不同填料对再生水补水型水体物种形成研究*

顾永钢 金鹏康 李兆欣 黄炳彬 刘 操

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2.北京市水科学技术研究院，流域水环境与生态技术北京市重点实验室，北京 100048)

不同填料对再生水补水型水体物种形成研究*

顾永钢1,2金鹏康1#李兆欣2黄炳彬2刘 操2

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2.北京市水科学技术研究院，流域水环境与生态技术北京市重点实验室，北京 100048)

稳定、多样的河湖水系生态系统恢复和维持难度大。针对北京典型再生水补水型河湖水体富营养化现象，选用火山岩、焦炭、沸石、陶粒、人工草等填料考察其对再生水补水型水体净化效果和物种的形成作用。结果表明：填充陶粒的反应器再生水出水各指标变化最为显著，其氮、磷等营养盐得到了较好地去除。火山岩、焦炭、沸石、陶粒和人工草5种填料附着细菌种属差异较小；附着浮游植物大多以硅藻门为主。5种填料反应器水体中的氮循环转化功能菌数量明显高于无填料反应器，其中陶粒反应器中数量最高，与水化学分析结果相吻合。陶粒对生境修复有着一定的促进作用。

再生水 填料 物种形成 多样性

北京城市河湖景观用水极度紧缺，再生水成为河湖补给的主要水源[1]。但河湖水体流动性和连通性差，水体自净能力不足，以再生水为主要水源的补水水质难以满足良好水生态系统功能要求，稳定、多样的河湖水系生态系统恢复和维持难度大。如何保障城市水环境质量持续改善，促进水生态系统稳定，是再生水补水型河湖面临的主要问题[2]。

生物接触氧化法主要依靠天然河床、人工填充滤料等载体上附着的生物膜，在辅助曝气或直接利用水中DO的条件下，通过吸附、降解及过滤作用去除河水中的污染物[3]。在河道微污染水的处理中，国内学者利用生物接触氧化法开展了大量的研究并进行了实际应用[4-6]，生物接触氧化法作为河道污水或微污染水的原位或旁路处理技术，在抗冲击性、脱氮除磷等方面比传统的河水处理法有明显改善。生物接触氧化填料的选择决定了反应器内可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的大小,在一定的水力负荷和曝气强度下,又决定了反应器内传质条件和氧的利用率，对工艺运行效果影响很大[7]。近年来，研究人员就悬浮填料、无机矿物填料、弹性填料等开展了相关研究[8-10]，但大部分研究主要关注COD、氨氮、TN、TP等指标，对填料的物种形成特点研究不多。

本研究以北京顺义新城生态调水中心的再生水为实验用水，考察火山岩、焦炭、沸石、陶粒、人工草5种填料对再生水补水型水体净化效果，并对不同填料的物种形成开展研究，考察各填料上附着的微生物种群多样性和浮游植物多样性，以求得到适用于典型补水型城市河湖的优选生境恢复填料，为北京再生水补水型城市河湖的生境修复提供技术支撑。

表1 再生水主要水质指标

1 材料与方法

1.1 填料选择

实验分别选取火山岩、焦炭、沸石、陶粒、人工草5种填料，其中火山岩直径为2～3 cm，比表面积为13.60～25.50 m2/g；焦炭直径为1～2 cm，比表面积为0.60～0.80 m2/g；沸石直径为1～2 cm，比表面积为13.44～14.32 m2/g；陶粒直径为2～3 cm，比表面积为6.45 m2/g；人工草比表面积为3 200 m2/m3。

1.2 实验用水

实验水源为北京顺义新城生态调水中心处理后的再生水，该中心的水处理工艺为 A2/O—膜生物反应器(MBR)。再生水主要水质指标见表1。

1.3 实验条件

实验在北京顺义新城生态调水中心完成，实验装置示意图见图1。5种填料分别装填在5个独立的反应器中，其中1#反应器填充火山岩，2#反应器填充焦炭，3#反应器填充沸石，4#反应器填充陶粒，5#反应器填充人工草。每个反应器容积为100 L，5种填料填充体积占40%，底部设置排水阀。实验分6组同时进行，其中第6组为无填料反应器。为模拟河道实际反应条件，6组反应器中均采用曝气机(CFY-20)连续曝气，并备有玻璃转子流量计(LZB-2WB)计量曝气量。反应器内DO浓度不应过高，过高会破坏生物膜正常生长，同时也会造成反应器能耗提高[11]，因此曝气量控制为1.68 L/h。实验开始向6个反应器分别泵入再生水，控制蠕动泵(BT300J-1A)，停留时间为15 d。实验处理水量为0.28 L/h，容积负荷为0.05 g/(m3·d)。监测指标包括COD、氨氮、TN、TP、硝酸盐氮等。实验待填料生物膜成熟后开始考察反应器中物种的形成特点，物种的形成实验共进行了28 d，在考察污染物去除的同时重点考察填料对再生水物种的形成作用。6组反应器实验条件相同，连续运行，无外来碳源补充。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.4 分析方法

