人工濕地構建耐低溫復合微生物菌劑的技術研究

王 倩，李瑞月，李曉連，田巧麗，宋 欣

（河北華清環境科技集團股份有限公司，河北 石家莊 130000）

1 人工濕地低溫運行概況

人工濕地是近年發展的綜合效益極高的綜合生態水處理系統。然而其應用和處理效果易受到外界條件的影響，即地域的差異，季節的更替都導致難以找到一種適合于各地不同特點、不同水質狀況的人工濕地污水處理工藝和運行方式的理想組合。華萊士[1]等指出溫度過低不僅影響人工濕地的運行效果，還容易造成系統單元填料層凍結、管道破裂、床體缺氧等多種不利后果，這些都制約著人工濕地在寒冷地區冬季的應用。濕地中營養物質和有機污染物的轉化或礦化的主要承擔者就是微生物。故而構建高效復合微生物菌劑提高人工濕地污水處理系統冬季微生物活性成為人工濕地發展的一大重要關卡。冬季人工濕地系統中微生物的活性成為濕地系統運行效果的制約因素之一。

2 人工濕地低溫運行的影響因素及優化措施

人工濕地亦是填料-水生植物-微生物彼此間相互制約相互影響的生態系統。其運行效果容易受到濕地溫度、水生植物、微生物活性、濕地類型及運行方式等的影響。針對保溫當前通常是通過植物覆蓋法、覆膜法、冰雪覆蓋等的方法等對人工濕地系統進行合理的保溫；再結合通過出水回流加提升水力負荷等方式來保持水土界面不凍結、保證系統運行的水力停留時間，并通過補水管的保溫方式防止補水的凍結堵塞；另通過增加或提升濕地污水處理前段的預處理工藝等措施來優化人工濕地系統的處理效果。通過投加耐低溫微生物優勢菌劑等方式提升人工濕地活性微生物的數量，亦是通過提升微生物活性等來提升系統的凈化能力；當前冬季濕地中采取各種措施來優化人工濕地的運行效果十分明顯。其中耐低溫微生物復合菌劑的構建已成為當前研究的熱點。

3 投加微生物菌劑在人工濕地低溫運行系統中的重要性

人工濕地系統在溫帶地區常年具有良好的處理效果，而寒冷氣候地區例如我國的北方地區冬季時由于其溫度低而使濕地運行效果受到影響而使其應用受到限制，其主要原因是微生物的活性因溫度過低而大大受到抑制，繼而影響了濕地運行處理水體的效果。

3.1 濕地微生物數量及活性對運行的影響

人工濕地中一些微生物可降解多種甚至上百種的有機物，即其對污染物的分解能力很明顯，系統中微生物的數量及活性成為濕地運行效果的重要制約因素。有研究[3]指出，水生植物根系微生物特別是細菌的數量變化與總氮的去除率成正相關，總氮的去除是微生物與水生植物共同作用的結果。付融冰[2]等通過研究不同植物及無植物潛流水平濕地基質中微生物狀況與污水凈化效果的關系，指出濕地系統中微生物的作用是去除污染物的重要途徑。

3.2 濕地微生物的分布

濕地微生物廣泛分布于人工濕地水體中、水生植物根系或者基質內部，構成了填料-植物-微生物生態系統。人工濕地系統中微生物群落結構，即微生物不同類群的相對豐度在濕地系統的運行效果亦有不同體現。吳振斌[4]表明，濕地基質中好氧原核微生物是系統中的優勢類群；Zhou等[5]的研究發現，濕地基質表層的細菌與真菌的數量顯著高于其下層的數量，隨著系統的垂直高度不斷加深，真菌的數量亦相繼減少。

