韓靜 許怡雯 何巖 黃民生

摘要：通過比較3種介體材料（生物炭、毛氈和無紡布）對(duì)城市河道總氮削減強(qiáng)化的效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過84 d的運(yùn)行，相比空白組，無紡布對(duì)總氮的削減強(qiáng)化效果最好，削減率可提升23.4%;其次是毛氈，削減率可提升13.9%;生物炭對(duì)總氮削減效果不佳.在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)探究了不同介體強(qiáng)化組中的微生物多樣性及結(jié)構(gòu)分布特征，表明與空白組相比，無紡布組可以顯著增加菌群多樣性和豐富度，而且與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的變形菌門豐度明顯高于毛氈組和生物炭組，特別是一些典型的反硝化菌屬Azospirillum、Thiobacillus和Azoarcus的豐度均顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組，而與反硝化菌存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的產(chǎn)甲烷菌屬Syntrophorhabdus低于空白和生物炭組;毛氈組的微生物菌群結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出與無紡布相似的趨勢(shì)，但其中的反硝化菌屬豐度均低于無紡布組;生物炭組微生物群落組成與空白組最為相似，推測(cè)無紡布介體材料具有較好的生物相容性，更有利于掛膜，從而促使反硝化菌屬的生長(zhǎng).綜合比較，無紡布介體材料更有利于對(duì)城市河道總氮的削減.

關(guān)鍵詞：介體材料;城市河道;總氮削減;微生物作用

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.012

0前言

河道黑臭是我國(guó)城市水環(huán)境污染的典型現(xiàn)象之一.隨著河道修復(fù)與治理工作的相繼開展，污染負(fù)荷得到大幅度削減，黑臭現(xiàn)象逐步得到消除，但氮營(yíng)養(yǎng)鹽累積問題卻凸顯且難以解決當(dāng)前黑臭河道治理過程中往往只關(guān)注氨氮的去除，側(cè)重于氨氮的硝化轉(zhuǎn)化卻忽視對(duì)總氮的去除導(dǎo)致總氮處于較高水平.如果不加以重視，將會(huì)引發(fā)從“黑臭”到“水華”新的環(huán)境問題.因此，如何有效的去除城市河道中的總氮是目前亟待解決的問題.

當(dāng)前，關(guān)于提高城市河道總氮去除率主要從硝化一反硝化耦合優(yōu)化曝氣方式硫、鐵元素耦合強(qiáng)化反硝化進(jìn)行總氮去除以及異位處理等方式實(shí)現(xiàn);也有一些人試圖探討新的氮去除途徑，如通過好氧反硝化強(qiáng)化氮營(yíng)養(yǎng)鹽去除：也有研究者采用新的緩釋碳源材料通過提高碳氮比（c/N）強(qiáng)化反硝化脫氮;一些學(xué)者通過使用新的介體材料如生物沸石、沸石復(fù)合菌劑等降低上覆水總氮濃度.本文嘗試使用生物炭、毛氈和無紡布等介體材料，利用其較大的比表面積，通過吸附截留和促使生物膜的生成來強(qiáng)化對(duì)總氮的去除，確定出優(yōu)化的介體覆蓋材料，以期為提高總氮去除率的問題提供參考.

1材料與方法

本實(shí)驗(yàn)以取自里店浦的底泥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用PVC柱狀反應(yīng)器作為實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)鋪設(shè)不同介體材料，在84 d運(yùn)行期間內(nèi)測(cè)試上覆水總氮濃度并計(jì)算削減率，運(yùn)行結(jié)束后采集介體材料上附著的生物膜進(jìn)行高通量測(cè)試，解析生物膜內(nèi)的細(xì)菌結(jié)構(gòu)及豐度的響應(yīng)變化.

1.1研究對(duì)象

本試驗(yàn)所需的河道底泥和上覆水均采集于上海市普陀區(qū)桃浦鎮(zhèn)里店浦，該河為上海市工業(yè)河的一條支流，河水的水動(dòng)力條件較差，采樣時(shí)已經(jīng)過疏浚治理，但仍然存在總氮含量超標(biāo)的問題.樣品取回實(shí)驗(yàn)室后，放在4°c冰箱里冷藏備用.底泥的基本理化性質(zhì)：含水率（62.1～3.2）%;TOC含量（18.5～2.3）g/kg.稻殼生物炭購(gòu)自于上海滿緣植材，粒徑為3-10 mm，超純水清洗后備用.毛氈購(gòu)自于宿遷市香軒花卉園藝公司，無紡布購(gòu)自于紅葉無紡布，材質(zhì)為丙綸粘纖，重量為200 g/m2.上覆水基本水質(zhì)指標(biāo)見表1，里店浦地理位置圖見圖1.

