凈化槽處理低污染水污染物的去除效果、途徑與根系微生物群落分析

黃健盛 吳杰 王鑫 唐倩 陳雙扣 鄭昊天 譚俊峰

為了探索低污染水的資源化處理途徑，本文開展了植物凈化槽和凈化槽處理低污染水的效果研究，并分析了植物凈化槽的污染物去除途徑及根系微生物群落. 結果表明，植物凈化槽對污染物的去除效果明顯高于凈化槽，經植物凈化槽處理后，低污染水的化學需氧量（COD）、氨氮（NH+4-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的濃度分別降至17、0、1.43和0.13 mg/L，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）III類標準. 植物凈化槽根系優勢微生物為Rhodocyclaceae、Comamonadaceae、Burkholderiales、Methylophilaceae、Cellvibrio、Zoogloea和Pseudomonas，其中Comamonadaceae和Methylophilaceae主要去除含氮物質，Rhodocyclaceae和Pseudomonas主要去除含磷物質. 植物、填料及土壤皆對污染物去除產生作用. 含氮化合物依靠沸石吸附、植物吸收和土壤蓄積在間隙水中去除；含磷物質主要依靠與土壤中金屬離子結合生成難溶物質或置換而除去，植物與微生物協同利用有機磷；COD的去除主要依靠植物及根系微生物.

低污染水； 植物凈化槽； 污染物； 微生物群落

X52A2023.015002

收稿日期： 2022-07-11

基金項目： 重慶市技術創新與應用示范專項重點研發項目（cstc2018jszx-zdyfxmX0001）; 生活垃圾資源化處理省部共建協同創新中心開放項目（shljzyh2021-09）

作者簡介： 黃健盛（1980-）， 男， 正高級工程師， 研究方向為污水處理與資源化利用技術. E-mail： 303982960@qq.com

Pollutants removal efficiency and path of low polluted water treated by purification tank and analysis of root microbial community

HUANG Jian-Sheng1， WU Jie2， WANG Xin2， TANG Qian1，

CHEN Shuang-Kou1， ZHENG Hao-Tian2， TAN Jun-Feng2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， China; 2. School of Mechanical and Power Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， China）

In order to explore the way of resourceful treatment of low polluted water， a study on the effect of plant purification tank and purification tank in treating low polluted water was carried out， the microbial community of the root system and pollutants removal path of plant purification tank were analyzed. The results showed that the pollutants′removal efficiency of plant purification tank? was significantly higher than that of purification tank， and the concentrations of chemical oxygen demand （COD）， ammonia nitrogen （NH+4-N）， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） in the low polluted water were reduced to 17 mg/L， 0 mg/L， 1.43 mg/L and 0.13 mg/L respectively after treating by the plant purification tank， which reached the surface water environmental quality standard （GB 3838-2002）. The dominant microorganisms in the root system of the plant purification tank were Rhodocyclaceae， Comamonadaceae， Burkholderiales， Methylophilaceae， Cellvibrio， Zoogloea and Pseudomonas. Among them， Comamonadaceae and Methylophilaceae mainly remove nitrogenous materials， and Rhodocyclaceae and Pseudomonas mainly remove phosphorus containing materials. Plants， fillers and soil all contribute to the removal of pollutants. Nitrogenous compounds are removed by zeolite adsorption， plant uptake and soil accumulation in the interstitial water; phosphorus-containing substances are removed mainly by combining with metal ions in the soil to form insoluble substances or by replacement， and plants and micro-organisms use organic phosphorus in synergy; COD is mainly removed by plants and root micro-organisms.

Low-polluted water; Plant purification tank; Pollutants; Microbial community

1 引 言

低污染水是指主要污染物濃度超過《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ類水質標準限值，但不高于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）二級排放標準限值的微污染河水、污水廠尾水及類似性質的水體［1］. 低污染水體量大，氮、磷濃度相對較高，易造成水體富營養化，對水體環境和人體健康構成潛在威脅［2， 3］. 但低污染水中的氮磷也是一種可利用資源，如何有效凈化低污染水并進行氮磷資源化利用成為亟需解決的問題. 常見的低污染水處理技術有人工濕地［4， 5］、膜處理技術、生物活性炭法和光催化氧化法等［6］. 人工濕地種植的植物為非經濟作物，植物吸收去除氮磷物質，氮磷未得到資源化利用. 膜處理技術對進水的水質要求高，且運行費用高昂，不適用于農村地區. 臭氧氧化技術需充入臭氧，這增加了設施運行的經濟成本. 光催化氧化雖然對有機物有良好去除效果，但催化劑的分離回收以及催化劑中毒依然是未解決的難題. 基于目前的技術現狀，本研究構建了一種以沸石、土壤為基質，可種植水芹等經濟作物的植物凈化槽，研究其凈化低污染水的效果，探索氮磷去除途徑及根系微生物群落情況.

