李小宇,鐘艷霞,賀 婧,羅玲玲,楊麗芳,梁 東
(寧夏大學資源環境學院,寧夏銀川 750021)
寧夏典型農村生活污水處理系統污水微生物數量和污染物特征
李小宇,鐘艷霞,賀 婧,羅玲玲,楊麗芳,梁 東
(寧夏大學資源環境學院,寧夏銀川 750021)
近年來,農村生活污水已成為農村主要的環境問題。對2處寧夏典型農村生活污水處理系統中微生物數量變化特征對污染物濃度變化特征的影響進行研究,為采用人工干預微生物處理技術治理農村生活污水提供依據。結果表明,平吉堡和黃羊灘2處典型農村生活污水處理系統各節點微生物總數在107CFU/mL以上,其中細菌數量最多,其次為放線菌,再次是真菌,且3類微生物數量沿水流方向逐漸降低;同時發現,污水處理系統各相鄰節點微生物數量之間存在顯著相關性,相關系數在0.895(P<0.05或P<0.01)以上,且3類微生物數量與化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)、NH3-N去除率之間存在顯著相關性(P<0.05或P<0.01),說明微生物是去除污水中有機物和氮的主要途徑;而與TP去除率相關性不顯著(P>0.05),表明微生物的作用不是去除污水中磷的重要方式,其他去除途徑有待進一步研究。
銀川市;農村生活污水;污水處理系統;污染物去除率;水質
據建設部2005年對全國部分村莊的調查和2009年中國環境狀況公報顯示,中國城鎮生活污水排放量為 3.30×1010t,我國有96%的村莊沒有排水溝渠和污水處理系統[1-2];由于缺乏合適的污水處理技術,95%的農業廢水、生活污水直接排入當地河流、湖泊和水庫等[3],威脅農村水生態環境。由于廣大農村地區人口居住較分散,污水收集困難,且缺乏足夠的資金和專業的污水處理技術,致使大量農村生活污水未經過任何處理,直接潑撒或就近排入江河湖泊,導致農村河流湖泊水體環境容量和生態承載能力下降,農村水環境生態系統受到嚴重破壞[4-7]。我國農村生活污水處理系統的研究主要集中在遴選污水處理工藝和現狀調查方面[8-11],隨著微生物技術的發展,人們發現多樣性微生物菌群的協同作用,不同生物反應器中由于生態環境不同,微生物種類、數量和代謝活性等方面均不相同,形成不同的微生物種群和結構[12]。目前的研究重點集中在對不同的污水生物處理微生態系統中微生物種群的分布、多樣性、群落結構和功能性等方面[13-14];而不同生物處理微生態系統中微生物之間、微生物與其底物及環境因子之間相關性的研究也取得了進展[15-16]。
目前,我國針對農村生活污水的處理技術主要有土壤滲濾技術、人工濕地處理技術、蚯蚓生態濾池技術、一體化集成裝置處理技術等[17]。根據寧夏《農村污水分散處理技術規范說明》中規定的農村生活污水用水量、排放系數及排放量,截至2013年年底,銀川市周邊共建立污水處理系統示范點37處,以人工濕地、地埋式一體化處理系統為主。根據農村生活污水集中收集處置工藝的不同確定2個典型地區,開展農村生活污水集中處理過程中水質分析監測,對入水口、各集水點、處理過程點開展水質分析監測,監測氨氮、總磷、COD等指標。本研究選取銀川市黃羊灘、平吉堡2種典型農村生活污水處理系統為研究對象,追蹤各污水處理系統中微生物數量沿水流方向的變化趨勢,深入探討農村生活污水處理系統各節點微生物數量與水質變化之間的關系,為改進和提高這2種農村污水處理系統的處理效率提供幫助。
1.1 樣品采集
采樣時間為2014年5月至2015年1月,每20 d為1個采樣周期,共取樣9次。以常規采水裝置采集水樣,玻璃瓶儲存。在2處農村生活污水處理系統的各關鍵節點共布設12個采樣點,其中平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統5個樣點,分別布設在調節池、厭氧池(O)、好氧池(A)、沉淀池、出水口(圖1);黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統7個樣點,分別布設在入水口、調節池、生化池、初級沉淀池、二級沉淀池、提升池、出水口(圖2)。現場測定水溫、pH值,水樣固定后,盡快送回實驗室進行水樣預處理,水樣在運輸過程中避免震動和碰撞。實驗室檢測各樣點各類微生物數量,同時監測COD、NH3-N、TP等。
1.2 微生物數量測定方法
培養基選擇:細菌數量測定采用LB培養基[18];放線菌數量測定采用高氏1號培養基[18];真菌數量測定采用PDA培養基[18-20]。接種、培養方法:取1 mL農村生活污水,放入盛有9 mL蒸餾水的試管中,稀釋成10-1倍;然后依次稀釋成10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7倍等7個梯度。把稀釋后的污水接種在固體培養基上,每個梯度做3個平行。其中,細菌在培養箱中培養24 h后取出計數,真菌培養1~2 d計數,放線菌培養5~7 d計數[18]。


