1 引言
人工濕地作為一種低投資、低能耗、低處理成本和具有較好氮磷去除功能的廢水生態(tài)處理技術(shù)已逐漸被世界各國所接受.它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物之間的相互作用，通過一系列物理的、化學(xué)的以及生物的途徑凈化污水.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對人工濕地在污水處理方面的工程應(yīng)用和凈化機(jī)理等作了大量的研究; 在濕地系統(tǒng)的構(gòu)造、配水及組合類型方面也做了深入的探索.由于其具有良好的污染物去除效果和廣泛的適用性，已經(jīng)引起世界各國研究者的重視.
微生物作為人工濕地除污的主體和核心，在物質(zhì)的礦化、硝化、反硝化等過程中起到關(guān)鍵作用.低溫微生物是極端微生物之一，它們有著獨(dú)特的生理功能適應(yīng)環(huán)境，所以研究這類微生物不僅具有重要的理論意義，還在實(shí)際推廣應(yīng)用中產(chǎn)生了日益明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.關(guān)于低溫菌，目前國內(nèi)科學(xué)家的研究主要是集中在低溫菌的分離、篩選和鑒定，對其在水處理方面的應(yīng)用也局限于實(shí)驗(yàn)室溫控條件下對模擬廢水的處理研究，針對低溫微生物在人工濕地中的污水處理方面研究極少.本實(shí)驗(yàn)研究了低溫菌Pseudomonas flava WD-3在不同接種量和水力停留時間時對冬季人工濕地的污水凈化效果，并采用Monod 模型對處理效果進(jìn)行模擬，對擴(kuò)展微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用以及強(qiáng)化處理低溫廢水提供新的方法.
2 材料與方法
2.1 菌種來源
菌株P(guān)seudomonas flava WD-3 是冬季從南四湖人工濕地的底泥中培養(yǎng)、分離、篩選出來，經(jīng)鑒定為黃假單胞菌(Pseudomonas flava)，命名為Pseudomonas flava WD-3，基因登陸號為JX114950.
2.2 復(fù)合垂直流人工濕地
實(shí)驗(yàn)人工濕地采用復(fù)合垂直流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底部相通，污水由下行池表面均勻投配，垂直下行，經(jīng)連通層到達(dá)上行池，再垂直上行，通過收集管排出.其中下行流池長150 cm，寬100 cm，深65 cm，上行流池長120 cm，寬100 cm，深55 cm，卵石層深20 cm; 投配負(fù)荷：2～20 cm · d-1;有機(jī)負(fù)荷：15～20 kg · hm-1 · h-1. 濕地基質(zhì)選用了不同粒徑的礫石和砂土特別組配而成，濕地結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其中圖中箭頭表示污水流動方向.
圖 1 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
系統(tǒng)所選植物為美人蕉(Canna generalis)和菖蒲(Acorus calamus)，在2012年4月份種植于人工濕地反應(yīng)器中，種植密度為8株 · m-2，濕地植物生長狀況良好，已完全遮蓋基質(zhì)表面，根系發(fā)達(dá)，至實(shí)驗(yàn)時為止，該系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行半年時間.系統(tǒng)進(jìn)水參數(shù)見表 1.
表 1 人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水參數(shù)
2.3 接種量對Pseudomonas flava WD-3在人工濕地中的廢水處理效果的影響
人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行半年后，于2012年12月初(水溫的變化范圍為4～8 ℃.)開始投入低溫菌Pseudomonas flava WD-3，接種量V(菌液)/V(污水)為1.5%～10%，菌懸液的濃度為4.575×108個 · mL-1，水力停留時間為10 d，以未接菌的人工濕地為對照組.連續(xù)3個月內(nèi)追蹤測定COD、NH3-N和TP的變化情況.
2.4 水力停留時間對Pseudomonas flava WD-3在人工濕地中的廢水處理效果的影響
通過2.3節(jié)中的實(shí)驗(yàn)，選擇最佳的投菌量作為試驗(yàn)投菌量，設(shè)置不同的水力停留時間(1~10 d)，以未接菌的人工濕地為對照組.連續(xù)3個月內(nèi)追蹤測定COD、NH3-N和TP的變化情況.
