不同填料對(duì)再生水補(bǔ)水型水體物種形成研究*

顧永鋼 金鵬康 李兆欣 黃炳彬 劉 操

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

不同填料對(duì)再生水補(bǔ)水型水體物種形成研究*

顧永鋼1,2金鵬康1#李兆欣2黃炳彬2劉 操2

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

穩(wěn)定、多樣的河湖水系生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和維持難度大。針對(duì)北京典型再生水補(bǔ)水型河湖水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，選用火山巖、焦炭、沸石、陶粒、人工草等填料考察其對(duì)再生水補(bǔ)水型水體凈化效果和物種的形成作用。結(jié)果表明：填充陶粒的反應(yīng)器再生水出水各指標(biāo)變化最為顯著，其氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽得到了較好地去除。火山巖、焦炭、沸石、陶粒和人工草5種填料附著細(xì)菌種屬差異較小；附著浮游植物大多以硅藻門(mén)為主。5種填料反應(yīng)器水體中的氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌數(shù)量明顯高于無(wú)填料反應(yīng)器，其中陶粒反應(yīng)器中數(shù)量最高，與水化學(xué)分析結(jié)果相吻合。陶粒對(duì)生境修復(fù)有著一定的促進(jìn)作用。

再生水 填料 物種形成 多樣性

北京城市河湖景觀用水極度緊缺，再生水成為河湖補(bǔ)給的主要水源[1]。但河湖水體流動(dòng)性和連通性差，水體自凈能力不足，以再生水為主要水源的補(bǔ)水水質(zhì)難以滿足良好水生態(tài)系統(tǒng)功能要求，穩(wěn)定、多樣的河湖水系生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和維持難度大。如何保障城市水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，是再生水補(bǔ)水型河湖面臨的主要問(wèn)題[2]。

生物接觸氧化法主要依靠天然河床、人工填充濾料等載體上附著的生物膜，在輔助曝氣或直接利用水中DO的條件下，通過(guò)吸附、降解及過(guò)濾作用去除河水中的污染物[3]。在河道微污染水的處理中，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用生物接觸氧化法開(kāi)展了大量的研究并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用[4-6]，生物接觸氧化法作為河道污水或微污染水的原位或旁路處理技術(shù)，在抗沖擊性、脫氮除磷等方面比傳統(tǒng)的河水處理法有明顯改善。生物接觸氧化填料的選擇決定了反應(yīng)器內(nèi)可供生物膜生長(zhǎng)的比表面積的大小和生物膜量的大小,在一定的水力負(fù)荷和曝氣強(qiáng)度下,又決定了反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)條件和氧的利用率，對(duì)工藝運(yùn)行效果影響很大[7]。近年來(lái)，研究人員就懸浮填料、無(wú)機(jī)礦物填料、彈性填料等開(kāi)展了相關(guān)研究[8-10]，但大部分研究主要關(guān)注COD、氨氮、TN、TP等指標(biāo)，對(duì)填料的物種形成特點(diǎn)研究不多。

本研究以北京順義新城生態(tài)調(diào)水中心的再生水為實(shí)驗(yàn)用水，考察火山巖、焦炭、沸石、陶粒、人工草5種填料對(duì)再生水補(bǔ)水型水體凈化效果，并對(duì)不同填料的物種形成開(kāi)展研究，考察各填料上附著的微生物種群多樣性和浮游植物多樣性，以求得到適用于典型補(bǔ)水型城市河湖的優(yōu)選生境恢復(fù)填料，為北京再生水補(bǔ)水型城市河湖的生境修復(fù)提供技術(shù)支撐。

表1 再生水主要水質(zhì)指標(biāo)