1.3 水質監測方法
生活污水水質檢測項目和檢測方法見表1。

表1 農村生活污水處理系統污水水質檢測項目及方法
1.4 數據處理方法
用Origin 9.0軟件繪圖,用SPSS19.0軟件分析數據,Pearson檢驗方法(檢驗水平為P<0.05和P<0.01)檢驗數據間的相關水平,Pearson相關系數用于表征比較對象之間的相關關系。
2.1 農村生活污水處理系統微生物數量特征
2.1.1 平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統沿程微生物數量變化特征 由圖3可知,平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統微生物數量(細菌、真菌、放線菌)監測發現,系統沿程各處理節點(調節池、好氧池、厭氧池、沉淀池、出水)微生物數量依次遞減;其中,細菌數量在5.43×107~9.83×108CFU/mL之間,真菌數量在3.05×104~8.92×105CFU/mL之間,放線菌數量在1.98×105~4.34×106CFU/mL。此外,該污水處理系統微生物總數量中細菌數量所占比例最高,所占比例超過90%,其次是放線菌,再次是真菌;與細菌相比,真菌數量低2~4個數量級,放線菌數量低1~3個數量級。

2.1.2 黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統沿程微生物數量變化特征 由圖4可知,黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統沿程各處理節點(入水池、調節池、生化池、初級沉淀池、二級沉淀池、提升池、人工濕地出水即出水池)微生物數量依次遞減;其中,細菌數量在1.67×107~8.47×108CFU/mL,真菌數量在1.56×103~6.53×105CFU/mL,放線菌數量在6.00×103~7.32×106CFU/mL。該污水處理系統微生物數量中細菌數量所占比例最高,為90%以上;其次是放線菌,與細菌數量相比低1~5個數量級;再次是真菌,與細菌數量相比低2~5個數量級。
一般來說,污染水體中的微生物生態學變化隨污染程度的降低,微生物數量減少[12,21];2處典型農村生活污水處理系統沿程各節點微生物數量依次呈遞減趨勢。2類系統微生物總數中細菌所占比例最高,其次是放線菌,再次是真菌,與杜剛等的研究結果[22]一致;微生物總數也因細菌數量所占比例最高,與細菌數量沿程變化類似。同時發現2類系統微生物數量夏秋季最多,冬春季最少,主要是由于隨著季節的變化,水溫也隨之改變,微生物數量隨溫度升高而增加,與Zhou等的研究結果[23-24]一致。研究同時發現,微生物總數并不是隨運行時間無限地增長繁殖的,而是在系統的長期運行中逐漸形成了數量和活性比較穩定的生物群落。
2.2 農村污水處理系統相鄰各節點微生物數量之間的相關性
農村生活污水處理系統相鄰各節點是一個連通的系統,上一節點的微生物與下一節點必然存在聯系。了解農村生活污水處理系統各相鄰節點微生物數量之間的關系對改進寧夏農村生活污水處理系統,提高污水處理效率有重要意義,同時

為人工干預微生物技術處理農村生活污水奠定基礎。
2.2.1 平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統相鄰節點微生物數量之間的相關性 由表2可知,平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統各相鄰節點細菌數量之間存在極顯著相關性(r=1.000,P<0.01),說明系統各相鄰節點污水中細菌數量之間存在相關性;各相鄰環節真菌數量之間也存在顯著相關性,其中沉淀池與出水池相關性系數為 0.945(P<0.05),其他各相鄰節點相關性系數依次分別為 0.988、0.999、0.962(P<0.01);各相鄰環節放線菌數量之間同樣存在相關性,其中調節池與好氧池相關性系數為0.992(P<0.01),其他各相鄰節點相關性系數依次分別為0.924、0.919、0.895(P<0.05)。吳卿等研究飲用水中微生物的多樣性,發現不同取樣點飲用水樣品中雖然存在特異菌,但各取樣點水樣中的優勢菌相同[25]。通過以上研究可知菌群結構主要是由環境條件決定,一般在相同的廢水中采用不同的處理,微生物種群結構一般一致,但優勢菌群不同。

