不同生物促生剂添加量对垂直流人工湿地水质净化效果的影响

doi:10.7541/2019.053不同生物促生剂添加量对垂直流人工湿地水质净化效果的影响童伟军1,2郑文萍2,3马琳2,3张义2贺锋2吴振斌2(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉430070;2.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,武汉430072;3.中国科学院大学,北京100049)NH+4摘要:以垂直流人工湿地为研究对象,探讨不同生物促生剂添加量对系统中N、P以及COD去除效果的影响,并通过测定人工湿地系统中基质磷酸酶和脲酶活性来进行机理分析。结果表明,添加生物促生剂可显著提高系统的脱氮效率,TN和-N去除效率均达到80%以上,较对照系统分别提高了71.5%和31.7%,对TP和COD的去除效率最高可达到36.0%和91.6%,较对照系统分别提高了9.1%和5.9%。同时可提高系统中基质磷酸酶和脲酶活性,对系统中基质脲酶活性更具有显著性的影响,基质磷酸酶、脲酶活性和COD去除率间存在显著正相关。研究中所采用的生物促生剂在本系统中最适宜添加量为5μL/L,即每升进水中添加5μL生物促生剂。关键词:生物促生剂;水质净化;基质酶活;垂直流人工湿地中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1000-3207(2019)02-0431-08在中国农村地区,由于其落后的经济现状以及对污水治理的重视不足,农村地区污水处理设施有限,生活污水没有得到有效地治理,90%以上的农村生活污水没有经过适当的处理处置就直接排入当地的河湖[1],而生活污水中丰富的氮磷等营养物质会造成水体富营养化等水环境问题以及其他潜在的危险问题[2]。因此,利用经济、高效的污水处理系统对农村地区生活污水进行治理对于维护农村居民身体健康以及农村水域环境良好具有十分重要的意义。在过去的各种研究中,诸多污水处理系统已被应用于农村生活污水的处理,如稳定塘[3]、生物滤池[4]、人工湿地[5,6]等,而在这些现有的污水处理系统中,人工湿地由于建设运行费用低、出水水质好以及维护管理方便等优点而得到广泛的应用[7,8],人工湿地是处理生活污水最有效的生态系统之一,特别是垂直流人工湿地,其系统充氧更加充分,有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行,并在氮磷等污染物质的去除过程中起着重要的作用。污水在通过垂直流人工湿地系统中多孔基质的过程中,在湿地植物以及微生物的作用下而得到净化[9]。因此,湿地系统中基质、植物以及微生物是人工湿地发挥净化作用的3个主要因素,污染物通过一系列复杂的物理、化学、生物作用而得到去除[10]。在污水处理过程中,大分子有机物降解为小分子的营养物质,主要是微生物通过一系列广泛的机制进行的。在垂直流人工湿地系统中,微生物对有机物的降解同样发挥着重要作用。但是高浓度高负荷的生活污水,垂直流人工湿地的净化性能有限,通过向系统中添加生物促生剂来提高系统中微生物活性进而提高系统对污染物的净化能力是从根本上解决这一问题的重要手段之一。生物促生剂是一种富含能量物质、无毒表面活性剂、电子受体、酶等的复合制剂,可以刺激系统中关键酶活性以及提高微生物活性。生物促生剂包含的多种成分,如多肽、氨基酸、激素[11],可以促进微生物的新陈代谢,促使微生物在较差的环境里快速生长[12]。目前有很多关于人工湿地对污染物的净化能力以及微生物活性的研究[13,14],但将生物促生剂应用于人工湿地系统中用以提高系统中微生物活性进而提高系统对污水降解能力的研究还未有报道。第43卷第2期水生生物学报Vol.43,No.22019年3月ACTAHYDROBIOLOGICASINICAMar.,2019收稿日期:2018-03-12;修订日期:2018-06-05基金项目:国家自然科学基金(51178452、51709254和51709255)资助[SupportedbytheNationalNaturalScienceFundationofChina(51178452,51709254and51709255)]作者简介:童伟军(1993—),男,安徽宣城人;硕士研究生;主要研究方向为水体生态修复。E-mail:[e-mail]通信作者:贺锋(1973—),男,研究员;E-mail:[e-mail]本研究以垂直流人工湿地作为研究对象,将生物促生剂应用于人工湿地处理生活污水的研究中,通过研究不同添加量的生物促生剂对垂直流人工湿地系统的水质净化效果,筛选出生物促生剂在垂直流人工湿地系统中最优的添加量,并分析系统中基质酶活和污染物去除率的相关性,探究生物促生剂在水质净化方面的作用机理,为后续生物促生剂在人工湿地的应用提供理论依据。1材料与方法1.1实验装置本实验以垂直流人工湿地系统作为研究对象,采用内径为250mm的PVC管制成,管高920mm,填料高度为600mm,装置从下到上依次填入粒径为5—8mm粗砾石100mm高,粒径为3—5mm细砾石300mm高以及粒径为1—2mm石英砂200mm高,系统中种植已放入自来水中稳定半月的美人蕉(Cannaflaccida),如图1所示。实验系统共分为4组,分别是CK、B1、B5和B10,其中CK系统为对照组,不添加生物促生剂,B1、B5和B10系统为实验组,分别添加1、5和10μL/L的生物促生剂于进水中混合均匀,然后通过蠕动泵经布水器均匀输送至人工湿地系统中,每组设置3个平行。1.2实验材料实验所添加的生物促生剂为实验室自主配置的生物促生剂,参考相关文献确定生物促生剂中发挥激活系统土著微生物活性的物质有氨基酸、酶类、维生素、电子受体以及微量元素等[15,16],最终确定生物促生剂的制备过程:分别称取酵母浸膏25g、天冬氨酸3.6g、色氨酸14.4g、维生素H1g、氯化钠0.5g、6-苄基嘌呤0.45g以及其他微量元素,混合溶解于200mL蒸馏水中,过滤后弃去残渣,所得滤液即为所制得的生物促生剂,放入4℃冰箱中储存备用。