水化学指标TN、TP、COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和磷酸盐浓度测定方法参照文献[12]；物理性指标，如水温、DO和电导率采用YSI 便携式多参数水质分析仪测定；氮循环转化功能菌计数采用最大可能数(MPN)法[13-15]；水中细菌菌落总数测定采用稀释平板法；微生物种群结构多样性分析采用高通量测序方法；浮游植物数量和群落采用镜检法进行定性分析，采用浓缩计数法进行定量分析。

2 结果与讨论

2.1 不同填料的污染物去除效果

实验期间，平均温度为15.3 ℃，DO平均为4～6 mg/L，pH平均为7.5～8.1。5种填料及无填料反应器对应的再生水出水各项指标测定结果如表2所示。

表2 再生水出水各项指标分析结果

由表2可以看出，陶粒填料反应器再生水出水的各项指标变化最为显著，与无填料反应器对比，电导率、TN、TP、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和磷酸盐都出现显著降低，分别减少了85.12%、73.62%、20.00%、28.30%、75.24%、62.86%、75.00%，再生水中氮、磷等营养盐得到了较好地去除。陶粒填料反应器中，再生水COD变化相对略小，相对于无填料反应器降低了18.34%。这因为再生水中可生物降解有机物比例并不高，影响了有机物去除效率的进一步提高[16]。

相比无填料反应器，焦炭、沸石和人工草填料反应器中再生水氨氮和亚硝酸盐氮浓度也明显降低，说明反应器中填充吸附填料，一方面其形成的微生态环境有利于有机质分解，另一方面可促进水体中发生亚硝化反应和硝化反应。与含氮化合物变化特征不同，3种填料的TP和磷酸盐浓度均比无填料反应器高；火山岩填料反应器中TN浓度相比无填料反应器有一定程度降低，但氨氮、亚硝酸盐氮浓度有一定程度升高。分析认为，火山岩填料反应器中有机氮含量较高，氨化反应使得再生水氨氮浓度增加，一部分氨氮氧化为硝酸盐氮的过程中产生亚硝酸盐氮累积明显，说明反应器中亚硝化反应剧烈；反应器中硝酸盐氮浓度出现明显降低，说明再生水中反硝化反应也较为活跃。与焦炭、沸石和人工草填料反应器再生水出水相同，火山岩填料反应器中的再生水出水TP浓度也比无填料反应器显著增加，反应器中填料有部分被吸附的磷重新回到了再生水中，致使出水TP浓度升高。

2.2 不同填料附着的微生物物种形成特点

2.2.1 微生物种群结构分析

反应器中火山岩、焦炭、沸石、陶粒和人工草上附着的细菌群落种属数量分别为709、777、583、568、659种，种类数量分别为253、295、231、232、224种。针对每种填料，将数量所占比例为前5名的菌种名称列于表3。

由表3可知，火山岩附着细菌主要是芽孢杆菌属、嗜甲基菌属、硝化螺旋菌属、乳酸菌属和硫化细菌属，其中芽孢杆菌属所占比例为6.54%；焦炭上附着细菌主要是芽孢杆菌属、乳酸菌属、蓝细菌属、纤线杆菌属、硝化螺旋菌属，其中芽孢杆菌属所占比例为14.12%；沸石上附着细菌主要是芽孢杆菌属、乳酸菌属、硝化螺旋菌属、嗜甲基菌属和纤线杆菌属，其中芽孢杆菌属所占比例为20.60%；陶粒上附着细菌主要是芽孢杆菌属、嗜甲基菌属、乳酸菌属和蓝细菌属，芽孢杆菌属所占比例为19.61%；人工草上附着细菌主要是嗜甲基菌属、硫化细菌属、肠杆菌属、芽孢杆菌属,其中嗜甲基菌属所占比例为26.02%。

表3 5种填料附着细菌的主要种属列表

表4 氮循环转化功能菌和细菌总数计数结果1)

注：1)氮循环转化功能菌计数结果为反应器中各种填料上氮循环转化细菌MPN的几何均值。

5种填料上附着细菌种属差异不大，分析认为各填料上附着微生物主要来自再生水，再生水来源相同使得各反应器中细菌种属差异较小。经比较后发现，人工草上附着细菌最多的为嗜甲基菌属，而沸石、焦炭、火山岩和陶粒上附着最多的为芽孢杆菌属。说明填料颗粒的质地、空隙结构和微粒携带电荷等多种因素会对附着细菌有选择性，形成不同种属细菌的适宜生存环境。

