（环境科学专业论文）不同进水方式对人工快渗系统脱氮效率的影响.pdf

池相同层之间的种群相似度较高( 6 4 9 6 6 6 ) ，表明填料对c r i 系统细菌多 样性没有明显影响。采用分段进水方式在一定程度上有利于提高c r i 系统底部 微生物的多样性。 关键词：人工快速渗滤系统，进水方式，脱氮，溶氧，微生物群落结构 a b s t r a c t c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m ( c r is y s t e m ) i san e ws e w a g et r e a t m e n t t e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lr a p i di n f i l t r a t i o n ( g i ) a sa d o p t i n gb e t t e r a r t i f i c i a li n f i l t r a t i o nm e d i a r e p l a c i n g t h en a t u r a l s o i l ，i tc o u l de f f e c t i v e l y d e c o n t a m i n a t ew a s t e w a t e rt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ed o s eo fs e w a g e t h o u g ht h e d e v e l o p m e n th i s t o r yo fc r is y s t e mi no u rc o u n t r yi ss h o r t ，t h i ss y s t e mh a so b v i o u s a d v a n t a g e si nt r e a t i n gr u r a ls e w a g eb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lf l o o ra l e a ， h i g hh y d r a u l i cl o a d i n g , f l e x i b l ed e s i g na n dl o wo p e r a t i n gc o s t a san e wt e c h n o l o g y , l i t t l ei n f o r m a t i o ni sa v a i l a b l ea b o u tt h ee f f e c t so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n do p e r a t i n g p a r a m e t e r so nt h et r e a t m e n te f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，t h er e m o v a lm e c h a n i s m so f p o l l u t a n t sa r ca l s oi n s u f f i c i e n ti nc r is y s t e m ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c ti t se n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t o w a r d st h e s ep r o b l e m s ，t h ee f f e c t so ff e e dm o d e so nt h er e m o v a l e f f i c i e n c i e so fn i t r o g e ni nc r is y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，t h em i c r o b i a l c o m m u n i t yi nc r lw i t hs t e p - f e e dm o d eb yp c r - d g g ea l s ow a si n v e s t i g a t e d t h e m a i nr e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： s y s t e m3 ( s t e e ls l a 曲a n ds y s t e m5 ( z e o l i t e ) w e r eo p e r a t e dw i t hs t e p f e e dm o d e t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fa