目前很多研究[6]已經證明了不同水生植物根系微生物在數量及種類上有很大差別。項學敏[7]等研究結果表明，微生物在蘆葦和香蒲兩種水生植物的根際效應非常明顯，根基存在的細菌、真菌和放線菌的數量都明顯大于非根際微生物的數量；還表明基質類型對植物的根際微生物的數量及分布亦有明顯影響；針對所種植的植物，趙慶節[8]研究表明不同植物，濕地基質微生物群落差異明顯。在不同季節，有研究顯示人工濕地系統細菌總數量秋季高于夏季。

3.3 微生物的多樣性分析

現代學者也對人工濕地中微生物的多樣性做了大量的研究。研究發現，濕地基質內部及水生植物體表面好氧微生物和兼性厭氧微生物都比較豐富。研究主要是通過微生物的分離、鑒定等操作來完成。人工濕地系統中，以細菌的數量最多，放線菌其次，真菌最少。細菌包括好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌、硝化和反硝化細菌及磷細菌等。夏宏生等[9]的研究指出，氨化細菌是人工濕地運行系統中除氮的優勢菌群并且隨著系統的運行其數量逐漸增加；硝化細菌屬于好氧細菌，隨著系統的連續運行數量逐漸下降，從而確保濕地系統凈化效率及穩定性。蔣玲燕等[10]的研究指出水生植物體對微生物多樣性的作用，從而表現出更高的去污效果。

人工濕地系統中對細菌種屬的研究中，張甲耀等[11]的研究結果發現，在潛流蘆葦濕地中有假單胞菌屬、無色桿菌屬、不動桿菌屬、黃桿菌屬、黃單胞菌草屬、短桿菌屬、節桿菌屬、芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、葡萄球菌屬及微球菌屬等。對系統中氮循環細菌的多樣性研究也比較豐富。其中亞硝化細菌主要涉及兩個綱，即自養氨氧化細菌β-Proteobacteria和γ-Proteobacter。

3.4 水生植物體與微生物分布間的相互作用

在植物根系與微生物組成的生態系統中，根系微生物與植物的關系密切又復雜。一方面植物通過根部輸送氧氣以滿足根系微生物的生存和繁殖，同時植物根系分泌有機復合物也會影響根系微生物，有研究表明[12]，植物根系的生長發育及根系分泌有機復合物質是刺激根系微生物生長繁殖的能源和養分。常會慶等[12]通過向反應器中加入三種水生植物的根系分泌有機復合物質，對氮循環細菌和光合細菌進行培養，結果顯示：三種分泌物對光合細菌的生長都起到了促進作用，對于氮循環細菌的影響效果不同。由此可見分泌物成分直接影響著根際微生物的生長和繁殖。另一方面根系微生物通過利用植物傳輸的氧氣分解廢水中可生化降解的大分子有機物為小分子有機物，這種根系微生物的新陳代謝作用也可以促進或抑制根系的物質吸收和根系生長，從而影響著載體中的物質和能量轉化。

4 耐低溫菌的分離、篩選及復合微生物菌劑的構建

低溫人工濕地的運行強化措施中生物強化技術是立足于全世界的，是篩選優勢菌種或者構建基因工程高效降解菌，并構建復合微生物菌劑繼而投加至待強化的人工濕地生物系統中的技術。冬季低溫導致人工濕地微生物活性降低，從而導致人工濕地凈化能力降低，但濕地系統中乃至自然界中微生物廣泛分布，并可通過馴化、篩選、構建復合菌劑等方式，培育在低溫下具有較好降解能力的微生物，通過擴大培養得出低溫微生物產品，并通過在低溫時向人工濕地系統投加一定數量的低溫微生物的方式來增加活性微生物的數量，從而加快人工濕地凈化作用。趙昕悅等[13]通過投加復合菌劑提高低溫人工濕地系統內的功能菌群的豐度來增大氨氮、總氮及COD的轉化率。