2.2.2 氮循环转化功能菌群分析

国外学者对河湖生态系统中氮循环转化功能菌分布开展了一系列的研究[17-19]。氮循环转化过程包括生物固氮、氨化、硝化、亚硝化、反硝化及同化等作用，其中生物固氮、氨化、硝化、亚硝化及反硝化作用是微生物的特有特征。附着在填料上的氨化细菌将水中的有机氮转化为无机氮，同时反硝化细菌将无机氮(硝酸盐氮及亚硝酸盐氮)还原为气态的一氧化二氮和氮气，并释放到大气中，这对富营养化河湖的净化有着特别的意义。5种填料反应器和无填料反应器中水体的氮循环转化功能菌数量和细菌总数的测定结果如表4所示。

由表4可以看出，5种填料反应器水体中氨化细菌数明显高于无填料反应器水体，尤其陶粒、火山岩填料反应器最高；陶粒、人工草、沸石填料反应器水体中硝化细菌略高于无填料反应器水体；陶粒、火山岩填料反应器水体中亚硝化细菌、反硝化细菌明显高于无填料反应器水体。

当氨化、硝化、亚硝化及反硝化细菌存在时，才能发生相应的氮循环转化过程，因此氮循环转化细菌的分布对氮循环转化过程有重要影响。亚硝化细菌数量多有利于亚硝化反应，从而促进水中亚硝酸盐氮累积；亚硝化细菌和硝化细菌联合作用使得硝化反应发生，促使硝酸盐累积；反硝化细菌数量多促进反硝化反应，使得水中硝酸盐氮还原生成氮气，从而脱离反应系统。

总体而言，5种填料反应器水体中的氮循环转化功能菌数量大多高于无填料反应器水体，而其中陶粒填料反应器中数量最高，对群落微生物形成和生境修复有着一定的促进作用。陶粒填料反应器由于氨化细菌较多，在环境条件较适宜(pH 7.9～8.7)时，氨化作用将有机氮还原为铵和氨，促进了再生水中的氮以气态氨的形式挥发。

2.3 不同填料上浮游植物多样性分析

反应器填料上附着的浮游植物包括蓝藻门(Cyanophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、绿藻门(Chlorophyra)3个门。蓝藻门包括颤藻属(Oscillatoria)；硅藻门包括小环藻属(Cyclotella)、舟形藻属(Navicula)、针杆藻属(Synedra)、异极藻属(GomphonemaAgardh)、桥弯藻属(Cymbella)、直链藻属(Melosira)、曲壳藻属(Achnanthes)、脆杆藻属(Fragilaria)；绿藻门包括盘星藻属(Pediastrum)、栅藻属(Scenedesmus)、小球藻属(Chlorella)、弓形藻属(Schroederia)。

5种填料上附着的不同门类浮游植物数量如表5所示。不同填料上浮游植物优势种群类别表现出一定差异，火山岩填料附着的浮游植物优势种群类别为硅藻门的脆杆藻属，沸石填料附着的浮游植物优势种群类别为硅藻门的舟形藻属和绿藻门的栅藻属，陶粒、焦炭填料附着的浮游植物优势种群类别为硅藻门的舟形藻属，人工草填料附着的浮游植物优势种群类别以绿藻门的栅藻属和硅藻门的小环藻属为主。不同填料附着的浮游植物优势种群类别具有一定差异，但大多以硅藻门为主。

表5 不同填料附着各类别浮游植物数量

3 结论与展望

与无填料反应器相比，填充陶粒的反应器再生水出水各指标浓度变化最为显著，其氮、磷等营养盐得到了较好地去除。5种填料上附着细菌种属差异较小，火山岩、焦炭、沸石和陶粒上附着比例最大的均为芽孢杆菌属，而人工草附着细菌中嗜甲基菌属所占比例最大；大多数反应器中填料上附着浮游植物以硅藻门为主。5种填料反应器水体中的氮循环转化功能菌数量大多高于无填料反应器水体，其中陶粒反应器中数量最高，与水化学分析结果相吻合。陶粒对生境修复有着一定的促进作用。但在实际水体应用中，填料选择还要综合考虑水温、水深、流速、不同的污染负荷等因素，因此后续研究应充分考虑填料在再生水补水型水体中不同季节物种形成和生境修复特点，优选布置填料以达到净化污染水体水质和修复受损水体生境的目的。

[1] 孟庆义，吴晓辉，赵立新，等．再生水回用于北京景观水体引起的水质变化及其改善措施[J].水资源保护，2011，27(1)：51-54．

[2] 申颖洁．再生水补给型河湖水体净化技术分析与适宜性评价[J].中国给水排水，2015，31(1)：6-10．

[3] SABATER S,GUASCH H,ROMANA,et al.The effect of biological factors on the efficiency of river biofilms in improving water quality[J].Hydrobiologia,2002,469(1/2/3):149-156.