m m o n i an i t r o g e ni n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gs t e pf e e d r a t i o sf r o m1 ：1t o3 ：1 w h e nt h es t e pf e e dr a t i ow a s2 ：1a n d s t e pf e e dp o s i t i o nw a sa t ad e p t ho f6 0 0m mb e l o wt h es u r f a c e ，t h et nr e m o v a le f f i c i e n c i e so fs y s t e m3a n d s y s t e m5r e a c h e d5 0 9 0 a n d4 5 9 3 ，r e s p e c t i v e l y , i n c r e a s i n gb y1 2 4 5 a n d1 2 2 3 c o m p a r e dw i t ht h en o r m a lf l o o d i n gp a t t e r n a n dt h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d m w a so b t a i n e da tt h es t e pf e e dr a t i oo f3 ：1 c o m p a r e dw i t ht h en o r m a lf l o o d i n gp a t t e r n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fa m m o n i a n i t r o g e nc a nb ee f f e c t i v e l yi n c r e a s e du n d e ri n t e g r a t e dv e r t i c a lf l o wa n du pf l o w b u t t h et nr e m o v a le f f i c i e n c i e sc a n n o tb ei m p r o v e du n d e ri n t e g r a t e dv e r t i c a lf l o w s y s t e ml c o a n ks a n d ) a n ds y s t e m4 ( a c t i v a t e dc a r b o n ) w e r eo p e r a t e dw i t hu pf l o w c o m p a r e dw i t hn o r m a lf l o o d i n gp a t t e r n ，t h e inr e m o v a le f f i c i e n c yc a nb ee f f e c t i v e l y i n c r e a s e di n s y s t e m1 ，w h i l e n oo b v i o u si n f l u e n c ew a so b s e r v e di n s y s t e m 4 f o u r t h e r m o r e ， i n c r e a s i n gt h eh y d r a u l i cl o a d i n gc a na l s oe n h a n c et h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fn i t r o g e n i i i d oi so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n g t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn i t r o g e nm c r is v s t e r n u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h eh i g hd o c o n t e n tw i t ht h ed e p t h r a n g e0 - 6 0 0 r a mb e l o wt h es u r f a c e w a sb e n e f i tf o rn i t r i f i c a t i o n ，r e s u l t i n gi nt h e c o n v e r s i o no fa m m o n i ai n t on i t r a t e s w h i l el o wd o c o n t e n tw i t h i nt h eb o t t o ml a y e r e n h a n c e dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s ，e l i m i n a t i n gn i t r a t ef r o m w a s t e w a t e ri nc r ls y s t e m n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yc a r lb ei m p r o v e db y s h u n td i s t r i b u t i n gw a s t e w a t e r i nc r is v s t e m t o w a r daf u r t h e ru n d e r s t a n d i n gt h e r e l a t i o nb e t w e e nn i t r o g e nr e m o v a l 柚dt h em i c 加b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e ，t h ed i v e r s i t y o fb a c t e r i a lc o m m u n i t ym s v s t e m3a n ds y s t e m5w e r es t u d i e db yp c r - d g g e t h er e s u l t s h o w st h a t , t h e d i v e r s i t vo fb a c t e r i a lc o m m u n i t yw a st h eh i g h e s ti nu p p e rl a y e ro fc r is y s t e m t h e d o m i n 柚tb a c t e r i aw e r et h es a l t l ei n d i f f e r e n tl a y e r so fs y s t e m3 ，w h i l et h e r ew e 他 o b v i o u sd i 骶f e n c e si ns y s t e m5 t h eh i g hp o p u l a t i o ns i m i l a r i t yf o rt h es a m el a y e r b e t 、e e ns y s t e m3a n ds y s t e m5s u g g e s t e dt h a tm e d i am a t e r i a lh a d l i t t l ei n f l u e n c e 仰 m i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e t h ed i v e r s i t yo fb a c t e r i ac o m m u n i t y i nt h eb o u o mo f c r i s y s t e mc o u l db ei n c r e a s e du n d e rs t e pf e e dm o d e t os o m ee x t e n t k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dr a p i d i n f i l t r a t i o ns y s t e m ，f e e dm o d e s ，托m o v a lo f n i t r o g e n ，d i s s o l v e do x y g e n ，m i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r e i v 武汉理：【大学硕士学位论文 第1 章绪论 在经济快速发展和人类活动日益增强的形势下，我国水环境污染问题日渐 突出，突发性水污染事件频繁发生。2 0 1 0 年中国环境状况公报显示，2 6 个国控 重点湖泊( 水库) 中，营养状态为重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的 2 个，占7 7 ；轻度富营养的1 1 个，占4 2 3 ；其他均为中营养，占4 6 2 ， 主要污染指标为总氮和总磷。农村生活污水由于来源分散、配套处理工艺落后 等因素，往往未经处理即排入河流和湖库，导致河流污染严重，湖泊富营养化 问题突出，并且随着新农村建设的推进，农村生活污水的排放量不断增大，因 而对农村生活污水的治理技术引起越来越0 0 0 0 0 多的关注。 污水土地处理系统充分利用自然生态系统的自净功能，具有成本低廉，基 建投资省，运行费用低；运行简便，易于操作管理，节省能源；污水处理与农 业利用相结合，充分利用水肥资源；绿化大地，促进生态系统的良性循环等优 点，适合应用于我国农村生活污水的治理，因此，有必要深入研究使之成为成 熟、经济、高效的污水处理工艺，为我国村镇生活污水及受污染河水的治理做 出贡献。 