2.5 Monod 動力學(xué)模型
采用簡化的Monod 動力學(xué)模型對Pseudomonas flava WD-3在復(fù)合垂直流人工濕地中對污染物的去除研究進(jìn)行模擬，模型假設(shè)目標(biāo)污染物的降解服從 Monod 動力學(xué)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)為連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)，該濕地系統(tǒng)的 Monod 動力學(xué)方程表達(dá)為：
式中，K為最大面積去除率常數(shù)(g · m-2 · d-1)，q 為水力負(fù)荷率(m · d-1)，Cin為入流污染物濃度(mg · L-1)，Cout為出水濃度(mg · L-1)，Chalf為限制因素半飽和常數(shù)(mg · L-1)
2.6 水質(zhì)指標(biāo)的測定
氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法，亞硝酸鹽氮的測定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，硝酸鹽氮的測定采用酚二磺酸分光光度法，總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法，CODCr的測定采用重鉻酸鉀氧化法，各指標(biāo)測定的具體操作步驟詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法，第4版》.采用SPSS19和Origin8.6對測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及繪圖.
3 結(jié)果與分析
3.1 不同接種量情況下的污水處理效果
連續(xù)3個月內(nèi)，水溫為4～8 ℃時，不同接種量對復(fù)合垂直流濕地中污水的COD、NH3-N和TP去除效果如圖 2所示.
圖 2 不同投菌量時進(jìn)出水中NH3-N，COD和TP 濃度變化情況
結(jié)果表明，Pseudomonas flava WD-3在冬季人工濕地中表現(xiàn)出很好的污水處理效果，隨著投菌量(1.5%～10.0%)的增加，濕地系統(tǒng)污水中的COD、NH3-N和TP的去除效率也隨之增大.當(dāng)投菌量由1.5%增至6.0%時，濕地系統(tǒng)各項(xiàng)污水指標(biāo)的去除效果增幅明顯，但是從6.0%至10.0%時，雖然各項(xiàng)污水指標(biāo)去除效果最好，但處理效果增幅并不明顯，而且菌投入過大，從運(yùn)行成本方面考慮宜選用6.0%為最佳菌液投加量.當(dāng)實(shí)驗(yàn)菌液投加量為6.0%，Pseudomonas flava WD-3對污水COD、NH3-N和TP的去除率分別介于：85.82%~87.00%、73.91%~84.18%和82.04%~85.38%，且平均去除效率分別為未投加該菌的1.49、1.46、1.76倍.該濕地系統(tǒng)不論是對有機(jī)物還是對氮磷方面的污染物的去除效率都有較大幅度提高，說明復(fù)合流垂直流濕地系統(tǒng)綜合了垂直流與表面流的雙重優(yōu)點(diǎn)(梁康等，2014);另外對投菌量與各項(xiàng)污水指標(biāo)的凈化效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，Pseudomonas flava WD-3的投加量與污水COD、NH3-N和TP的去除率均達(dá)到顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.9613* *，0.9581* *，0.9751* *，* *p<0.01.
3.2 不同水力停留時間下的污水處理效果
連續(xù)3個月內(nèi)，水溫為4～8 ℃時，不同水力停留時間對復(fù)合垂直流濕地中污水的COD、NH3-N和TP去除效果如圖 3所示.
圖 3 不同水力停留時間時進(jìn)出水中NH3-N，COD和TP 濃度變化情況
由圖 3可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)投菌量為最佳投加量6%時，隨著水力停留時間的延長(1~10 d)，Pseudomonas flava WD-3對濕地系統(tǒng)污水中的COD、NH3-N和TP的去除效率也隨之增大.當(dāng)水力停留時間由1 d延長至7 d時，濕地系統(tǒng)各項(xiàng)污水指標(biāo)的去除效果增幅明顯;但當(dāng)水力停留時間延長至10 d時，污水凈化效果雖然最好，但各項(xiàng)污水指標(biāo)的處理效率增幅并不明顯，而且水力停留時間過長，從運(yùn)行成本方面考慮宜選用7 d為最佳水力停留時間.當(dāng)水力停留時間為7 d時，Pseudomonas flava WD-3對污水COD、NH3-N和TP的去除率分別介于：79.67%~81.96%、78.51%~83.46%和74.71%~81.49%.對水力停留時間與各項(xiàng)污水指標(biāo)的凈化效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，不同的水力停留時間與污水COD、NH3-N和TP的去除率均達(dá)到顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.9725* *，0.9812* *，0.9697* *，* *p<0.01.
