THE IMPACT OF DIFFERENT AMOUNT BIOSTIMULANTS SUPPLEMENT ON THE PERFORMANCE OF WATER PURIFICATION IN VERTICAL FLOW CONSTRUCTED WETLAND
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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
${\rm{NH}}_4^ + $ -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5 μL/L, 即每升进水中添加5 μL生物促生剂。Abstract: We studied the effects of different amount biostimulants supplement on the removal efficiency of nitrogen, phosphorus and COD in vertical flow constructed wetland. The mechanism was analyzed by determining the activities of substrate phosphatase and urease in the constructed wetland systems. The results showed that biostimulanta suppklement could improve nitrogen removal efficiency in the systems, and the removal rates of${\rm{NH}}_4^ + $ -N and TN reached up to 80%, increasing by 71.5% and 31.7% respectively when compared with the control group. The maximum removal rates of TP and COD reached up to 36.0% and 91.6%, increasing by 9.1% and 5.9%, respectively. Meanwhile, the biostimulants could improve the enzymatic activities of substrate phosphatase and urease in the system, and the biostimulants had a significant influence on substrate urease activity. Significant positive relationships were found between COD removal rate and the activities of substrate phosphatase and urease. The most suitable amount of biostimulant supplement used in this system is 5 μL/L, which means 5 μL biostimulants was supplied to 1 L influent. -
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。
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250 mm的PVC管制成, 管高920 mm, 填料高度为600 mm, 装置从下到上依次填入粒径为5—8 mm粗砾石100 mm高, 粒径为3—5 mm细砾石300 mm高以及粒径为1—2 mm石英砂200 mm高, 系统中种植已放入自来水中稳定半月的美人蕉(Canna flaccida), 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10 μL/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。
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图 1 垂直流人工湿地实验装置图Figure 1. Experimental device shcematic of a vertical flow constructed wetland1.2 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25 g、天冬氨酸3.6 g、色氨酸14.4 g、维生素H 1 g、 氯化钠0.5 g、6-苄基嘌呤0.45 g以及其他微量元素, 混合溶解于200 mL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
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1.4 主要监测指标及方法
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1.5 数据处理
所有数据均利用SPSS 22软件进行One-way ANOVA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Pearsons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。
表 1 各系统污染物平均去除率Table 1. Average removal rates of pollutants in different systems系统
System${\rm{NH}}_4^ + $ -N (%)