1 材料與方法

1.1 填料選擇

實(shí)驗(yàn)分別選取火山巖、焦炭、沸石、陶粒、人工草5種填料，其中火山巖直徑為2～3 cm，比表面積為13.60～25.50 m2/g；焦炭直徑為1～2 cm，比表面積為0.60～0.80 m2/g；沸石直徑為1～2 cm，比表面積為13.44～14.32 m2/g；陶粒直徑為2～3 cm，比表面積為6.45 m2/g；人工草比表面積為3 200 m2/m3。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)水源為北京順義新城生態(tài)調(diào)水中心處理后的再生水，該中心的水處理工藝為 A2/O—膜生物反應(yīng)器(MBR)。再生水主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在北京順義新城生態(tài)調(diào)水中心完成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。5種填料分別裝填在5個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器中，其中1#反應(yīng)器填充火山巖，2#反應(yīng)器填充焦炭，3#反應(yīng)器填充沸石，4#反應(yīng)器填充陶粒，5#反應(yīng)器填充人工草。每個(gè)反應(yīng)器容積為100 L，5種填料填充體積占40%，底部設(shè)置排水閥。實(shí)驗(yàn)分6組同時(shí)進(jìn)行，其中第6組為無(wú)填料反應(yīng)器。為模擬河道實(shí)際反應(yīng)條件，6組反應(yīng)器中均采用曝氣機(jī)(CFY-20)連續(xù)曝氣，并備有玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(LZB-2WB)計(jì)量曝氣量。反應(yīng)器內(nèi)DO濃度不應(yīng)過(guò)高，過(guò)高會(huì)破壞生物膜正常生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)造成反應(yīng)器能耗提高[11]，因此曝氣量控制為1.68 L/h。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始向6個(gè)反應(yīng)器分別泵入再生水，控制蠕動(dòng)泵(BT300J-1A)，停留時(shí)間為15 d。實(shí)驗(yàn)處理水量為0.28 L/h，容積負(fù)荷為0.05 g/(m3·d)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括COD、氨氮、TN、TP、硝酸鹽氮等。實(shí)驗(yàn)待填料生物膜成熟后開(kāi)始考察反應(yīng)器中物種的形成特點(diǎn)，物種的形成實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了28 d，在考察污染物去除的同時(shí)重點(diǎn)考察填料對(duì)再生水物種的形成作用。6組反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)條件相同，連續(xù)運(yùn)行，無(wú)外來(lái)碳源補(bǔ)充。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.4 分析方法

水化學(xué)指標(biāo)TN、TP、COD、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和磷酸鹽濃度測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[12]；物理性指標(biāo)，如水溫、DO和電導(dǎo)率采用YSI 便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定；氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌計(jì)數(shù)采用最大可能數(shù)(MPN)法[13-15]；水中細(xì)菌菌落總數(shù)測(cè)定采用稀釋平板法；微生物種群結(jié)構(gòu)多樣性分析采用高通量測(cè)序方法；浮游植物數(shù)量和群落采用鏡檢法進(jìn)行定性分析，采用濃縮計(jì)數(shù)法進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填料的污染物去除效果

實(shí)驗(yàn)期間，平均溫度為15.3 ℃，DO平均為4～6 mg/L，pH平均為7.5～8.1。5種填料及無(wú)填料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的再生水出水各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 再生水出水各項(xiàng)指標(biāo)分析結(jié)果

由表2可以看出，陶粒填料反應(yīng)器再生水出水的各項(xiàng)指標(biāo)變化最為顯著，與無(wú)填料反應(yīng)器對(duì)比，電導(dǎo)率、TN、TP、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和磷酸鹽都出現(xiàn)顯著降低，分別減少了85.12%、73.62%、20.00%、28.30%、75.24%、62.86%、75.00%，再生水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽得到了較好地去除。陶粒填料反應(yīng)器中，再生水COD變化相對(duì)略小，相對(duì)于無(wú)填料反應(yīng)器降低了18.34%。這因?yàn)樵偕锌缮锝到庥袡C(jī)物比例并不高，影響了有機(jī)物去除效率的進(jìn)一步提高[16]。

相比無(wú)填料反應(yīng)器，焦炭、沸石和人工草填料反應(yīng)器中再生水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度也明顯降低，說(shuō)明反應(yīng)器中填充吸附填料，一方面其形成的微生態(tài)環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)分解，另一方面可促進(jìn)水體中發(fā)生亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)。與含氮化合物變化特征不同，3種填料的TP和磷酸鹽濃度均比無(wú)填料反應(yīng)器高；火山巖填料反應(yīng)器中TN濃度相比無(wú)填料反應(yīng)器有一定程度降低，但氨氮、亞硝酸鹽氮濃度有一定程度升高。分析認(rèn)為，火山巖填料反應(yīng)器中有機(jī)氮含量較高，氨化反應(yīng)使得再生水氨氮濃度增加，一部分氨氮氧化為硝酸鹽氮的過(guò)程中產(chǎn)生亞硝酸鹽氮累積明顯，說(shuō)明反應(yīng)器中亞硝化反應(yīng)劇烈；反應(yīng)器中硝酸鹽氮濃度出現(xiàn)明顯降低，說(shuō)明再生水中反硝化反應(yīng)也較為活躍。與焦炭、沸石和人工草填料反應(yīng)器再生水出水相同，火山巖填料反應(yīng)器中的再生水出水TP濃度也比無(wú)填料反應(yīng)器顯著增加，反應(yīng)器中填料有部分被吸附的磷重新回到了再生水中，致使出水TP濃度升高。

2.2 不同填料附著的微生物物種形成特點(diǎn)

2.2.1 微生物種群結(jié)構(gòu)分析

反應(yīng)器中火山巖、焦炭、沸石、陶粒和人工草上附著的細(xì)菌群落種屬數(shù)量分別為709、777、583、568、659種，種類(lèi)數(shù)量分別為253、295、231、232、224種。針對(duì)每種填料，將數(shù)量所占比例為前5名的菌種名稱(chēng)列于表3。