表2 平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統相鄰各
注:“**”表示在0.01水平上顯著相關,“*”表示在0.05水平上顯著相關。下同。
2.2.2 黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”污水處理系統相鄰節點微生物數量之間的相關性 由表3可知,黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統除提升池與人工濕地出水微生物(細菌、真菌、放線菌)數量之間不存在顯著相關性外,系統其他相鄰節點微生物數量之間均存在相關性。其中,各相鄰節點細菌數量之間存在相關性,相關性系數分別為0.994、1.000、0.999、0.997、0.998(P<0.01);相鄰各節點放線菌數量之間也存在相關性,相關系數依次分別為0.998、0.997、0.996、0.998、0.996(P<0.01);入水池與調節池、調節池與生化池、初級沉淀池與二級沉淀池真菌數量之間存在相關性,相關系數分別為0.957、0.952、0.942(P<0.05);生化池與初級沉淀池、二級沉淀池與提升池真菌數量存在顯著相關,相關系數分別為0.976、0.984(P<0.01)。該污水處理系統提升池與人工濕地出水微生物數量之間不存在顯著相關性(P>0.05),主要原因是人工濕地蘆葦根際微生物和生物膜改變了提升池污水中原有的微生物群落數量和群落結構。

表3 黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”污水處理
2.3 農村生活污水處理系統污染物濃度沿程變化特征
2.3.1 平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統污染物濃度沿程變化特征 由圖5可知,平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統污染物濃度(NH3-N、TP、COD濃度)沿程呈下降趨勢,各污染物去除率8月最高,1月最低。其中,COD出水濃度達到寧夏農村生活污水出水排放一級標準(60 mg/L);NH3-N出水濃度達到農村生活污水出水排放一級標準(8 mg/L或15 mg/L);TP出水濃度未能達到農村生活污水出水排放標準(2 mg/L)。平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統COD去除率為30%~80%,NH3-N去除率為35%~70%,TP去除率為50%~80%。顯著性(F)檢驗發現,平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統中好氧池去除率與沉淀池去除率之間存在顯著性差異(r=0.752,P<0.05),好氧池去除率與加氯消毒池去除率之間存在顯著差異(r=0.917,P<0.01)。因此,平吉堡“地埋式一體化”污水處理系統中好氧池去除率較其他節點的去除率更顯著,主要原因可能是“地埋式一體化”污水處理系統中微生物主要以好氧菌群和兼性厭氧菌群為主。
2.3.2 黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統污染物濃度沿程變化特征 由圖6可知,黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統COD、NH3-N、TP污染物濃度沿程也呈下降趨勢。COD出水濃度達到寧夏農村生活污水出水排放一級或二級標準;NH3-N出水濃度達到農村生活污水出水排放一級或二級標準;TP出水濃度未能達到農村生活污水出水排放標準。其中,COD去除率為40%~85%,NH3-N去除率為50%~85%,TP去除率為55%~80%。通過對系統四季的水質監測發現,2處農村生活污水處理系統各污染物去除率8月最高,1月最低。此外,顯著性(F)檢驗發現,黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統中人工濕地節點去除率與其他節點存在顯著性差異(P<0.01),較其他節點去除率更高,主要原因是人工濕地是通過植物-土壤-微生物的綜合作用實現對污染物的去除,而濕地中微生物物種豐富、代謝活性強且有助于凈化污水。


綜上所述,2類典型農村生活污水處理系統COD、NH3-N、TP等污染物濃度沿程呈下降趨勢,且各污染物去除率8月最高,1月最低,這一特征與系統各節點微生物數量變化特征一致。由此可以看出,農村生活污水處理系統微生物優勢種群的數量與廢水的處理效果出現協同變化的特征[25],也說明系統各類微生物數量與污染物濃度之間存在一定相關性。另外,2種不同的農村生活污水處理系統出水COD、NH3-N濃度均達到寧夏農村生活污水出水標準;而出水TP濃度過高,未能達到出水標準,主要原因是2類工藝系統設立了完整的厭氧區,初始進入的硝態氮對釋磷菌的作用有一定的影響。同時發現,黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統中人工濕地環節對污染物去除率較其他環節更明顯;而平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統好氧池對污染物的去除率較其他環節更明顯。因此,今后可以重點研究人工濕地和好氧池的去污機制,為進一步分離、篩選高效降解功能性微生物奠定基礎。
2.4 農村生活污水處理系統微生物數量與污染物去除率之間的相關性
2.4.1 平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統微生物數量與污染物去除率之間的相關性 由表4可知,平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統細菌數量與氨氮、COD去除率之間存在顯著相關性,相關系數分別為0.884(P<0.01)、0.915(P<0.01);真菌數量與氨氮、COD去除率存在顯著相關性,相關系數分別為0.837(P<0.05)、0.786(P<0.05);放線菌數量與氨氮、COD去除率存在顯著相關性,相關系數分別為0.755(P<0.01)、0.826(P<0.01),主要原因是污水中的氮和有機質作為氮源和碳源被微生物吸收利用,因此微生物是氨氮和有機質去除的主要因素。而細菌、真菌、放線菌數量與TP去除率相關性不顯著(P>0.05),主要原因是磷的去除有多種途徑,大部分被污泥吸附沉降,少部分被微生物吸收利用。