2 材料與方法

2.1 實驗裝置

植物凈化槽裝置如圖1所示，由槽體、沸石填料層和土壤層組成. 植物凈化槽的有效容積為4 L，底層為3 cm厚沸石層，上層為12 cm厚土壤層，土壤層種植經濟作物. 低污染水從底部進入植物凈化槽，經沸石層、土壤層和植物作用后從凈化槽上部流出.

2.2 實驗材料

沸石購自河南匯智凈水材料有限公司，粒徑為3～5 mm，比表面積為500～1000 m2/g. 土壤為搗碎后篩選粒徑為1～3 mm的校園園林土；水芹購自山東泰安野菜種植基地，植株高度10 cm.

2.3 低污染水水質

低污染水采用人工配制，配制試劑主要有三水乙酸鈉、氯化銨、硝酸鉀和磷酸二氫鉀，在1 L配水中添加1 mL微量元素溶液，水質情況詳見表1，微量元素配置表如表2.

2.4 指標與分析方法

水質指標與分析方法：COD、NH+4-N、TN和TP分析測試分別采用重鉻酸鉀法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀紫外分光光度法和過硫酸鉀-鉬銻分光光度法.

微生物菌落分析：樣品采集預處理后送至上海美吉生物公司測定生物多樣性.

3 結果與分析

3.1 污染物去除效果分析

3.1.1 COD的去除 植物凈化槽中COD的去除主要依靠植物吸收、填料吸附以及微生物的分解作用. 圖2a和2b分別為種植水芹植物凈化槽（A系統）和無水芹凈化槽（B系統）對COD去除情況；0～25 d，A、B系統對COD的去除均呈現逐漸升高后緩慢下降的趨勢，原因可能是第0～8 d時，A、B系統對COD去除均主要依靠填料和土壤吸附作用去除，兩者去除效果差距較小；第8～25 d，隨著植物生長及微生物的聚集，A系統對COD的去除變為主要利用植物吸收及微生物分解作用，25 d時平均去除率為51.42%，出水COD平均濃度為31 mg/L；第25 d收割植物后，A系統COD的去除率明顯升高并趨于平緩，平均去除率為75.14%，平均出水濃度為17 mg/L，已達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類標準. 而25 d后，B系統中填料的吸附作用已達到飽和，平均COD出水濃度為45 mg/L，COD平均去除率為33.35%，COD去除效果趨于穩定. 對比分析可知，通過收割植物，能保證植物凈化槽系統高效去除污染物能力，且植物能通過再次生長吸收水體中碳元素，提高COD去除率［7， 8］.

3.1.2 TN的去除 植物凈化槽中氮去除主要依靠植物吸收、填料吸附及微生物硝化反硝化作用. 植物將光合作用吸收的氧氣輸送至根部，為附著在根部的硝化細菌提供能量，促進系統中TN的去除［9］. 圖3為A、B系統對氮的去除情況，其中圖3a和3b為A、B系統對NH+4-N去除情況.

對比分析可知，A系統對NH+4-N的去除效果明顯高于B系統，A系統運行至第3 d時NH+4-N去除率已達到100%，而B系統對NH+4-N平均去除率為73.63%；第0～15 d時，B系統主要依靠填料和土壤去除系統中的TN，隨著反應器運行;15 d后NH+4-N去除率波動幅度減小，可能是微生物在填料表面聚集形成了生物膜，對NH+4-N有去除作用.

圖3c和3d分別為A、B系統對TN去除情況，低污染水中的TN主要以NH+4-N、NO-3-N形式存在. 在實驗初期，A系統在填料吸附和植物吸收的雙重作用下，TN去除率逐漸升高，但隨著填料吸附達飽和及植物成熟后生長變緩，TN的去除率稍有下降，可知系統中還存在NO-3-N等其他形式的氮. B系統中，沒有植物的吸收作用，主要依靠沸石和土壤的吸附去除TN;第15 d后B系統對TN的去除效果有所下降，推測系統中填料和土壤吸附已飽和;第25 d時，A、B系統對TN平均去除率分別為78.33%和67.06%. 收割植物后，A系統中TN的去除率明顯提高，該階段在植物吸收和根系微生物的反硝化作用下系統中的NO-3-N被去除，TN平均去除率90.89%，TN平均出水濃度1.43 mg/L，已達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類標準；而B系統對TN的去除趨于平緩，平均出水濃度為5.30 mg/L，平均去除率為66.14%. A系統除氮能力優于B系統的原因在于，植物本身具有吸收氮素的能力；植物將外界氧氣運輸到根際，為根系泌氧創造了好氧生態位，促進硝化反硝化反應；植物根系能在一定程度上降低水體流速，改善沉降和過濾，為微生物創造更加穩定的生存環境［10］；在低碳氮比污水下，植物根系會分泌有機物，促進微生物作用［11］. 可見，植物吸收及根系微生物作用在植物凈化槽脫氮過程中起主導作用.