由表3可知，火山巖附著細(xì)菌主要是芽孢桿菌屬、嗜甲基菌屬、硝化螺旋菌屬、乳酸菌屬和硫化細(xì)菌屬，其中芽孢桿菌屬所占比例為6.54%；焦炭上附著細(xì)菌主要是芽孢桿菌屬、乳酸菌屬、藍(lán)細(xì)菌屬、纖線桿菌屬、硝化螺旋菌屬，其中芽孢桿菌屬所占比例為14.12%；沸石上附著細(xì)菌主要是芽孢桿菌屬、乳酸菌屬、硝化螺旋菌屬、嗜甲基菌屬和纖線桿菌屬，其中芽孢桿菌屬所占比例為20.60%；陶粒上附著細(xì)菌主要是芽孢桿菌屬、嗜甲基菌屬、乳酸菌屬和藍(lán)細(xì)菌屬，芽孢桿菌屬所占比例為19.61%；人工草上附著細(xì)菌主要是嗜甲基菌屬、硫化細(xì)菌屬、腸桿菌屬、芽孢桿菌屬,其中嗜甲基菌屬所占比例為26.02%。

表3 5種填料附著細(xì)菌的主要種屬列表

表4 氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌和細(xì)菌總數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果1)

注：1)氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌計(jì)數(shù)結(jié)果為反應(yīng)器中各種填料上氮循環(huán)轉(zhuǎn)化細(xì)菌MPN的幾何均值。

5種填料上附著細(xì)菌種屬差異不大，分析認(rèn)為各填料上附著微生物主要來(lái)自再生水，再生水來(lái)源相同使得各反應(yīng)器中細(xì)菌種屬差異較小。經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)，人工草上附著細(xì)菌最多的為嗜甲基菌屬，而沸石、焦炭、火山巖和陶粒上附著最多的為芽孢桿菌屬。說(shuō)明填料顆粒的質(zhì)地、空隙結(jié)構(gòu)和微粒攜帶電荷等多種因素會(huì)對(duì)附著細(xì)菌有選擇性，形成不同種屬細(xì)菌的適宜生存環(huán)境。

2.2.2 氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌群分析

國(guó)外學(xué)者對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌分布開(kāi)展了一系列的研究[17-19]。氮循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程包括生物固氮、氨化、硝化、亞硝化、反硝化及同化等作用，其中生物固氮、氨化、硝化、亞硝化及反硝化作用是微生物的特有特征。附著在填料上的氨化細(xì)菌將水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮，同時(shí)反硝化細(xì)菌將無(wú)機(jī)氮(硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮)還原為氣態(tài)的一氧化二氮和氮?dú)猓⑨尫诺酱髿庵校@對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河湖的凈化有著特別的意義。5種填料反應(yīng)器和無(wú)填料反應(yīng)器中水體的氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌數(shù)量和細(xì)菌總數(shù)的測(cè)定結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，5種填料反應(yīng)器水體中氨化細(xì)菌數(shù)明顯高于無(wú)填料反應(yīng)器水體，尤其陶粒、火山巖填料反應(yīng)器最高；陶粒、人工草、沸石填料反應(yīng)器水體中硝化細(xì)菌略高于無(wú)填料反應(yīng)器水體；陶粒、火山巖填料反應(yīng)器水體中亞硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌明顯高于無(wú)填料反應(yīng)器水體。

當(dāng)氨化、硝化、亞硝化及反硝化細(xì)菌存在時(shí)，才能發(fā)生相應(yīng)的氮循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此氮循環(huán)轉(zhuǎn)化細(xì)菌的分布對(duì)氮循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程有重要影響。亞硝化細(xì)菌數(shù)量多有利于亞硝化反應(yīng)，從而促進(jìn)水中亞硝酸鹽氮累積；亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌聯(lián)合作用使得硝化反應(yīng)發(fā)生，促使硝酸鹽累積；反硝化細(xì)菌數(shù)量多促進(jìn)反硝化反應(yīng)，使得水中硝酸鹽氮還原生成氮?dú)猓瑥亩撾x反應(yīng)系統(tǒng)。

總體而言，5種填料反應(yīng)器水體中的氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌數(shù)量大多高于無(wú)填料反應(yīng)器水體，而其中陶粒填料反應(yīng)器中數(shù)量最高，對(duì)群落微生物形成和生境修復(fù)有著一定的促進(jìn)作用。陶粒填料反應(yīng)器由于氨化細(xì)菌較多，在環(huán)境條件較適宜(pH 7.9～8.7)時(shí)，氨化作用將有機(jī)氮還原為銨和氨，促進(jìn)了再生水中的氮以氣態(tài)氨的形式揮發(fā)。