1 1 污水土地处理系统概述 污水土地处理系统也称土地灌溉系统和草地灌溉系统。此系统是将污水经 过一定程度的预处理，然后有控制地投配到土地上，利用土壤一微生物一植物 生态系统的自净功能和自我调控机制，通过一系列物理、化学和生物化学等过 程，使污水达到预定处理效果的一种污水处理技术i 。 污水土地处理系统是通过将自然生态系统和人工工程技术相结合方式，有 效发挥两者间的特点，低成本，低能耗并且无二次污染的生活污水处理技术。 在一定条件下，将污水土地处理系统配合氧化塘、沉淀池等设施，其出水可以 达n - - 级处理的效果。经过预处理的污水由专用的配水渠引入到系统中，固体 悬浮物被植物截留，去除率能达到6 0 8 0 ，在植物、渗滤介质及微生物的 共同作用下同时也显著降低了原水中的有机物、氮、磷和细菌的浓度。 污水土地处理成本低廉，基建投资省，运行费用低；运行简便，易于操作 管理，节省能源；污水处理与农业利用相结合，能够充分利用水肥资源；能绿 化大地，促进生态系统的良性循环。 武汉理i ：大学硕士学位论文 采用污水土地处理系统，选取合适的地理环境构建系统，辅以人工调控运 行参数及资源优化，不仅可获得良好的污水处理效果，而且可以提高回用水的 利用率及获得一定的经济价值。因地制宜的土地处理系统对于改善区域生态环 境质量也起到十分重要的作用。污水土地处理系统特有的技术经济特征决定了 它适合城郊及农村等经济欠发达，土地资源相对丰富地区的面源污水治理。 根据处理目标、处理对象的不同，污水土地处理系统可分为慢速渗滤、快 速渗滤、地表漫流、地下渗滤和湿地系统五种类型闭。 i i 1 慢速渗滤 慢速渗滤( s l o wr a t ei n f i l t r a t i o nt r e a t m e n ts y s t e m ，简称s r ) 是将污水投配到种 有作物的土壤表面，污水在流经土壤一植物系统垂直渗滤时得到净化的土地处 理工艺隔3 1 。污水慢渗土地处理系统通过将污水处理工程和污水灌溉相结合的方 式，在处理污水的同时充分利用污水中的营养元素种植农作物，在实现污水资 源化、无害化过程中，同时兼顾环境效益和经济效益，通过规范的系统工程设 计和管理，达到社会、经济、环境效益的统一。 污水慢渗土地处理系统是一种具有多功能、多目标特点的生态系统工程， 具体表现在下列四个方面： ( 1 ) 充分利用水肥资源，保证农作物的生长。 ( 2 ) 保证农副产品的生物学质量。 ( 3 ) 有效减轻污水直接排入水体的污染负荷。 ( 4 ) 防止对地下水等环境的污染。 在实际设计中，由于慢速渗滤工艺常采用环境土层作为渗滤介质，渗透速率 较小，承受的水力负荷较低，出水水质较好，在我国广大干早、半干旱地区， 慢渗土地处理有着广泛的应用前景。 1 1 2 快速渗滤 快速渗滤土地处理系统( r a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，简称r i ) i 艺 是指将污水有控制地投放到具有良好渗滤性能的土壤表面，污水受重力作用迅 速向下渗透过程中由于生物氧化、硝化反硝化、过滤、沉淀等一系列作用而得 到净化的一种污水土地处理工艺类型1 4 列。 快渗工艺的一个特点是将渗滤池分为多个单元，使每个单元在淹水；客干状 2 武汉理t 大学硕士学位论文 态下交替运行，以保证渗滤土壤表层充分复氧，同时使截留和吸附在土壤介质 中的可降解物质充分降解，避免生物膜过度生长及悬浮物颗粒等堵塞孔隙而降 低其处理效率。 快速渗滤工艺的处理目标是： ( 1 ) 污水处理与再生水补给地下水。 ( 2 ) 污水处理与再生水回收利用。 ( 3 ) 污水处理与再生水回收补充地表水体。 1 1 3 地表漫流 地表漫流处理系统( o v e r l a n df l o ws y s t e m ，简称o f ) 系统是将污水有控制地投 配到生长有多年生牧草、坡度和缓、土壤渗透性能低的坡面上，污水在地表沿 坡面缓慢流动过程中得以净化的一种土地处理工艺1 6 j 。地表漫流系统兼有处理污 水与生长牧草的双重功能，出水以地表径流为主，只有少部分水量因蒸发与下 渗而损失。 因为地表漫流主要依靠污水在横向迁移的过程中通过植物吸收及土壤表层 微生物的降解作用去除污染物，并且为了避免污水下渗污染地下水环境，通常 选择渗透性较低的粘土土地作为处理场所。为保证一定的漫流速率及处理效率， 选择的最佳坡度为2 8 ，并且可适当对坡度进行调整。为保证该处理工艺能 有效运行，需在漫流坡面上种植稠密的植物，稠密的植物不仅可以有效吸收污 水中氮磷等物质、降低污水流速、为微生物提供良好的生境，同时也可有效防 止水土流失【7 1 。而且为避免季节变换和虫害对植物的影响，可选择常青和抗虫性 高的植物，并可将不同类型的植物进行混种，提高系统对环境及污水的适应性。 地表漫流工艺的处理目标是： ( 1 ) 在较低预处理水平下达到相当于二级处理出水水质。 ( 2 ) 场地可种植作物并产生一定经济效益。 ( 3 ) 再生水收集与回用。 