人工湿地黑臭水体处理系统微生物脱氮机理研究

第34卷第2期水生生物学报Vol.34,No.22010年3月ACTAHYDROBIOLOGICASINICAMar.,2010收稿日期:2008-08-26;修订日期:2009-04-12基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601010);国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412300,2003CB716801);中国科学院知识创新工程项目(KZCX1-SW-12,KSCX2-1-10);信阳师范学院青年科研基金项目(20060206)资助作者简介:张列宇(1982—),男,汉族,内蒙古赤峰人；博士研究生；主要研究方向为环境生物技术及环境生态工程。E-mail:zhanglieyu@163.com通讯作者:刘永定,E-mail:liuyd@ihb.ac.cnDOI:10.3724/SP.J.1035.2010.00256人工湿地黑臭水体处理系统微生物脱氮机理研究张列宇1,3饶本强1,2,3熊瑛4刘浩1刘永定1沈银武1(1.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;2.信阳师范学院生命科学学院,信阳464000;3.中国科学院研究生院,北京100049;4.AECOM易道公司100010)摘要:以上海市老段浦I、II和北夏3座水平潜流人工湿地黑臭河道处理系统为研究对象,进行了水平潜流湿地处理黑臭河道氨氮的转化及脱氮机理的研究。研究表明,3座人工湿地的pH值均呈弱碱性,且沿湿地水流方向变化较小。溶解氧值在0.09—0.35mg/L范围内波动,氨氮沿湿地的流向呈递减的趋势,亚硝态氮及硝态氮浓度较低。在老段浦人工湿地的同一土样中,亚硝化细菌的数量远大于硝化细菌的数量,北夏人工湿地中,湿地前端的亚硝化细菌与硝化细菌的数量近似相等,但在湿地末端亚硝化细菌数量要远小于硝化细菌的数量。原位曝气抑制反硝化反应试验研究表明,3座人工湿地都发生了“新”的脱氮途径-短程硝化-反硝化反应,其中两座老段浦人工湿地50%的氮以短程硝化-反硝化反应去除。北夏人工湿地中约20%的氮以短程硝化反硝化的途径去除。关键词:人工湿地;黑臭河道;短程硝化;硝化作用;反硝化作用中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1000-3207(2010)02-0256-06人工湿地是人工建造的,可控制的和工程化的湿地系统,其设计和建造是通过湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理的[1]。人工湿地具有出水水质好、脱氮除磷能力强、建设成本及运行成本低和运行管理方便等特点。近些年来人工湿地获得了迅速的发展和应用。自Knight于1950年,采用人工湿地处理废水以来,人工湿地已经成功应用于生活污水、矿山废水、养殖废水、垃圾渗滤液、暴雨径流、微污染水体及富营养化水体水质的净化[2]。人工湿地对有机物具有较高的去除效率,但对营养物质,特别是氮的去除效果较差。对欧洲268座人工湿地调查发现,NH3-N的平均去除率仅为30%,TN的平均去除率为39.6%[3]。尽管有许多关于人工湿地的研究,但对人工湿地的脱氮机理不清楚,因而造成了湿地设计的困难。为了满足出水指标,多数人工湿地设计面积偏大[4]。通常认为,人工湿地中微生物的脱氮机理主要包括微生物对氮的同化吸收和氨化-亚硝化-硝化-反硝化过程,其中氨化-亚硝化-硝化-反硝化是湿地中脱氮的最主要途径,即:氨化菌将有机氮转化为氨态氮,随后在亚硝化菌转化为亚硝态氮,而后在硝化细菌的参与下被氧化为硝态氮,在根区兼性厌氧区及厌氧区,硝态氮在反硝化细菌的作用下,被还原为N2O或N2。近期一些学者在人工湿地发现的一些现象很难用经典的氨化-亚硝化-硝化-反硝化的理论解释。Kuschk在研究氮年去除变化规律时发现,在夏季时,硝化速率有一段较短的下降期,但是氮的去除率却维持较高的水平[5]。刘超翔等用摇瓶法测定潜流式人工湿地污水处理系统硝化能力中发现了亚硝酸根的大量积累[6]。SunGZ,etal.在人工湿地垃圾渗滤液模拟处理系统的研究中,通过物质守恒推测氮去除途径为CANON(CompletelyAutotrophicNitro-2期张列宇等:人工湿地黑臭水体处理系统微生物脱氮机理研究257gen-removalOverNitrite)[7]。除了经典的氮的去除途径,好氧反硝化、异养硝化、厌氧氨氧化和短程硝化-反硝化反应也是自然或人工水系统中存在的氮的重要转化去除途径[7,8]。由于人工湿地的脱氮机理尚不清楚,特别是人工湿地处理黑臭河道污水的脱氮机理研究较少,因此本试验以上海市3座水平潜流湿地黑臭河道水体处理系统为对象,系统地研究了水平潜流湿地处理黑臭河道水体的微生物脱氮的机理。1材料与方法1.1人工湿地系统3座水平潜流式人工湿地用于处理两条位于上海宝山