2.3 不同填料上浮游植物多樣性分析

反應(yīng)器填料上附著的浮游植物包括藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)、硅藻門(mén)(Bacillariophyta)、綠藻門(mén)(Chlorophyra)3個(gè)門(mén)。藍(lán)藻門(mén)包括顫藻屬(Oscillatoria)；硅藻門(mén)包括小環(huán)藻屬(Cyclotella)、舟形藻屬(Navicula)、針桿藻屬(Synedra)、異極藻屬(GomphonemaAgardh)、橋彎藻屬(Cymbella)、直鏈藻屬(Melosira)、曲殼藻屬(Achnanthes)、脆桿藻屬(Fragilaria)；綠藻門(mén)包括盤(pán)星藻屬(Pediastrum)、柵藻屬(Scenedesmus)、小球藻屬(Chlorella)、弓形藻屬(Schroederia)。

5種填料上附著的不同門(mén)類(lèi)浮游植物數(shù)量如表5所示。不同填料上浮游植物優(yōu)勢(shì)種群類(lèi)別表現(xiàn)出一定差異，火山巖填料附著的浮游植物優(yōu)勢(shì)種群類(lèi)別為硅藻門(mén)的脆桿藻屬，沸石填料附著的浮游植物優(yōu)勢(shì)種群類(lèi)別為硅藻門(mén)的舟形藻屬和綠藻門(mén)的柵藻屬，陶粒、焦炭填料附著的浮游植物優(yōu)勢(shì)種群類(lèi)別為硅藻門(mén)的舟形藻屬，人工草填料附著的浮游植物優(yōu)勢(shì)種群類(lèi)別以綠藻門(mén)的柵藻屬和硅藻門(mén)的小環(huán)藻屬為主。不同填料附著的浮游植物優(yōu)勢(shì)種群類(lèi)別具有一定差異，但大多以硅藻門(mén)為主。

表5 不同填料附著各類(lèi)別浮游植物數(shù)量

3 結(jié)論與展望

與無(wú)填料反應(yīng)器相比，填充陶粒的反應(yīng)器再生水出水各指標(biāo)濃度變化最為顯著，其氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽得到了較好地去除。5種填料上附著細(xì)菌種屬差異較小，火山巖、焦炭、沸石和陶粒上附著比例最大的均為芽孢桿菌屬，而人工草附著細(xì)菌中嗜甲基菌屬所占比例最大；大多數(shù)反應(yīng)器中填料上附著浮游植物以硅藻門(mén)為主。5種填料反應(yīng)器水體中的氮循環(huán)轉(zhuǎn)化功能菌數(shù)量大多高于無(wú)填料反應(yīng)器水體，其中陶粒反應(yīng)器中數(shù)量最高，與水化學(xué)分析結(jié)果相吻合。陶粒對(duì)生境修復(fù)有著一定的促進(jìn)作用。但在實(shí)際水體應(yīng)用中，填料選擇還要綜合考慮水溫、水深、流速、不同的污染負(fù)荷等因素，因此后續(xù)研究應(yīng)充分考慮填料在再生水補(bǔ)水型水體中不同季節(jié)物種形成和生境修復(fù)特點(diǎn)，優(yōu)選布置填料以達(dá)到凈化污染水體水質(zhì)和修復(fù)受損水體生境的目的。

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Effectofdifferentfillersonthespeciesformationinthewaterbodiessupplementedbyreclaimedwater

GUYonggang1,2，JINPengkang1，LIZhaoxin2，HUANGBingbin2，LIUCao2.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’anShaanxi710055；2.BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute,BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，Beijing100048)

Restoration and maintenance of stable and diverse properties of river and lake eco-system is difficult. According to the eutrophication of Beijing urban river supplemented by reclaimed water,volcanic rocks,coke,zeolite,ceramsite and artificial grass were selected as fillers to investigate their purification effects and mechanism of species formation in water bodies supplemented by reclaimed water. Results indicated that the change of indexes from the effluent of the reactor filled with ceramsite was the most remarkable,and nutrients such as nitrogen and phosphorus were better reduced. Slight difference of attached bacteria species was observed on the surface of the five fillers such as volcanic rocks,coke,zeolite,ceramsite and artificial grass. Most of the phytoplankton species were dominated by diatoms. The amount of nitrogen cycling transformation functional bacteria from water bodies of five reactors were significantly higher than the reactor without fillers，wherein the amount of ceramsite reactors was the highest,which was consistent with the results of water chemistry analysis. Ceramsite showed promoting effect for habitat restoration.

reclaimed water； filler； species formation； diversity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.016

顧永鋼，男，1974年生，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事水體污染防治與生態(tài)修復(fù)方面的研究。#

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*北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.Z151100002115008)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng) (No.2014ZX07203-010)。

2016-12-09)