人工濕地細菌量與污染物去除率相關性研究

謝靜　鐘艷霞　羅玲玲

摘要：通過模擬人工濕地系統，探討在無植被狀態下的人工濕地系統中不同污染物去除效率與模擬濕地水體中細菌數量變化之間的相關性。結果表明，無植被人工濕地對生活污水中典型污染物有較顯著的凈化作用，其中，TN的平均去除率為48.39%，CODcr的平均去除率為47.36%，TP的平均去除率為21.81%；模擬濕地水體中的細菌數量變化不穩定，呈現增加-減少-增加的波動趨勢；經相關性分析，水體中細菌數量與TP去除率之間無顯著相關性（P>0.05，r<-0.3）；但細菌數量與CODcr、TN去除率之間均呈顯著相關，分別為P<0.01，r=0.549；P<0.05，r=0.507。

關鍵詞：人工濕地；污水處理；污染物去除；細菌數量；相關性

人工濕地作為一種便捷有效的污水處理技術，在污水的處理方面表現出了極大的發展潛力，對COD、BODs、TN和TP均具有較強的去除效率，具有低投資、低能耗、低運行費用、氮和磷去除率高的技術特點，得到了普遍接受。人工濕地系統是由基質、植被、微生物組成的綜合生態系統。微生物尤其是細菌對污染物進行吸附和降解的重要生物群體，具有分布廣泛、數量巨大、代謝類型多樣和適應突變能力強的特點，在濕地污水處理中起著核心作用。人工濕地中各個要素之間相互依托、互相影響，污染物去除機制比較復雜，在研究微生物與污染物間的關系時，植物的影響難以去除。為了更好研究水體中微生物與污染降解直接的關系，需開展無植物種植人工濕地的研究，但該類人工濕地中微生物與污染降解間的相互關系研究相對較少。西部地區全年低溫期長，各類濕地植物生長不良，保證人工濕地處理效果的主要貢獻者為微生物，對于水生植物分布較少的寒冷地區，研究微生物對水質的影響顯得尤為重要。

本研究建立無植物種植的人工濕地，重點對濕地水體中細菌的數量變化以及它們與典型污染物去除之間的關系進行研究，為深入研究人工濕地處理污水的機理和準確評估細菌在濕地凈化作用中所起的作用提供一定的理論依據。

1.材料與方法

1.1材料

1.1.1試驗裝置 試驗采用潛流式人工濕地模型（圖1），人工濕地床體采用有機玻璃制作，尺寸為120 cm×80 cm×60 cm，由2個120 cm×40 cm×60 cm池體串聯而成，池體兩端設10 cm寬的進出水和集水廊道，單池長寬比為3：1，兩池分別為下行流和上行流，兩池之間由1個10 cm×80 cm×60 cm的回水廊道聯接。池內基質下層為大卵石，上層為細砂，下行流池卵石厚度20 cm，砂層厚度為12 cm，有效水深35 cm，上行流池卵石厚度15 cm，砂層厚度為15 cm，有效水深35 cm。進出水廊道和中間廊道中分別填充碎石厚度25 cm，起過濾作用。

1.1.2供試水樣 供試水樣取自西夏區鎮北堡鎮攔河大壩，該鎮的農村生活污水未經處理直接排放于攔河大壩河道中，雖然生活污水在流經過程中有所中和稀釋，但該水體中所存在的各種污染物依然能反映出該區域農村生活污水的基本特性。

1.2研究方法

1.2.1模擬濕地水樣采集 2013年9月2日取銀川市西夏區鎮北堡鎮攔河大壩處生活污水注入模擬人工濕地，以注入水源當日為第0天，持續觀測48 d，試驗期共計49 d。期間采集人工濕地水樣22次，每次水樣采集時間為控制在上午9：00～11：00。所采水樣同步開展水質相關項目監測及細菌培養。以未經模擬人工濕地處理的原水樣為空白對照組、未加注原水樣模擬人工濕地中殘留水樣為試驗背景，每個樣本均設3次平行。

1.2.2水質監測方法 水質監測項目主要有氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）。各項均按照國家標準或環境保護標準中所要求的監測方法進行監測，具體方法見表1。

1.2.3細菌培養與計數 在人工濕地眾多微生物種群中，細菌的數量最多，其次是放線菌、真菌，選擇細菌作為研究對象。采取直接取出水樣做分析。將從濕地模型中采集的水樣接種于LB培養基中，涂布分離，28℃恒溫培養24 h后進行計數。細菌計數采用平板菌落計數法。檢驗方法參見GB 4789.2-2010。

LB培養基：蛋白胨10 g，NaCl 5 g，酵母膏（粉）10 g，蒸餾水1 000 mL，1 mol/L NaOH，瓊脂10～15 g，pH 7.2～7.4，121.3℃濕熱滅菌30 min。

1.2.4數據處理 數據經Excel初步處理，借助SPSS 18.0進行統計分析。

2.結果與分析

2.1試驗結果

試驗所得的水質監測和細菌培養數據經Excel初步處理后，借助SPSS18.0進行統計分析，得到濕地水質及細菌統計特征值，見表2、圖2。空白對照組中污染物的濃度分別為TP 0.36 mg/L、NH3-N1.28 mg/L、COD 38.6 mg/L。