[4] 肖羽堂，许建华．生物接触氧化法净化微污染原水的机理研究[J].环境科学，1999，20(3)：85-88．

[5] 牛天新，张永明，朱奇亮．利用生物膜去除城市河道水中氨氮的影响因素[J].上海师范大学学报(自然科学版)，2007，36(1)：102-106．

[6] 廖日红，王培京，许志兰，等．固定化微生物处理河流微污染水体实验研究[J].北京水务，2006(2)：11-14．

[7] 赵贤慧．生物接触氧化法及其研究进展[J].工业安全与环保，2010，36(9)：26-28．

[8] 施东文，陈健波，奚旦立，等．两种生物膜反应器对黄河微污染水处理[J].环境工程，2007，25(2)：18-20．

[9] 雷金勇，黄伟，黎圣，等．河道污染治理技术——生物接触氧化填料研究[J].矿产与地质，2006，20(2)：178-181．

[10] 李璐，温东辉，张辉，等．分段进水生物接触氧化工艺处理河道污水的试验研究[J].环境科学，2008，29(8)：2227-2234．

[11] 闫建文．生物接触氧化装置优化参数的除污效率和硝化菌群变化分析[J].水土保持学报，2013，27(5)：225-227,266．

[12] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法[M].4版．北京：中国环境科学出版社，2002．

[13] 中国科学院南京土壤研究所微生物室．土壤微生物研究法[M].北京：科学出版社，1985．

[14] MATULEWICH V A,STROM P F,FINSTEIN M S.Length of incubation for enumerating nitrifying bacteria present in various environments[J].Applied Microbiology,1975,29(2):265-268.

[15] 李阜棣，喻子牛，何绍江．农业微生物学实验技术[M].北京：中国农业出版社，1996．

[16] 陈汉辉，孙国胜．生物接触氧化法处理微污染源水的研究进展与应用[J].环境污染治理技术与设备，2000，1(3)：55-60．

[17] RHEINHEIMER G．Aquatic microbiology[M].3rd ed．New York：John Wiley & Sons，1985．

[18] REDDY K R,PATRICK W H,LINDAU C W.Nitrification-denitrification at the plant root-sediment interface inwetlands[J].Limnology and Oceanography,1989,34(6):1004-1013.

[19] CHRISTENSEN P B,SØRENSEN J.Temporal variation of denitrification activity in plant-covered,littoral sediment from Lake Hampen,Denmark[J].Applied and Environmental Microbiology,1986,51(6):1174-1179.

Effectofdifferentfillersonthespeciesformationinthewaterbodiessupplementedbyreclaimedwater

GUYonggang1,2，JINPengkang1，LIZhaoxin2，HUANGBingbin2，LIUCao2.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’anShaanxi710055；2.BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute,BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，Beijing100048)

Restoration and maintenance of stable and diverse properties of river and lake eco-system is difficult. According to the eutrophication of Beijing urban river supplemented by reclaimed water,volcanic rocks,coke,zeolite,ceramsite and artificial grass were selected as fillers to investigate their purification effects and mechanism of species formation in water bodies supplemented by reclaimed water. Results indicated that the change of indexes from the effluent of the reactor filled with ceramsite was the most remarkable,and nutrients such as nitrogen and phosphorus were better reduced. Slight difference of attached bacteria species was observed on the surface of the five fillers such as volcanic rocks,coke,zeolite,ceramsite and artificial grass. Most of the phytoplankton species were dominated by diatoms. The amount of nitrogen cycling transformation functional bacteria from water bodies of five reactors were significantly higher than the reactor without fillers，wherein the amount of ceramsite reactors was the highest,which was consistent with the results of water chemistry analysis. Ceramsite showed promoting effect for habitat restoration.

reclaimed water； filler； species formation； diversity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.016

顾永钢，男，1974年生，博士研究生，高级工程师，主要从事水体污染防治与生态修复方面的研究。#

。

*北京市科技计划项目(No.Z151100002115008)；国家水体污染控制与治理科技重大专项 (No.2014ZX07203-010)。

2016-12-09)