1.2試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的裝置為自制的PVC柱狀反應(yīng)器，內(nèi)徑15 cm，高度60cm.裝置內(nèi)盛放城市河道底泥，介體材料與上覆水，具體試驗(yàn)裝置見圖2所示.

將等量河道底泥放入不同柱子中，上面分別鋪設(shè)3種介體材料（生物炭、毛氈和無紡布），最后采用虹吸方法緩慢注入采集的河水.生物炭的鋪設(shè)厚度為1cm，毛氈和無紡布都鋪設(shè)一層，上面用碎石壓住防止浮起.為了獲得介體材料的覆蓋效果，再設(shè)一個(gè)不覆蓋任何材料的空白柱作為比較.每個(gè)柱子的底泥高為12.5 cm，上覆水高為37.5cm.試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，待穩(wěn)定后每周取樣測(cè)定上覆水總氮的含量，以分析評(píng)價(jià)不同介體材料對(duì)河道底泥總氮削減的效果.

1.3分析方法

上覆水總氮按標(biāo)準(zhǔn)方法采用紫外分光光度儀測(cè)定.pH值采用pH計(jì)測(cè)定，上覆水溶解氧采用便攜式溶解氧儀測(cè)定.

1.4高通量測(cè)序分析

各試驗(yàn)組經(jīng)過84 d運(yùn)行根據(jù)其穩(wěn)定時(shí)的理化指標(biāo)分析，選取試驗(yàn)組中介體材料上附著的生物膜進(jìn)行細(xì)菌通用引物的高通量測(cè)序分析，以解析生物膜中細(xì)菌豐度及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變化.所用引物見表2.所用的測(cè)序設(shè)備為Ⅲumina MiSeq2x300bp測(cè)序儀，其采用可逆性末端邊合成邊測(cè)序技術(shù);不同水平下的群落組成和結(jié)構(gòu)特征采用STAMP軟件（版本2.1.3）來分析組問差異，多樣性指數(shù)計(jì)算使用Mothur軟件（版本1.30.1）;計(jì)算各個(gè)樣品Shannon、Chaol、ACE和Simpson指數(shù).

2結(jié)果與討論

2.1不同介體對(duì)總氮去除性能研究

試驗(yàn)考察了所有試驗(yàn)柱上覆水總氮（TN）濃度隨試驗(yàn)天數(shù)的變化情況，其結(jié)果見圖3a.可以看出各試驗(yàn)組（除生物炭組）初期上覆水TN濃度均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，推斷認(rèn)為這是由于底泥所釋放的大量氨氮來不及進(jìn)行硝化一反硝化轉(zhuǎn)化引起的，到28 d降低到較低水平隨后又逐漸升高，推測(cè)可能是由于吸附在介體材料上的氨氮釋放所引起的.到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)裝置經(jīng)過84d的運(yùn)行，無任何介體材料的空白組TN濃度為3.58mg/L，以毛氈作為介體覆蓋材料的試驗(yàn)組TN濃度為3.08 mg/L，生物炭試驗(yàn)組的TN濃度為4.29mg/L，無紡布試驗(yàn)組的TN濃度為2.74 mg/L.所有試驗(yàn)柱上覆水總氮的穩(wěn)定值與去除率如圖3（b）所示.由圖可以看出，與實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)上覆水總氮都得到了一定程度的削減，其中無紡布對(duì)總氮削減效果最為明顯，毛氈對(duì)總氮去除也有一定效果，但與空白組差異不明顯.與空白組相比，毛氈作為介體覆蓋材料對(duì)上覆水TN削減率最高提升13.9%，生物炭對(duì)TN削減率降低19.8%，無紡布對(duì)上覆水TN削減率最高提升23.4%.這說明無紡布、毛氈作為介體材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)總氮的削減，其中無紡布的效果大于毛氈，可能的原因一方面是無紡布和毛氈表面形成了生物膜，其中附著的微生物的活動(dòng)對(duì)總氮削減起到一定效果，另一方面無紡布和毛氈本身對(duì)總氮產(chǎn)生吸附作用，但無紡布吸附效果相對(duì)更好.生物炭則對(duì)總氮削減效果不佳，其原因可能是在實(shí)驗(yàn)過程中生物炭釋放了本身含有的氮[13].