3.3 模型模擬及驗(yàn)證
采用上述簡化的 Monod動力學(xué)模型對Pseudomonas flava WD-3在冬季人工濕地中污水處理進(jìn)行模擬，模型中的參數(shù)Chalf對于COD為 20 mg · L-1(Vaccari et al.， 2006)，對于NH3-N為 1.0 mg · L-1(Henze et al. 1987)，對于TP為 0.2 mg · L-1(Henze et al. 1995).引入3個參數(shù)估計(jì)模型的優(yōu)劣.
判定系數(shù)：
相對均方根誤差：
模型效率：
式中，Xi，Yi 分別為不同投菌量時不同時間點(diǎn)進(jìn)出水中污染物的濃度;
，
分別為不同投菌量時進(jìn)出水中各污染物的均值;
為預(yù)測值.
圖 4~7表示簡化的Monod模型中f(Cin，Cout，q)與Cout的關(guān)系.回歸擬合線的斜率即為污染物最大去除率(K，g · m-2 · d-1)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)R2，RRMSE和ME用來表示各污染物檢測值與模型預(yù)測值之間的偏差，虛線為95%置信帶，包含了真實(shí)回歸擬合線.由結(jié)果可知，復(fù)合垂直流濕地中Pseudomonas flava WD-3對污水中COD、NH3-N和TP去除的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)觀測值吻合程度較好，表明簡化的Monod模型預(yù)測較為準(zhǔn)確.
圖 4 1.5%投菌量時濕地進(jìn)出口有機(jī)物、N和磷監(jiān)測值的Monod & CSTR動力學(xué)模型回歸分析
圖 5 3.0%投菌量時濕地進(jìn)出口有機(jī)物、N和磷監(jiān)測值的Monod & CSTR動力學(xué)模型回歸分析
圖 6 6.0%投菌量時濕地進(jìn)出口有機(jī)物、N和磷監(jiān)測值的Monod & CSTR動力學(xué)模型回歸分析
圖 7 10.0%投菌量時濕地進(jìn)出口有機(jī)物、N和磷監(jiān)測值的Monod & CSTR動力學(xué)模型回歸分析
3.4 投菌量與去除率的相關(guān)性
Pseudomonas flava WD-3的投加量與其對污水中COD、NH3-N和TP去除率的關(guān)系見圖 8，隨著投菌量的增加，其去除率相應(yīng)增加，這與已有的研究結(jié)論相一致.投菌量與去除率之間的正相關(guān)關(guān)系與傳統(tǒng)的Monod動力學(xué)假設(shè)也一致，即在較高的有機(jī)底物條件下，有機(jī)底物的降解速率與自身的濃度無關(guān)，呈零級反應(yīng)關(guān)系，但與污泥濃度(微生物量)有關(guān)，并呈一級反應(yīng)關(guān)系.
圖 8 投菌量與污染物的去除率的關(guān)系
3.5 水力停留時間與去除率的相關(guān)性
將低溫菌種Pseudomonas flava WD-3投加到人工濕地中后，在不同的時間點(diǎn)對污水中COD、NH3-N和TP濃度進(jìn)行檢測，即水力停留時間與污染物去除率的關(guān)系如圖 9所示.由圖可知，隨著水力停留時間的延長，其去除率相應(yīng)增加，正相關(guān)關(guān)系達(dá)到0.87以上.即在同等投菌量的情況下，該菌對廢水處理的時間越長，處理效果越好.并且，水力停留時間小于7 d時，污染物的去除效率增加迅速，7 d之后，去除效率的增加相對緩慢，這和細(xì)菌在有限的生存環(huán)境內(nèi)的生長曲線相對應(yīng)，開始生長速度較快，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的減少生長速度逐漸減慢.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 9 水力停留時間與污染物的去除率的關(guān)系
4 結(jié)論
1)冬季Pseudomonas flava WD-3在復(fù)合垂直流人工濕地中對廢水具有較好的處理能力，簡化的Monod模型對該低溫菌在冬季人工濕地中污染物去除的預(yù)測較為準(zhǔn)確.
2)在較高的有機(jī)負(fù)荷條件下，Pseudomonas flava WD-3的投加量與去除率呈正相關(guān)的一級反應(yīng)關(guān)系，最佳實(shí)驗(yàn)投菌量為6%.
3)實(shí)驗(yàn)投菌量為最佳投加量6%時，最佳水力停留時間為7 d，且水力停留時間與去除率呈正相關(guān)的一級反應(yīng)關(guān)系.