4.1 耐低溫菌的分布

人工濕地耐低溫微生物同耐冷菌一樣是一類可以在最低溫度為-5～0 ℃及最高溫度高于20 ℃生長繁殖的微生物，在低冷環境及人工濕地系統中均有耐冷菌的分布[14-15]。有研究人員從下水道中分離出對生活污水有機質有降解能力的耐冷菌，并利用耐冷復合菌群處理低溫生活污水，使CODMn由單一菌群35%的去除率提高到復合菌群89%的去除率[16]。

4.2 濕地中耐低溫菌的分離篩選研究

當前，通過人工篩選在培養基中培養出耐低溫菌種，如耐冷分歧桿菌、耐低溫酵母菌、耐冷型假單細菌和絲狀藍細菌等，對各種油烴類污染物以及人工合成的表面活性劑等均具有良好的降解效果。

在研究濕地耐冷菌的篩選和富集培養中，之前有魏清娟等[17]的研究指出人工濕地系統經低溫脫氮菌或生物強化后，濕地生物強化系統的出水氨氮和總氮濃度均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》出水排放的I級A標準，從而在強化低溫脫氮效果的同時增大了日處理量。并指出在濕地中增加低溫脫氮微生物豐度可以強化系統出水氨氮和總氮去除率，其中Pseudomonas、Bacillus、Nitrosomonas和土壤中Nitrospira在投加到系統中時，含量大幅增加，故而可以作為低溫脫氮菌劑構建的主要微生物菌屬。

顧修君等[18]的研究結果中當溫度為8 ℃時，從人工濕地污泥中分離出的6種對COD、總磷和氨氮均有去除效果的菌株，其中菌株E凈化效果最好。李慧峰等[19]從污水處理廠活性污泥中分離獲得了K36睪丸酮假單胞菌和K38居泉沙雷氏菌兩株對污水中COD具有降解能力的耐冷細菌，并指出在低溫下該菌株具有較高的活性。孫靜等[20]從北方人工濕地底泥中分離出耐冷菌株黃假單胞菌（Pseudomonas flava），并指出其在8 ℃時具有較好的污染物降解能力和耐鹽能力，且降解率均超過50%；多項研究無疑為提升人工濕地冬季運行效率豐富了耐冷菌資源[21]。

4.3 復合微生物菌劑的投加對人工濕地系統運行的影響

復合微生物菌劑修復技術是一種投資少、見效快向目標水體中投加具有特定功能的微生物并強化對目標污染物去除效果的水處理技術。現有研究指出，將通過實驗分離獲得的高效復合微生物菌劑和光合細菌等直接投加到目的污水處理系統中，處理效果十分明顯[22]。

低溫人工濕地運行微生物強化措施有高效微生物菌劑的投加和耐低溫復合微生物菌劑的投加等。研究指出耐冷復合菌群比單一菌具有更高的COD去除率，復合微生物菌劑的投加大大降低目標水體中的污染物含量。邢奕等[22]的研究中表明，在低溫6 ℃時，人工濕地系統中投加混合菌種較分別投加三種耐低溫菌時對氨氮的去除效果要好，故而通過高效耐低溫菌的篩選培養及外部投加技術，對提高濕地低溫運行效果十分重要。姜安璽等[23]的研究亦指出混合耐低溫菌劑比單一耐低溫菌對COD的去除率更高。從自然界分離更多種類的高活性的耐低溫菌經馴化后組成合適污水處理的微生物菌群，并結合固定化等工藝，應用于北方寒冷冬季生活污水（水溫在10 ℃），甚至其他低溫廢水處理，是提高處理效率的可行方法。

5 結論

目前對低溫人工濕地的運行強化措施中生物強化技術是立足于全世界的。對于我國北方冬季或寒冷地區，通過構建并投加耐低溫高效微生物復合菌劑來強化人工濕地系統的運行效果是可行的并值得推廣的。但目前還存在一定的問題，還需繼續優化使所構建的目的微生物復合菌劑更加的適合處理特定流域的水質，并且對投加后效果的保持及對運行穩定性的影響等問題還需繼續探討。