TN (%) TP (%) COD (%) CK 21.4±15.2a 62.1±11.1a 26.9±8.8a 85.7±6.8a B1 92.2±3.2b 92.2±2.2bc 30.8±10.7ab 89.6±4.7bc B5 92.9±4.3b 93.8±1.8b 36.0±13.6b 91.6±6.0c B10 91.8±3.4b 91.8±2.9c 27.2±11.4a 86.3±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(P<0.05)Note: Numbers in the table are in the form of average value ± standard deviation, and the value with different superscript letters in the same column are significantly different (P<0.05) according to LSD tests This page contains the following errors:
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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(P<0.01), B10系统与CK系统存在显著性差异(P<0.05); 而实验组间, 只有B5系统与B1系统间存在显著性差异(P<0.05), 其他系统间无显著性差异。
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图 3 各系统基质酶活性变化Figure 3. Variation of substrate enzymatic activities in different systems2.3 水质净化效果与基质酶活间的相关性
由表 2可知, 系统COD去除率与基质磷酸酶活性呈极显著正相关(P<0.01), 相关性系数达到0.602, 同时, COD去除率也与基质脲酶活性呈显著正相关(P<0.05)。但TP去除率与磷酸酶活性、TN去除率与脲酶活性均无显著相关性。
表 2 基质酶活与污染物去除率间的相关性Table 2. Correlations between substrate enzymatic activities and pollutant removal rates酶活
Enzymatic
activitiyTN去除率
TN removal
rateTP去除率
TP removal
rateCOD去除率
COD removal
rate磷酸酶活性
Phosphatase
activity— –0.02 0.602** 脲酶活性
Urease
activity0.178 — 0.393* 注: 表中数据表示每行的酶活性和每列的污染物去除率的相关系数, *P<0.05, **P<0.01Note: The values in the table are correlation coefficients between enzymatic activitiy in each row and pollutant removal rate in each column, *P<0.05, **P<0.01 3. 讨论
3.1 不同生物促生剂添加量对水质净化效果的影响
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人工湿地中有机物的去除主要是微生物的作用, 当污水通过人工湿地时, 不溶性有机物被基质以及湿地植物根系所截留, 然后被微生物利用分解; 可溶性有机物通过基质表面生物膜的吸附和微生物代谢而去除。植物的泌氧作用使得湿地系统中呈现出连续的好氧-缺氧-厌氧的区域, 有利于系统中微生物对有机物的降解[31]。在本研究中, 系统对COD的去除呈现出一个“上升-稳定”的过程(图 2d), 由于在实验阶段的前期, 湿地系统尚未稳定成熟, 系统中微生物对有机物降解能力有限; 随着湿地系统的运行, 连续的好氧-缺氧-厌氧的区域在系统中形成, 好氧菌、兼性菌以及厌氧菌对有机物降解更彻底。B1、B5系统对COD的去除率显著高于CK、B10系统。当生物促生剂添加量逐渐增大时, 系统对COD去除率逐渐增大, 当添加量为10 μL/L时, COD去除率反而降低, 是因为生物促生剂添加过多, 其中营养物质未被完全利用而成为出水中COD的部分来源, 此结果与TP的内容具有一致性, 对生物促生剂添加量的优选具有重要意义, 方一丰等[32]、李弦等[33]都进行了生物促生剂添加量的优选工作。另外, 江淦福等[15]将生物促生剂应用于接触氧化池, 对COD的去除率提高了20%以上。
3.2 不同生物促生剂添加量对基质酶活的影响
湿地系统中基质磷酸酶与有机磷的转化有关, 它能够使磷酸酯水解而释放出磷酸根, 磷酸酶活性与温度、溶解氧、底物浓度水平以及微生物活动有直接关系。由图 3a可知, 在整个实验周期内, 各系统基质磷酸酶活性随系统运行时间而逐渐增加, 随着系统的运行, 系统中微生物数量逐渐增加, 微生物分泌磷酸酶能力得到提高。实验组的基质磷酸酶活性高于对照组的基质磷酸酶活性, 其中生物促生剂添加量为5 μL/L的系统基质磷酸酶活性最高, 但各系统间无显著性差异, 说明生物促生剂的添加对人工湿地系统中基质磷酸酶活性作用不显著。这可能与湿地植物根系分泌物有一定的关系, 诸多研究已表明, 植物根系分泌物对人工湿地微生物群落结构有显著影响, 且不同湿地植物产生的影响也不尽相同[34—37]。可能由于本研究中人工湿地系统都种植了湿地植物美人蕉, 其根系分泌物导致各系统中能够分泌磷酸酶的微生物数量相差不大, 致使各系统磷酸酶活性无显著性差异。而生物促生剂对各系统基质磷酸酶活性不显著, 可能说明生物促生剂对人工湿地系统中能够分泌磷酸酶的微生物的作用弱于湿地植物根系分泌物对其的影响。还可能是由于配水中的磷主要来源于磷酸氢二钾, 有机磷含量非常低, 磷酸酶可以发挥的作用太小。
