不同含量低污染水对人工湿地中细菌的影响研究顾丽君

水处理技术TechnologyofWaterTreatmentISSN1000-3770,CN33-1127/P《水处理技术》网络首发论文题目：不同含量低污染水对人工湿地中细菌的影响研究作者：顾丽君，钱庄，祝志超，张周收稿日期：2018-12-04网络首发日期：2020-03-24引用格式：顾丽君，钱庄，祝志超，张周．不同含量低污染水对人工湿地中细菌的影响研究[J/OL]．水处理技术.网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。低污染水主要包括市政与工业污水处理厂的尾水、农村生活污水处理后出水、村镇初期雨水和受到较大污染的河流、湖泊等[1]。低污染水中的氮含量仍然较高，过量的氮排放会破坏自然水体的生态平衡，如引起河流、湖泊的富营养化，现今中国的主要湖泊或水库有11.5%受到重度污染，有26.2%受到轻度污染，因此对低污染水的深度处理是必要的[2]。低污染水水质水量波动大、污染物含量较低的特性使得传统水处理工艺，如活性污泥法和一些较新的处理工艺如MBR、高级氧化技术不适合用来处理低污染水[3-4]。人工湿地具有建设成本低、管理运行方便及处理效果好等优点，因此越来越多的人工湿地被用于处理低污染水。水平流人工湿地（HFCW）具有良好的截留污染物的性能，在饱和运行时上层为好氧环境适合硝化作用，下层为缺氧或厌氧环境适合反硝化作用，能同时提供适宜的硝化反硝化环境实现好的脱氮效果[5-6]。人工湿地对低污染水中污染物尤其是TN的去除主要是通过细菌的作用[5,7]；在细菌反硝化脱氮过程中，碳源（以COD表示）相对于反硝化过程的充足与否是制约细菌反硝化效率的重要因素[8]。COD/籽(TN)是影响人工湿地系统中处理效果及细菌群落结构尤其是反硝化细菌的关键因素，一般认为，COD/籽(TN)小于完全反硝化所需要的最小量时，反硝化过程不充分，易造成亚硝氮的积累；而当COD/籽(TN)大于完全反硝化所需的量时，硝化作用会受到抑制，易造成出水中氨氮含量增加，降低出水水质[9]。之前大多数的研究都是探究不同COD/籽(TN)对人工湿地脱氮的影响，丁怡等研究不同进水碳氮比水平潜流人工湿地的脱氮效果，表明进水中合理的碳氮比很大程度上影响人工湿地系统的脱氮效果[10]。孙洪伟等探究了不同COD/籽(TN)下微生物的反硝化特性，结果表明COD/籽(TN)小于5时微生物还原亚硝氮的能力较强，COD/籽(TN)大于5时微生物还原硝氮的能力较强[11]。WU等研究不同COD/籽(TN)对表面流人工湿地的影响，结果表明COD/籽(TN)过高和过低时都会造成大量的N2O的释放，COD/籽(TN)为5时，人工湿地具有好的处理性能且基本没有N2O的释放[12]。低污染水中碳氮含量的波动对人工湿地中细菌群落结构影响较大，探究人工湿地处理低污染水中同一COD/籽(TN)下不同碳氮含量对细菌群落顾丽君1，钱庄1，祝志超2，张周2（1.无锡市环境科学研究所，214121；2.江南大学环境与土木工程学院，214122：江苏无锡）探究水平流人工湿地（HFCW）系统处理低污染水过程中，相同COD/籽(TN)下不同碳氮含量对细菌群落结构的影响。结果表明，进水为较高碳氮含量的HFCW（HF1）和进水为较低碳氮含量的HFCW（HF2）对COD和TN的去除效率具有一定的差异，HF1和HF2对COD的去除效率分别为48.26%和28.89%，对TN的去除率分别为79.06%和81.87%。HF1中细菌的丰富度和多样性均高于HF2，HF1中富集的优势细菌为Chloroflexaceae尧Comamonadaceae和Rhodocyclaceae，均具有异养反硝化功能，HF2中富集的优势细菌为Xanthomonadaceae和Rhodocyclaceae，其中Xanthomonadaceae具有自养反硝化功能。COD、NH4+-N和NO3--N对HF1中细菌群落的影响大于对HF2中细菌群落的影响，HF1中COD对细菌群落的影响大于NH4+-N和NO3--N。低污染水；水平流人工湿地；碳氮含量；COD/籽(TN)；细菌群落结构；冗余度分析X705A收稿日期：2018-12-04；修改日期：2020-03-13基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07204001-02）作者简介：顾丽君（1984－），女，工程师，从事环境规划工作；联系电话：[phone]；电子邮件：[e-mail]通讯作者：张周，硕士，实验师；电子邮件：[e-mail]2020-03-2411:08:39结构的影响的研究较少。本研究设计了2套HFCW系统，在HFCW处理COD/籽(TN)均为5的低污染水的过程中，探究不同的碳氮含量下对HFCW中细菌群落结构的影响，以揭示HFCW中细菌群落的差异及对细菌群落结构影响的主要因素。2套HFCW实验系统分别为HF1、HF2，每套系统包括1个500L的调节池和1组HFCW。HFCW的长、宽、高分别为100、50、50cm，每组HFCW中填装2层填料，由下至上分别是20cm粒径为4～6mm的沸石层，20cm粒径为4～6mm的石英砂层，预留10cm的超高。