1.3系统运行条件NH+4系统进水采用自配污水,其中碳源主要采用蛋白胨、牛肉膏和葡萄糖,含量分别为0.16、0.11和0.2g/L,氮源主要采用氯化铵,含量为0.057g/L,磷源主要采用磷酸氢二钾,含量为0.038g/L,微量元素主要采用无水氯化钙和无水硫酸镁,含量分别为0.004和0.002g/L,另含有0.007g/LNaCl。实际配置的污水化学需氧量(COD)浓度为(408.7±18.6)mg/L,总氮(TN)浓度为(45.20±2.92)mg/L,总磷(TP)浓度为(5.93±0.51)mg/L,氨氮(-N)浓度为(19.62±1.93)mg/L,水温(27.54±1.07)℃,pH为7.31±0.05。系统采用间歇式进水,单个系统进水量为15L,水力负荷为200mm/d,水力停留时间为3d。系统建成后,稳定2月后开始本实验研究。1.4主要监测指标及方法NH+4所有系统在装置进水采样口和出水采样口进行采样,水样采样频率为每3天1次,基质采样频率为每9天1次。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;-N采用纳氏试剂分光光度法;TP采用钼酸铵分光光度法;COD采用快速消解分光光度法,均参照《水和废水监测分析方法》进行[17]。磷酸酶活性采用p-硝基苯磷酸二钠法,以p-硝配水桶自配污水蠕动泵出水粗砾石细砾石石英砂美人蕉布水器单位：mm100300200进水图1垂直流人工湿地实验装置图Fig.1Experimentaldeviceshcematicofaverticalflowconstructedwetland432水生生物学报43卷NH+4NH+4基苯磷酸二钠为酶促反应基质,测定反应后p-硝基酚含量,磷酸酶活性以1g土壤作用于基质(p-硝基苯磷酸二钠)24h释放出的p-硝基苯酚量表示;脲酶活性采用奈氏比色法,以尿素作为脲酶酶促反应基质,测定反应结束后生成的-N含量,脲酶活性以1g土在37℃培养24h释放出-N的含量表示[18]。1.5数据处理所有数据均利用SPSS22软件进行One-wayANOVA方差利用LSD法进行多个样本的均数比较以及对系统水质净化效果和基质酶活进行Pear-sons相关性分析,显著性水平均设为0.05。2结果2.1不同生物促生剂添加量对水质净化效果的影响本实验的垂直流人工湿地系统运行于2017年2月至7月,水样每3天采集1次进行水质指标的分析,各系统去除率见表1以及水质各指标去除率变化如图2所示。NH+4由表1可知,各个系统水质指标的去除率均存在着B5B1B10CK的规律。实验组(B1、B5、B10)的出水-N和TN去除率均达到80%以上,NH+4相较于对照组(CK)的-N和TN去除率分别提高了近70%和30%,二者具有极显著性差异(P0.01),而不同实验组间只有B5系统的TN去除率显著高于B10系统(P0.05),其他系统间无显著性差异。对于TP去除率,实验组B1、B5和B10系统去除率分别达到30.8%、36.0%和27.2%,B5系统显著高于B10系统(P0.05);与对照组CK相比,B5系统与其具有极显著性差异(P0.01),TP去除率提高了10%左右。对于COD去除率,与TP去除率存在着类似的规律。B1系统和B5系统对COD的去除率分别达到89.6%和91.6%,显著高于CK系统(P0.05),但表1各系统污染物平均去除率Tab.1Averageremovalratesofpollutantsindifferentsystems系统SystemNH+4-N(%)TN(%)TP(%)COD(%)CK21.4±15.2a62.1±11.1a26.9±8.8a85.7±6.8aB192.2±3.2b92.2±2.2bc30.8±10.7ab89.6±4.7bcB592.9±4.3b93.8±1.8b36.0±13.6b91.6±6.0cB1091.8±3.4b91.8±2.9c27.2±11.4a86.3±7.7ab注:表中数字均为平均值±标准偏差的形式,同一列中不同上标表示LSD检验差异显著(P0.05)Note:Numbersinthetableareintheformofaveragevalue±standarddeviation,andthevaluewithdifferentsuperscriptlettersinthesamecolumnaresignificantlydifferent(P0.05)accordingtoLSDtests65707580859095100105COD去除率CODremovalrate(%)CKB1B5B10CKB1B5B10CKB1B5B10CKB1B5B10−20020406080100TP去除率TPremovalrate(%)时间Time(d)时间Time(d)30405060708090100TN去除率TNremovalrate(%)0612182430364248546066−20020406080100NH4+-N去除率NH4+-Nremovalrate(%)dcba061218243036424854606606121824303642485460660612182430364248546066图2各系统污染物去除率变化Fig.2Variationofpollutantremovalratesindifferentsystems2期童伟军等:不同生物促生剂添加量对垂直流人工湿地水质净化效果的影响433B1系统和B5系统间却无显著性差异;B10系统对COD的平均去除率为86.3%,与B5系统存在显著性差异(P0.05)。2.2不同生物促生剂添加量对基质酶活的影响系统中基质磷酸酶和脲酶活性随系统运行时间变化如图3所示。实验组的基质磷酸酶活性高于对照组,但各系统间无显著性差异。对于系统中基质脲酶活性,B5系统与CK系统存在极显著性差异(P0.01),B10系统与CK系统存在显著性差异(P0.05);而实验组间,只有B5系统与B1系统间存在显著性差异