1 1 4 地下渗滤 地下渗滤( u n d e r g r o u n di n f i l t r a t i o ns y s t e m ，简称u g ) 是利用并强化土壤微生物 及由土壤植物构成的稳定生态系统的净化功能，采用在土壤亚表面布水的方式 投配污水，将污水投配到具有一定构造和良好扩散性能的土层中，使污染物在 3 武汉理j ：人学硕十学位论文 生态系统中进行降解【引。 地下渗滤系统工艺的处理目标是： ( 1 ) 资源化利用土地。系统建成后，可进行耕种，不占用土地资源。 ( 2 ) 隐蔽处理，不破化景观。整个处理装置放在地下，没有臭味，不与人 体接触，保护居民健康。 ( 3 ) 因地制宜、设计灵活。可以根据地形和土地面积设计不同形式的系统， 有利于工程的实际操作【9 l 。 ( 4 ) 节约污水集中处理的输送费用。 1 1 5 湿地系统 湿地处理系统( w e t l a n ds y s t e m ，简称w l ) 是将污水有控制地投配到土壤，使 之经常处于饱和状态，湿地上生长有芦苇、香蒲等沼泽生植物，污水在沿一定 方向流动过程中在耐水植物和土壤作用下得以净化i l o j 。 选择对污染物去除效率高的填料及植物可以有效提高人工湿地出水水质，并 且选择景观植物进行适当搭配不仅可以美化环境，提高系统可观赏性，还可以 使系统更加适应季节变化带来的影响1 1 1 】。将人工湿地与沉淀池和氧化塘等系统 联合使用时，不仅可有效避免污水杂质对湿地系统的影响，提高湿地使用年限， 同时也有效提高湿地承受水力负荷变化的能力，进一步提高出水水质1 1 2 l 。 污水湿地处理工艺的处理目标是： ( 1 ) 直接处理污水。 ( 2 ) 对处理过的污水进行处置。 ( 3 ) 营建湿地生态系统，提供水源，恢复湿地野生群落，保护生物多样性。 1 2 人工快速渗滤系统 人工快速渗滤土地处理系统( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n t s y s t e m ，c r i ) 是一种污水快速渗滤处理的改良工艺，通过人工配制土壤的手段， 改变土壤的组成和土壤本身的环境条件，从而强化了土壤的净化功能【1 3 l 。 1 2 1c r i 工艺概述 c r i 系统的工艺原理为：在快渗池中添加一定高度具有一定渗透能力的填 4 武汉理j r ：人学硕十学位论文 料，启动期内通过投配一定负荷污水使c r i 系统尽快挂膜。因填料粒径较小并 充分压实，污水在重力作用下缓慢流过填料，通过填料中粘土矿物和生物膜的 的吸附作用，截留和吸附污水中悬浮性物质和溶解性物质，同时避免生物膜脱 落影响出水水质。而且填料良好的空隙结构为微生物的生长提供了良好的生境， 落干期又为系统提供了好氧环境，当污水流经系统不同深度时，微生物摄取污 水中营养物质进行自身的代谢与繁殖。系统采取淹水与落干相交替的运行方式， 能有效分解系统中积累的有机物和悬浮物，从而恢复系统的渗透性能。由此可 见，c r i 系统对污染物的去除机理主要包括物理( 截留、吸附) 、化学( 絮凝沉 淀) 以及生物降解等作用共同完成【1 4 l 。截留和吸附作用主要是将污染物质从污 水中剥离出来，真正对污染物质的去除主要依靠微生物的降解作用。 相比传统的土地处理系统而言，c r i 系统具有以下工艺特征【1 5 l ： ( 1 ) 渗滤介质一般选择既具有一定的渗透性能，又具有一定阳离子交换容 量的细砂、中砂或砾石等： ( 2 ) 滤层厚度一般为1 2m ： ( 3 ) 水力途径一般是垂直流，污水自上而下自流通过渗滤介质； ( 4 ) 快滤池之后不需再设二次沉淀池； ( 5 ) 一般不需曝气和反冲洗； ( 6 ) 由于采用人工建造，机动灵活，不受场地条件限制，不会因渗漏而造 成对地下水环境的影响； ( 7 ) 采用人工介质回填，系统水力负荷高( 一般大于1m d ) ； ( 8 ) 渗滤介质的可选性，使得系统可以根据不同进水浓度和出水水质要求 调整设计参数，机动灵活。 ( 9 ) 建设成本低，运行费用更低，c r i 系统中占建设成本最大的投资为填 料，主要为河沙。 ( 1 0 ) 抗冲击负荷强，系统稳定性好。 ( 1 1 ) 应急处理和深度处理可以有机结合，出水效果好，不造成投资浪费， c r i 系统中通过调整水力负荷，可以处理不同的水量，水力负荷在一定范围内变 化，对出水效果影响较小。水力负荷的大小，与所选基质的级配有关，因此通 过不同级配的介质选择，可以调整不同的水力负荷，达到不同的处理效果。对 于深度处理，降低水力负荷，出水优于二级处理。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2c r i 国内外研究现状 人工快速渗滤系统的新进展主要集中在以下几个方面： 系统复氧问题的研究 快渗系统中氧气含量的高低及分布不仅影响了污水中有机质的氧化分解， 也影响了系统对氮素的去除。