HFCW的有效容积约为120L，如图1所示。系统采用连续饱和运行方式，进水体积流量为60L/d，HFCW的水力负荷为12.00cm/d，水力停留时间为2d，HFCW中的水面高于填料2～5cm。实验采用模拟废水，以C6H12O6和CH3COONa为碳源，(NH4)2SO4和KNO3为氮源，COD/籽(TN)为5，外加适量的微量元素。HF1进水COD平均为45.25mg/L，TN的质量浓度平均为8.74mg/L，COD/籽(TN)=5.18。HF2进水的COD平均为26.31mg/L，TN的质量浓度平均为5.35mg/L，COD/籽(TN)=4.92。正式处理低污染水之前，系统经过30d左右的启动期。启动期之前先用潜水泵将污水泵入HFCW中将填料全部浸透，再按设计体积流量60L/d用蠕动泵进水，开始7d向进水中加入活性污泥（MLSS的质量浓度为800mg/L）进行细菌的接种[13]。7d后进水中停止添加活性污泥，稳定运行23d后完成系统中细菌的驯化。启动期后正式开始处理低污染水，稳定运行2个月，期间对2组HFCW的进出水进行分析。之后对2组HFCW各层填料中的细菌群落结构进行取样分析。在HFCW稳定运行期间，对2组HFCW系统进水和出水的水样进行采集，每2d采集1次。水样采集后立即带回实验室且在24h内完成测试分析，分析的水质指标包括COD和NH4+-N、、NO3--N、TN含量。系统稳定运行2个月后对2组HFCW中的石英砂层（HF1-1、HF2-1）和沸石层（HF1-2、HF2-2）进行细菌样品的采集。所有的细菌样品都包括每层的填料和填料间隙水，每个样品区域采集3个样品进行混合。将混合后的每个样品称取100g加入100mL的生理盐水（质量分数0.9%的NaCl）中，混合均匀后超声5min，再涡旋振荡1min，最后取上部的悬浮液体。每个样品重复3次，将3次所取的悬浮液进行混合，混合后的悬浮液在离心力8kg下离心5min，将离心后得到的固体样品存在-80℃冰箱中[14]。水样。COD采用重铬酸钾法，NH4+-N、NO3--N和TN含量分别采用纳氏试剂-分光光度法、紫外分光光度法和碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法[15]。细菌样品。DNA的提取采用MPFastDNA誖SPIN试剂盒，得到的DNA利用细菌通用引物338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')进行扩增[5]。PCR反应体系：4滋L5伊FastPfu缓冲溶液，2滋L2.5mmol/L的dNTPs，0.8滋L5滋mol/L的前引物，0.8滋L5滋mol/L的后引物，0.4滋LFastpfu聚合酶，0.2滋LBSA，10ngDNA，最后补充ddH2O至20滋L。PCR的反应参数：95℃下反应3min，接着在95℃下反应30s，55℃下反应30s，72℃下反应45s，在此过程循环27次，最后72℃下反应10min。用质量分数2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物，检测合格的PCR产物在上海某生物公司的IlluminaPE300上进行测序分析[16]。表1为HF1和HF2中污染物的去除情况。由表1可知，HF1和HF2系统COD、TN、NH4+-N、NO3--N的去除率分别为48.62%、79.06%、67.52%、90.80%和28.89%、81.87%、86.24%、79.43%，这2组图1实验装置Fig.1SchematicoftestTNNH4+-NNO3--N表1HF1和HF2污染物的去除情况Tab.1PollutantremovalofHF1andHF2进出水COD/(mg·L-1)籽/(mg·L-1)HF1进水HF1出水HF2进水HF2出水45.2523.2526.3118.718.741.835.350.974.281.392.980.414.130.382.090.43HFCW均能有效地去除污染物，出水水质均达到GB3838－2002规定的地表水环境五类水标准[17]。HF1对COD、NO3--N的去除率高于HF2，表明HF1中为反硝化脱氮过程提供了较多的碳源，反硝化过程较充分[9]。由于HF1中较高含量有机物的去除抑制了对NH4+-N的去除，导致HF1对NH4+-N的去除率低于HF2[5,9]。同时，HF1中NH4+-N硝化过程受到抑制，不能提供更多的NO3--N作为电子受体，因而HF1对TN的去除较小[9]。HF1和HF2之间对污染物去除的差异表明HF1和HF2中的细菌群落结构尤其是反硝化细菌存在一定的差异[4,6]。表2是HF1-1、HF1-2、HF2-1和HF2-2的细菌覆盖度（Coverage）、丰富度（Sobs、ACE和Chao1）和多样性（Shannon和Simpson）的比较。由表2可知，每个样本的OUTs都在26伊103条以上。Coverage指数表征样本的覆盖度，4个样本的Coverage指数都大于0.98，表明OTUs覆盖了各样本的细菌的真实情况。Sobs、ACE和Chao1指数表征样本中细菌的丰富度，HF1中的HF1-1和HF1-2