3.1.3 TP的去除 植物凈化槽中TP的去除可分為短期快速吸收和永久儲存，短期快速吸收依靠植物和微生物吸收無機磷，永久儲存依靠基質的沉淀、吸附作用［12-14］. 如圖4a和4b，未收割植物前，A、B系統對TP的平均去除率分別為79.45%和62.57%，A系統在植物、微生物、填料和土壤的共同作用下去除系統中的TP，其中土壤蓄積和植物吸收占主導地位，隨著土壤和植物吸收飽和，去除效果略有下降；25 d收割植物后，A系統中TP去除效果明顯提高，此時主要依靠植物與根系微生物去除TP，反硝化除磷菌將有機磷分解后被植物吸收去除，TP平均去除率為89.55%，TP平均出水濃度為0.13 mg/L，已達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類標準. B系統主要依靠土壤蓄積和沸石吸附作用除磷，隨著系統運行達到飽和，缺少了植物對TP的吸收，導致去除率呈現先上升后降低的趨勢. 由此可見，植物在植物凈化槽除磷中扮演重要角色，溶解性磷酸鹽被植物根系吸收并同化為植物的有機成分如ATP等［15， 16］，因此，植物的收割對植物凈化槽除磷至關重要.

3.2 植物根系微生物群落分析

微生物附著在根系表面且通過吸收植物根系提供的溶解氧而生存. 微生物對植物凈化槽中污染物降解具有重要作用，作為植物凈化槽重要的組成部分，直接影響系統對污染物的凈化效果［17］. 植物根系微生物指數及豐富度指數如表3所示，Chao、Shannon和Simpson等指數的大小與微生物群落豐富程度相關［18］. 測序的文庫覆蓋率占整個基因組的100%，能反應真實的測試結果.

3.2.1 門、綱水平 植物根系微生物在門水平下的結構如圖5所示，將微生物豐富度大于1%的菌門作為主要菌門. 在門水平上，優勢菌門依次為變形菌門（Proteobacteria）、粘球菌門（Myxococcota）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、厚壁菌門（Firmicutes）、脫硫桿菌門（Desulfobacterota）和螺旋菌門（Spirochaetota）.

其中，Proteobacteria為主要優勢菌種，占比81.22%，普遍存在于天然濕地中，對氮和有機物的去除起關鍵作用. 同時， Proteobacteria具有固氮作用， 且含有大量的轉運蛋白促進環境中總細菌群體的增加，有利于植物-微生物的協同脫氮［19， 20］. Bacteroidetes普遍存在于淡水環境，含有降解有機物的細菌，對促進含氮物質的利用等方面具有重要意義，是人工濕地中常見的菌門［21-23］. Nitrospirae中豐富的硝化細菌有利于NH+4-N的去除， Firmicutes的存在對反硝化有一定貢獻［24］. 如圖6，在綱水平上，γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）及α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）是主要優勢菌綱，分別占比67.87%和13.07%，有研究表明，Gammaproteobacteria及Alphaproteobacteria可去除低污染水體中的NO-3N-和NO-2-N，有效提高氮的去除率［25］.

3.2.2 屬水平 如圖7所示，在屬水平上，主要優勢菌種有紅環菌科（Rhodocyclaceae）、叢毛單胞菌科（Comamonadaceae）、伯克氏菌屬（Burkholderiales）、嗜甲基菌科（Methylophilaceae）、纖維弧菌屬（Cellvibrio）、動膠菌屬（Zoogloea）和假單胞菌屬（Pseudomonas），占比分別為15.24%、10.42%、7.67%、4.20%、3.96%、3.33%和3.14%. 其中，占比最多的Rhodocyclaceae屬于Proteobacteria，具有反硝化除磷的功能. Comamonadaceae具有反硝化功能［26， 27］. Burkholderiales是一類重要的植物促生菌，屬于Proteobacteria下的β-變形菌綱（β-Amastigotes），具有好氧、厭氧和兼氧特性，產堿菌科（Alcaligenaceae）就歸屬此類 ［28］. Methylophilaceae中含有大量反硝化細菌，與根系碳、氮循環有關［29，30］. Pseudomonas也屬于反硝化除磷菌，具有解磷作用，可以將周圍環境有機磷轉化為無機磷，使其被植物利用，促進植物的生長發育，在一定程度上強化了系統的除磷能力［31］.