湿地系统中脲酶能够酶促有机质分子中肽键的水解, 脲酶活性可受到诸多因素的影响, 如温度, 溶解氧、微生物活动等。由图 3b可知, 所有系统基质脲酶活性在整个实验阶段呈现一个“升高-降低-升高”的过程, 但各系统变化幅度各不相同, 对照组变化不明显, 而实验组变化剧烈, 特别是B5系统, 其基质脲酶活性变化最大, 该系统运行第63天时基质脲酶活性出现剧烈增长, 可能是因为在持续的有机氮的输入条件下, 人工湿地系统中能够分泌脲酶的微生物数量在生物促生剂的作用下得到显著增加, 从而显著提高了系统基质脲酶活性。同时生物促生剂的添加量对基质脲酶活性有显著影响, B5、B10系统显著高于对照组(P<0.05), B1系统与对照组无显著性差异, 但该实验组仍高于对照组, 可能是因为生物促生剂添加量过少时, 其对系统内能够分泌脲酶的微生物作用能力有限, 当生物促生剂添加量逐渐增加时, 它的作用逐渐增强, 基质脲酶活性得到提高。生物促生剂对酶活的影响只报道于利用生物促生剂修复受污土壤的研究, Manuel Tejada进行了大量这类研究, 利用生物促生剂修复的土壤的脲酶活性比未利用生物促生剂的土壤提高了90%以上, 磷酸酶活性、脱氢酶也得到了相同的结果[12]。
3.3 水质净化效果与基质酶活间的相关性分析
对系统基质磷酸酶活性与TP去除率做相关性分析发现: 磷酸酶活性与TP去除率无显著相关性, 这可以说明磷酸酶并不是人工湿地去除磷的主要途径, 前文也已提到人工湿地基质的物理吸附作用是湿地系统中磷去除的主要途径, 这一结果与诸多研究相一致[38, 39]。另外, 由于实验配水主要采用磷酸氢二钾作为磷源, 其中的有机磷在TP比例中所占不大, 磷酸酶酶促磷酸酯水解释放正磷酸盐对污水中TP的去除作用不大, 使得基质磷酸酶活性与TP去除率无显著相关性。但在一些研究中, 二者存在相反的关系[5, 14], 磷酸酶活性与TP去除率间的相关性受到诸多因素的影响, 如温度、溶解氧水平、污水成分等, 若要探明二者关系还需更加深入的研究。
脲酶是一种酰胺酶, 能够酶促有机质分子中肽键的水解。在本实验中, 进水配方含有蛋白胨、牛肉膏和葡萄糖, 使得进水中含有部分有机氮, 可能因为这部分有机氮在TN含量中比例不高, 所以致使脲酶活性与TN去除率间无显著相关性, 在本研究中脲酶的作用并不是系统脱氮的主要途径而是硝化、反硝化作用。但脲酶活性与COD去除率间却存在显著正相关(P<0.05), 这可能是因为进水中有机氮的COD含量占进水COD含量比例较高。但是一些研究得出了相反的关系, 王林等[40]利用人工湿地处理养殖废水, 得出了脲酶活性与TN去除率具有显著相关性, 而与高锰酸盐指数不相关的结论。因此, 人工湿地基质脲酶活性与污染物去除率间的相关关系与进水成分有很大的关系, 与进水中有机氮含量以及基质中有机氮的分布有着直接的关系[41]。
4. 结论
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图 1 垂直流人工湿地实验装置图
Figure 1. Experimental device shcematic of a vertical flow constructed wetland
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图 3 各系统基质酶活性变化
Figure 3. Variation of substrate enzymatic activities in different systems
表 1 各系统污染物平均去除率
Table 1 Average removal rates of pollutants in different systems
系统
System${\rm{NH}}_4^ + $ -N (%)
TN (%) TP (%) COD (%) CK 21.4±15.2a 62.1±11.1a 26.9±8.8a 85.7±6.8a B1 92.2±3.2b 92.2±2.2bc 30.8±10.7ab 89.6±4.7bc B5 92.9±4.3b 93.8±1.8b 36.0±13.6b 91.6±6.0c B10 91.8±3.4b 91.8±2.9c 27.2±11.4a 86.3±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(P<0.05)Note: Numbers in the table are in the form of average value ± standard deviation, and the value with different superscript letters in the same column are significantly different (P<0.05) according to LSD tests 
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表 2 基质酶活与污染物去除率间的相关性
Table 2 Correlations between substrate enzymatic activities and pollutant removal rates
酶活
Enzymatic
activitiyTN去除率
TN removal
rateTP去除率
TP removal
rateCOD去除率
COD removal
rate磷酸酶活性
Phosphatase
activity— –0.02 0.602** 脲酶活性
Urease
activity0.178 — 0.393* 注: 表中数据表示每行的酶活性和每列的污染物去除率的相关系数, *P<0.05, **P<0.01Note: The values in the table are correlation coefficients between enzymatic activitiy in each row and pollutant removal rate in each column, *P<0.05, **P<0.01
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