快渗系统主要是依靠自然生态系统的自净能力实 现对污水的净化，为降低运行成本通常不采用人工曝气，主要依靠自然复氧过 程，但是在连续进水方式下，污水与氧对流交换非常缓慢，为提高系统的复氧 效率，目前较常用的有三种方法：1 采用干湿交替的运行方式；2 种植植物；3 在快渗池中部设置通气管【1 6 1 7 1 。 采用干湿交替的运行方式，在淹水期后通常会接一个较长时间的落干期， 在放空快渗池的过程中可以将渗滤介质之间的间隙水排干，为空气进入腾出位 点，同时促进介质上生物膜利用氧进行繁殖和代谢，另一方面也促进空气向介 质的空隙结构中扩散，在下一周期的淹水期内即可向污水中进行扩散。种植植 物可以利用根系的泌氧作用向快渗池内部供氧。设置通气管有利于增大快渗系 统与大气的接触面积，但是通气管在系统内达到的范围有限，依靠通气管向渗 滤介质进行氧的扩散，复氧效果通常不明显，因此常将通气管设置与间歇布水 或基质级配相结合的方式来提高复氧效果。 渗滤介质研究 由于快渗池水力负荷高，占地面积小的特点，为适当延长污水在快渗池中 的停留时间而又不至于出现淤塞现象，这就要求c r i 系统所选择的渗透介质既 要有良好的渗透性又要含有一定的粘土矿物和有机质【1 8 】，以加强其对污染物的 截留和吸附作用。同时为能尽快的在系统中挂膜及提高微生物的数量，渗滤介 质最好具有较大的比表面积。 目前针对渗滤介质的研究主要集中在对渗滤介质材料的选择上，通过采用 廉价而又针对某一污染物具有特殊去除效果的填料，从而使快渗系统更有选择 性。另外有一些学者采用将不同的填料按照一定的比例或者进行优化级配后应 用于快渗池，从而发挥各填料的优判1 9 ，捌。 运行方式的研究 为适当提高某一区域快渗系统对污染物的去除效率，可对快渗系统的运行 方式进行优化。其中主要包括对进水方式、水力负荷、湿干比以及投配水比例 及次数。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 通常快渗池可采用连续进水和间歇进水，在连续进水方式下，快渗池的水 力负荷通常较高，当污水连续通过快渗池时，快渗系统中的氧浓度维持在较低 水平，污水在快渗系统中的停留时间较短，难以获得最优的去除效果，而且当 原水中悬浮物浓度较高时，连续进水容易造成淤塞现象，使快渗池丧失其功能。 因此通常会采用间歇流的进水方式【2 1 ，2 2 1 。 水力负荷是人工快渗系统重要的运行参数之一，适宜的水力负荷决定污染 物去除率的高低1 2 3 1 。水力负荷过低导致系统营养物含量偏低，系统微生物得不 到充足的碳源和氮源，使污染物的去除率降低，并且不能完全发挥快渗系统的 潜在处理能力；水力负荷过高则导致系统污染物浓度过高，水力停留时间短使 系统微生物来不及降解其中的污染物，过量的污染物随出水排出系统，使得出 水水质较差。因而根据污水条件选取合适的水力负荷有利于出水水质稳定并使 系统维持最佳的处理状态【矧。 在间歇流运行方式下，湿干比即淹水期与落干期时间的比值。采用淹水和 落干相交替的工作方式，可以防止由于有机物生长和悬浮物沉积所造成的渗滤 池表层孔隙过度堵塞，有效地恢复系统的渗透性能，保持稳定的处理水量；另 一方面，对系统进行复氧，使系统内部潜层剖面上交替形成氧化还原环境，有 利于有机污染物的降解去除。郭劲松等【2 4 l 研究表明湿干比与总氮的去除率呈负 相关的关系，并且湿干比不同快渗系统对污染物的去除率也不相同。 在相同水力负荷下，更改污水投配比列及次数在一定程度上类似于调整水 力停留时间，采取较低的污水投配比例及多次投配的方式有利于提高污水在快 渗系统中的水力停留时间，使污水与渗滤介质微生物的接触更加充分，每一次 投配都提供快渗系统复氧时间，有利于提高出水水质，而且还可以极大程度的 缓解快渗池淤塞现象的发生1 2 5 1 。 微生物的研究 土地处理技术是应用生态学原理加工程学方法而形成的生态工程水处理技 术。其对有机污染物的去除，最终是靠微生物的作用。目前围绕填料微生物已 展开多方面的研究，主要包括括微生物数量、种群分布、酶活性以及有机物的 生物降解等几方面。 喻治平等1 2 6 j 对人工快速渗滤池微生物在各层中微生物数量、酶活性、硝化 作用、反硝化作用和呼吸作用强度方面进行了活性研究，研究结果表明，好氧 细菌在数量上占绝对优势；各种微生物大都呈现出从表层到底层数量逐渐减少 的规律；0 2 0c m 砂层的脲酶、脱氢酶和磷酸酶活性明显高于其他层；在快渗池 7 武汉理工大学硕十学位论文 内，氮转化以硝化作用为主，反硝化作用比较弱；渗滤池上部呼吸作用明显强 于中下部，与微生物的分布呈正相关。 马明超等1 2 7 1 采用1 6 sr d n a 的变性梯度凝胶电泳( d g g e ) 技术研究人工快速 渗滤系统( c r i ) 中硝化菌群( 氨氧化茵和亚硝酸氧化菌) 的空间分布规律。d g g e 图谱显示，氨氧化菌种群随着滤层深度的增加先增多后减少，在2 0 - 6 0 伽存在 1 0 种左右，多样性最丰富，是亚硝化作用的主要区域；亚硝酸氧化菌的多样性 则相对贫瘠，主要分布在5 0c m 及更深的范围，优势种群3 - - 4 种，是硝化作用 的主要场所。 