3.3 植物凈化槽去除污染物途徑

植物凈化槽去除氮、磷及有機物的路徑如圖8所示. 含氮化合物以NH+4-N和NO-3-N等形式進入植物凈化槽后，被植物吸收用于生長，土壤對經過植物凈化槽的污染物進行截流，但帶負電荷的NO-3-N和NO-2-N無法被土壤吸附，只能存在土壤間隙水中，被植物和根系微生物吸收利用［32， 33］. 沸石具有獨特的四面體晶格結構，良好的離子交換和吸附性能，對帶正電荷的NH+4-N有強的吸附能力［34-36］，吸附后NH+4-N通過微生物作用除去. 附著在根部的硝化細菌Nitrospirae將NH+4-N轉化為NO-3-N、NO-2-N等去除，厭氧區反硝化細菌Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria可將NO-3-N和NO-2-N進一步氧化為N2和N2O等氣態氮化物而去除. 另外，Comamonadaceae和Methylophilaceae與氮的去除也有關系.

含磷化合物主要依靠土壤蓄積、沸石吸附. 無機磷通過擴散交換與土壤中Ca2+、Fe3+、AI3+等離子及水合物、氧化物結合生成難溶化合物，積聚生成新的土壤或置換土壤中的硅酸鹽而進入粘土顆粒的晶格中［37］. 除磷微生物以異養反硝化細菌Rhodocyclaceae為主，Pseudomonas與植物協同去除磷. 植物生長利用后收割去除，有研究表明，收割植物可提高基質酶活性，促進微生物加速分解有機物，將有機氮磷物質轉化為植物可利用的無機氮磷，轉化為植物的三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate， ATP）、脫氧核糖核酸（DNA）及核糖核酸（RNA）等［38， 39］.COD的去除有沸石吸附、植物吸收、土壤蓄積以及微生物的作用. 植物吸收氧氣通過根部運輸，促進附著在根部的好氧微生物Zoogloea、Bacteroidetes將有機物分解成CO2和H2O去除. 收割后的植物可作為生物質資源利用，何明熊等［40］發現人工濕地收割植物具有與玉米秸稈相近的熱值，可加工成固體燃料、采用厭氧發酵產生清潔能源甲烷或制取乙醇. 土壤中蓄積的有機物是影響土壤肥力的重要因素，植物凈化槽中富含營養物質的土壤亦可資源化利用，作為魚塘底泥，發揮經濟價值［41］. 此外，飽和吸附氨氮的沸石再生也不再是難題，張帥等［42］利用質量分數4%的NaOH，在25 °C條件下再生6 h，反復操作25次后，沸石吸附能力達到85.20%，具有較高應用價值.

4 結 論

本文通過研究有無種植水芹的凈化槽處理模擬低污染水的污染物去除效果以及根系微生物群落結構，得到的主要結論如下：

（1） A系統對污染物的去除明顯高于B系統，且收割水芹后A系統的凈化效果有顯著提升. A系統收割水芹后，凈化槽對COD、NH+4-N、TN、TP的平均去除率分別為75.14%、100%、90.89%和89.55%，平均出水濃度為17、0、1.43和0.13 mg/L，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類標準.

（2） 根系微生物群落組成表明，Proteobacteria為主要的優勢菌門，占比為81.22%，主要的優勢菌屬為Rhodocyclaceae、Comamonadaceae、Burkholderiales、Methylophilaceae、Cellvibrio、Zoogloea和Pseudomonas，植物凈化槽中存在大量反硝化細菌和反硝化除磷菌，提高系統氮和磷的去除效果.

（3） 植物凈化槽中微生物的去除由各部分協同作用. 含氮化合物主要以NH+4-N、NO-3-N等形式進入植物凈化槽，沸石對其有較強的吸附能力，根系微生物通過硝化或反硝化作用轉化為N2和N2O等氣態氮化物而將其去除. 含磷化合物主要與土壤中Ca2+、Fe3+和Al3+等離子反應或進入粘土顆粒的晶格中得以去除. COD在微生物與植物的共同作用下被植物利用.

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