 它能使复杂还原态有机氮化合物 除氮效果比较明显．其中氨氮去除率为５５．５％．凯氏 转化成氨。进行氨化作用。是后续作用的基础。从表 氮去除率为６０．１％．总氮去除率为５３．６％。另外，有 ２可见，沿程氨化细菌数量呈下降趋势．但总体上变 研究表明湿地植物也能吸收转化一部分氮 在潜流 化不大。氨化细菌的数量为每克填料在１０７ ＭＰＮ数 式人工湿地中．除水生植物芦苇外．湿地中生长着很 量级。每克根在１０ ＭＰＮ数量级，数量极其丰富。这 多未经去除的藤蔓植物．它们对水中污染物质去除 可能是由于湿地系统采用的是间歇式进水。空气中 效果的影响有待进一步研究 加强人工湿地微生物 的氧经扩散作用进入湿地床体．好氧环境改善较好． 群落结构研究。发展、创新和完善湿地净化污水技术 为微生物的呼吸提供充足的氧 对水环境保护与经济发展有重要意义 （２）硝化作用在好氧和低氧条件下都能进行．由 亚硝化菌与硝化菌共同完成从氨氮转化为亚硝态 ［参考文献］ 氮、硝态氮的硝化作用。由于条件．本次实验只 测定了亚硝化细菌的数量结构 【１】宋志文，毕学军，曹 军．人工湿地及其在我国小城市污水 从表可见亚硝化菌的数量为每克填料在１０３ 处理中的应用【Ｊ】．生态学杂志，２００３，２２（３）：７４—７８． 【２】梁继东，周启星，孙铁珩，人工湿地污水处理系统研究及性 １０ ＭＰＮ数量级．每克根在１０４ １０ ＭＰＮ数量级． 能改进分析【Ｊ】＇生态学，２００３，２２（２）：４９—５５、 沿程呈递减趋势．表明沿着湿地水流推进方向硝化 【３】付融冰，杨海真，顾国维，等，人工湿地基质微生物状况与 作用逐渐降低 净化效果相关分析【Ｊ】＇环境科学研究，２００５，１８（６）：４４— （３）反硝化是湿地中氮去除的第二步．该过程是 ４９， 在缺氧条件下由反硝化细菌作用使硝态氮还原成 【４】冯培勇．人工湿地及其去污机理研究进展【Ｊ】．生态科学， Ｎ２Ｏ或Ｎ２。从而使系统中氮得以去除。 ２００２，３（２１１：２６５—２６８， 从表２可见反硝化菌的数量为每克填料在１０４ 【５】许光辉，郑洪元，土壤微生物分析方法手册【Ｍ】，北京：农业 ＭＰＮ数量级，每克根在１ ０５ ＭＰＮ数量级。沿程呈递 出版社．１９８６， 增趋势。但变化幅度也不是很大．表明沿着湿地水流 【６】南京土壤所，土壤农．化分析方法【Ｍ】，北京：中国农业出版 社．１９９９， 推进方向反硝化作用逐渐增强 【７】国家环保局．水和废水监测分析方法（第四版）【Ｍ】，北京：中 ２．２废水氮去除效果 国环境科学出版社．２００２． 实验测定了沿湿地７个采样点的氨氮、凯氏氮 【８】Ｂｒｉｘ Ｈ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒｈｉｚｏｓｐｈｒｅ ｏｆ ｗｅｔｌａｎｄ 和总氮的含量变化。计算了湿地废水各形态氮的去 ｐｌａｎｔｓ—ｔｈｅ ｒｏｏｔ—ｚｏｎｅ ｍｅ￣ｏｄ【Ｊ】．Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈ，１９８７（１９）： 除率。见表３。 １０７一ｌ１８， 测定结果显示．各形态氮浓度含量随湿地的作 【９】 Ｋａｄｌｅｃ Ｈ，Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ 用过程逐渐下降．氨氮、凯氏氮和总氮的去除率分别 ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ【Ｊ】＇Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉ 为５５．５％，６０．１％，５３．６％。说明潜流式人工湿地脱氮 Ｔｅｃｈ，１９９７，５（５）：１４９—１５４． ｆ责任编辑胡燕荣）