2.2分析

2.2.1細菌數量變化及分析 由圖2可知，49 d的培養過程中，細菌數量變化不穩定。其中，整個培養過程中，細菌數量最小值出現在培養的第四十天，為5.500×10⁴CFU/mL；細菌數量最大值出現在培養的第四十八天，為7.790×10⁷CFU/mL。

生活污水注入模擬人工濕地第0天，水樣中細菌總數約為3，380×10⁶CFU/mL。之后，水樣中的細菌細菌生長進入遲緩期以適應新環境，加之水樣中污染物對其生長的影響，水樣經模型處理的第一天，細菌數量減少到3.000×10⁵CFU/mL。

隨著運行時間的延長，細菌數量不斷增加并基本穩定在10⁵-10⁷CFU/mL數量級，說明細菌數量并不是隨著運行時間的增加而無限增長繁殖，而是在系統的長期運行過程中逐漸形成了數量和活性比較穩定的生物群落。由于細菌自身生長繁殖特點及其凈化水質的功能，導致整個培養過程中，其數量一直處于增長-衰退-增長的循環模式。

2.2.2TP變化及其趨勢 TP變化及其去除量變化趨勢見圖3，可以看出，48 d的培養過程中，人工濕地中TP總體變化呈逐漸減少的趨勢，去除量整體呈現減少-增加-減少的波動趨勢。TP平均值為0.28 mg/L，水樣在未經濕地模型進行處理之前，其TP為0.36 mg，/L，在培養過程中，TP最小值出現在培養的第三十天，為0.21 mg/L。

2.2.3氨氮含量變化及其趨勢 圖4顯示了氨氮的含量變化及其趨勢，處理第0天氨氮含量為1.28 mg/L，處理過程中氨氮含量最小值為第四十八天的0.28 mg/L。氨氮含量在處理的第二天大量減少后于第三天突然升高到1.01 mg/L，隨后逐漸減少。整體而言，氨氮含量雖出現波動，但總體趨勢是逐漸減少。

2.2.4 COD變化及其趨勢 由COD變化及其趨勢圖（圖5）可以看出，在處理過程中，COD含量總體呈現不斷下降的趨勢，這與前人的研究較為相似。其中處理第0天為38.6 mg/L，最小值為14.6 mg/L，平均值為21.2 mg/L，平均值小于初始狀態，說明COD的處理效果比較理想。

2.3細菌數量變化與污染物去除率的相關性分析

采用SPSS18.0軟件對細菌數量變化和污染物去除率與處理天數進行相關陛分析，結果見表3。

細菌數量與TP去除率之間沒有顯著性（P>0.05），相關性也很弱（r<-0.3），它們相互之間并未呈現顯著的線性相關關系。前人在對基質微生物與凈化效果的研究過程中也發現基質中細菌數量與TP去除率的相關性不顯著。雖然在污水處理過程中，TP有一定程度的降低，但模擬裝置中并未種植植物，因此處理過程中磷的去除主要依靠基質通過吸附、絡合、沉淀反應等物理化學作用。水體中的磷能夠以磷酸鹽的形式沉積在水體底部，與基質相結合形成難以去除的物質，基質的吸附作用在磷的去除過程中占很重要的地位。其中部分細菌將磷作為生長所需而將有機磷和溶解性較差的磷轉化為溶解性磷，但由于沒有植物吸收，這些被轉化的溶解性磷會導致水體磷含量增多的現象。另外，聚磷菌在好氧區吸附了過量的磷，又在厭氧區將這些把磷釋放出來，一部分隨水流擴散輸移返回水體中，另一部分會被基質吸附。

在植被存在時，水體中氮去除的主要途徑有反硝化作用和植物的吸收作用。NH₃-N的去除主要是通過氮細菌分解吸收，細菌的活動在TN的去除過程中發揮主要作用。本試驗中，細菌數量與TN去除率成顯著相關性（P<0.05，r=0.507），說明細菌數量發生變化時對TN的去除率影響較大，氨氮的去除主要是細菌進行硝化、反硝化的結果。已有研究發現有植物的人工濕地對TN的去除明顯優于無植物濕地，這是因為反硝化作用的細菌是兼性異養菌，在植物根系較容易生長存活，而無植被狀態限制了其生長繁殖，影響了反硝化作用，因此試驗中氨氮含量的變化呈現增加-減少的波動。

經相關性分析，水體中的細菌數量與COD去除率顯著相關（P<0.01，r=-0.549）。人工濕地對污水中有機污染物去除主要靠基質的過濾和微生物分解，然而基質吸附能力有限，微生物的分解成為有機物去除的主要途徑。細菌可以利用COD，起到去除COD的作用。

研究結果提示細菌對TP、NH3-N、COD具不同程度的降解作用，NH3-N、COD的去除率較為可觀，TP去除率較低，說明人工濕地系統中，植物、微生物和基質之間相互配合極其重要。

3.結論

通過建立無植物模擬人工濕地，探討濕地水體中細菌數量與污染物去除的關系。結果表明，模擬人工濕地水體中細菌數量變化不穩定，呈增長一衰退一增長趨勢，TP呈逐漸減少趨勢，NH₃-N呈增加-減少的波動趨勢，COD總體呈不斷減少趨勢。相關性分析表明，細菌數量與TP變化無顯著相關性，與COD變化相關性最顯著（P<0.01，r=0.549），與NH₃-N變化相關性顯著（P<0.05，r=-0.507）。