表4 平吉堡“地埋式一體化”農村生活污水處理系統污水
2.4.2 黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統微生物數量與污染物去除率之間的相關性 由表5可知,黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統細菌數量與氨氮、COD去除率之間同樣存在顯著相關性,相關系數分別為0.877(P<0.01)、0.765(P<0.01);真菌數量與氨氮、COD去除率之間存在顯著相關性,相關系數分別為0.995(P<0.05)、0.946(P<0.05);放線菌數量與氨氮、COD去除率存在顯著相關性,相關系數分別為0.879(P<0.01)、0.737(P<0.01),主要原因是微生物可以吸收污水中的氮和有機物作為營養物質大量生長繁殖,以達到去除污染物的目的。細菌、真菌、放線菌數量與TP去除率相關性不顯著(P>0.05),主要原因是有機磷及溶解性較差的無機磷酸鹽通常不能被水生植物直接吸收利用,需要經過磷細菌的代謝活動將其轉化為可溶性磷化物,從而通過植物和部分微生物的吸收利用及基質的吸附作用實現磷的去除[26-27]。付融冰等研究發現人工濕地基質中微生物數量與TP的去除率相關性不明顯[28-29],說明農村生活污水處理系統對磷的去除還有其他途徑和方式。

表5 黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水
研究同時發現,農村生活污水處理系統微生物數量與溫度之間存在顯著相關性(P<0.05),微生物數量隨著溫度的變化而變化,其污染物去除效率也隨之變化,夏秋季溫度高,微生物數量多,去污效率高;冬春季溫度低,微生物數量少,去除效率低,這與李智等的研究結果[30-32]一致。
寧夏2類典型農村生活污水處理系統污水中微生物數量沿程依次降低,其中細菌所占比例最高,其次是放線菌,再次是真菌。另外,相鄰節點微生物數量之間相關性分析發現除黃羊灘“厭氧生化處理+潛流式人工濕地”農村生活污水處理系統提升池與人工濕地出水微生物數量之間不存在顯著相關性外,2種系統各相鄰環節微生物數量之間均存在顯著相關性。
2類典型農村生活污水處理系統污染物濃度沿程呈現下降趨勢,COD、NH3-N出水濃度達到寧夏農村生活污水排放標準,但TP出水濃度未能達標排放。同時發現,2個系統中人工濕地和好氧池對污染物的去除率較其他環節更明顯,因此,今后可以重點研究人工濕地和好氧池的微生物菌落,為進一步篩選高效降解能力的功能菌群奠定基礎。
2類典型農村生活污水處理系統中微生物數量與污染物去除率之間的相關性研究發現,3類微生物數量與COD、NH3-N 去除率之間存在顯著相關性(P<0.05或P<0.01),說明微生物是去除污水中有機物和氮的主要途徑;而與TP去除率相關性不顯著(P>0.05),表明微生物的作用不是去除污水中磷的重要方式,其他去除途徑有待進一步研究。
本研究對了解寧夏農村生活污水處理系統污水中微生物數量和污染物濃度變化特征及二者之間的內在關系有重要意義,不僅可以使寧夏農村生活污水處理系統成為去污效率高、地區適應性強的污水處理系統奠定基礎,而且為西北地區篩選、利用農村生活污水處理系統中的功能性微生物提供依據。為此,今后的研究重點集中在細菌、真菌、放線菌的分離和純化及其功能性研究方面,為最終尋找有凈化污水的功能微生物奠定基礎。
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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.070
2015-12-02
國家自然科學基金(編號:41161092);寧夏大學研究生創新項目(編號:GIP2015003);寧夏高等學校科學技術研究(編號:NGY2014060)。
李小宇(1988—),河南南陽人,男,碩士研究生,從事環境變化與生態安全研究。Tel:(0951)2061168;E-mail:xuekulxyu@126.com。
鐘艷霞,博士,教授,主要從事干旱區環境變化研究。Tel:(0951)2061168;E-mail:zhongyx_w@163.com。
X703
A
1002-1302(2017)02-0248-05
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