系统堵塞问题研究 目前c r i 系统通常采用天然河砂作为渗滤介质，虽然天然河砂较传统土层 具有更高的渗透速率，但是由于水力负荷也相应提高，尤其当原水中含有较高 浓度的悬浮物，通过渗滤介质的截留和吸附作用留在快渗系统中，并且随着生 物膜及藻类的生长和化学沉淀等因素，在快渗池表层5 0 锄内易发生堵塞现象四j 。 何江涛等l 冽实验证实随着快渗池深度的增加，堵塞状况大大减轻，因为悬浮物 浓度和微生物数量均随着填料厚度的增加而成负指数递减。一旦堵塞现象发生， 则必须停止快渗池的运行，或降低水力负荷以避免堵塞的加重。而且发生堵塞 现象不仅影响快渗池的处理效率，还会影响工作环境，滋生蚊蝇并产生恶臭。 目前关于基质堵塞的恢复对策有更换或翻新表层基质，施用微生物抑制剂或溶 菌剂m3 1 l 等。由于快渗池填料堵塞是一个极其复杂的过程【3 2 1 ，涉及物理、化学 和生物等各领域，因此探明堵塞机理构建堵塞模型有利于有效预防堵塞现象的 发生。 1 3 脱氮机理 生活污水土地处理也是通过氨化、硝化及反硝化过程从而使氮从污水系统 中脱除1 3 3 1 。从微生物学的角度看，硝化和反硝化过程主要依靠两类不同的微生 物作用。前者借助亚硝化、硝化细菌的作用，在有氧的条件下将氨氧化成硝酸 根( 或亚硝酸根) ，这一过程通常是影响系统脱氮的关键步骤：而后者则是一个 厌氧( 缺氧) 反应，只有在氧含量较低的条件下，反硝化细菌才能把硝酸根还 原为氮气。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 硝化反硝化作用 硝化作用是污水中氮脱除的第一阶段，在通气良好的条件下土壤中的氨( 或 铵) 被氨化细菌和亚硝酸菌依次氧化成硝酸盐。目前污水中氨态氮( n h 3 n ) 转 化成硝态氮( n 0 3 n ) 的过程主要分为两个阶段：首先由氨氧化菌将氨氮转变 成亚硝氮( n 0 2 - n ) ，再由亚硝酸菌将亚硝氮转变成硝态氮。影响硝化作用的主 要因素有环境因素、生态因素和人为因素等。 硝酸根在厌氧( 缺氧) 条件下通过反硝化细菌作用还原成n o 、n 2 0 、n 2 等气 体而脱离污水释放到大气中，完成完全脱氮过程，这种将硝态氮还原成气态氮 的反应叫做反硝化作用。 硝化细菌主要属于化能自养菌，对环境条件的变化较为敏感，当环境中有 机物含量过高时，其增殖速度慢于异养型细菌，难以形成优势种群，从而限制 了硝化作用的顺利进行，影响系统对氨氮的去除率【3 3 l 。反硝化菌属于异养兼性 厌氧菌，其生长不仅需要严格的厌氧环境，还需要充足的碳源及反应底物。同 时渗滤介质的性质及含水率也会影响反硝化作用的强度【3 4 1 。 1 3 2 同步硝化反硝化作用 传统脱氮理论认为，要实现废水生物脱氮必须使氨氮经历典型的硝化和反 硝化过程，即废水中的氨氮首先被氨氧化菌和亚硝酸盐菌在好氧条件下依次氧 化为硝酸盐氮，然后硝酸盐氮在缺氧条件下被反硝化菌还原为氮气。由于这两 种菌对环境条件的要求不同，并且对环境变化较敏感，一般认为这两个过程不 能同时发生。但是在最近的工艺研究中发现存在好氧情况下发生反硝化反应、 缺氧情况下发生硝化反应。在这些处理系统中，硝化和反硝化反应往往发生在 同样的处理条件及同一处理空间，因此，这些现象被称为同时硝化反硝化【3 5 l ( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 。 目前为止人们对于同时硝化反硝化的反应机理持有不同观点，较能解释该 现象的理论主要有微环境理论和微生物理论。 微环境理论从物理学角度研究活性污泥和生物膜微环境中各种物质传递的 变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用。由于微生物个体十分微小，因此 所处的环境也相对微小。在活性污泥生物膜内部可以划分出许多微环境，某一 特定的微环境可能只适于一种微生物，而对于其它微生物则起到抑制作用。在 9 武汉理工大学硕士学位论文 宏观环境下显示为好氧条件时，由于氧传递速率的影响，在生物膜内部会形成 d o 梯度。从而在生物膜内部形成不同氧浓度的微环境，靠近外界的d o 较高， 从而为硝化菌提供适宜的生长条件，而在生物膜内层d o 相对较低，有利于反硝 化菌的生长，从而导致了反硝化作用的发生。由于好氧工艺中亦存在缺氧厌氧 的微环境，因此从传统的硝化反硝化理论也可以解释同步硝化反硝化现象。 由于2 0 世纪8 0 年代好氧反硝化菌的重要发现，使得好氧条件下反硝化的 解释有了生物学的依据。2 0 世纪8 0 年代，r o b e r t s o n 和k u e n e n l 3 6 j 在反硝化和除 硫系统出水中首次分离了好氧反硝化菌p s e u d o m o n a ss p p 、a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 等。并且有些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，从而能直接将氨转化为气态 产物。 目前针对同时硝化反硝化技术主要集中在氧化沟1 3 7 1 和s b r 3 8 l 等传统活性污 泥处理系统中，在土地处理系统中的研究则较少。 1 3 3 厌氧氨氧化作用 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 是指在厌氧或缺氧 条件下，微生物直接以n h 4 + 作为电子供体，以n 0 3 或n 0 2 为电子受体，将n h 4 + 、 n 0 3 及n 0 2 转变成n 2 的生物氧化过程1 3 9 1 。 自然界中至少存在两种厌氧氨氧化途径：好氧氨氧化菌在厌氧条件下的氨 氧化过程以及a n a m m o x 菌作用下的氨氧化过程。好氧氨氧化菌能在厌氧条件下 一羟胺或氨氮为电子供体还原亚硝氮。a n a m m o x 菌能在厌氧条件下直接以亚硝 酸盐氮为电子受体、氨氮为电子供体，将这两种氮素同时转化为氮气。 厌氧氨氧化过程由于氨直接用作反硝化反应的电子供体，可免去外源有机 物，同时厌氧氨氧化过程是化学无机自养过程，无需外加碳源。因此，厌氧氨 氧化技术已被一定的污水处理工艺采用，如s h a r o n a n a m m o x 工艺i 蛾4 1 j ， c a n o n 工艺1 4 2 】及o l a n d 工艺1 4 3 l 等。 姜昕等l 删使用厌氧氨氧化菌的引物从污水人工快速渗滤系统砂层样品总 d n a 中扩增1 6 sr d n a 序列，并测序、构建系统发育树，从而确定了其发育地 位。 1 0 武汉理t = 大学硕士学位论文 1 4p c r d g g e 技术分析微生物群落结构 自然界中任何环境下的微生物，都不是单一种群，它们与环境之间有着特 定的关系，彼此影响，相互依存，构成微生物生态系统，微生物的种群组成了 微生物生态系统的结构，而微生物与环境之间的相互作用则构成了微生物生态 系统的功能。但是我们对该系统的构造了解甚少，主要原因在于传统的研究方 法需要从环境中分分离纯培养菌株后才能对其进行特性描述，研究表明自然界 中仅有o 1 1 的微生物可在实验室环境中进行培养【4 5 1 ，并且这种分离培养方 法不能很好地反映微生物多样性的原始状态【4 6 】，因此为获取更多关于微生物群 落结构的演替规律及动态变化，则需要采用最新的分子生物学技术。 近年来，基于微生物基因组d n a 的相关分子生物学已得到较大发展，如聚 合酶链式反应、基因克隆文库、荧光原位杂交、实时定量p c r 以及变性梯度凝 胶电泳等分子生物技术。相对传统方法，这些技术能够快速准确的反映出环境 样品微生物群落结构的动态变化，并且这些技术已逐渐应用到污水处理系统中 微生物生物多样性的研究。 变性梯度凝胶电泳技术( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ，d g g e ) 最 初是用于检测d n a 突变的一种电泳技术，随着p c r 技术的发展，“g c 发夹的 应用【4 7 - 删及异源双链【4 9 ，删发现，使得d g g e 在原理和可操作性上日趋成熟。 m u t e r 掣5 1 】人在1 9 9 3 年首次将其应用于微生物群落结构研究，此后，该技术被 广泛应用于各微生物生态系统，包括土壤，活性污泥，人体和动物肠道，温泉， 植物根系等。p c r d g g e 技术的另一大优点是能快速同时对比分析大量的样品。 因此它既可以对比分析不同的微生物群落之间的差异，也可以研究同一个微生 物群落随时间和外部环境压力的变化过程。 双链d n a 分子在一般的聚丙烯酰胺凝胶电泳时，其迁移行为决定于其分子 大小和电荷。不同长度的d n a 片段能够被区分开，但同样长度的d n a 片段在 胶中的迁移行为一样，因此不能被区分。d g g e 技术在一般的聚丙烯酰胺凝胶 基础上，加入了变性剂( 尿素和甲酰胺) 梯度，从而能够把同样长度但序列不 同的d n a 片段区分开来。特定的d n a 片段由于碱基组成和排列的差异有其特 有的序列结构，其序列结构决定了其解链区域和解链行为。一个几百个碱基对 的d n a 片段一般有几个解链区域，每个解链区域有一段连续的碱基对组成。当 变性剂浓度逐渐增加达到其最低的解链区域温度时，该区域这一段连续的碱基 武汉理一1 ：大学硕七学位论文 对发生解链。当温度变性剂浓度再次升高依次达到各其他解链区域温度时，这 些区域也依次发生解链，直到最高的解链区域也发生解链，从而双链d n a 完全 解链。 部分解链的d n a 片段由于其空间构型发生变化，在胶中的迁移速率会急剧 降低。因此，同样长度但序列不同的d n a 片段会在胶中不同位置处达到各自最 低解链区域的解链温度，因此它们会在胶中的不同位置处发生部分解链导致迁 移速率大大下降，从而在胶中被区分开来( 图1 - 1 ) 。然而，一旦变性剂浓度达 到d n a 片段最高的解链区域温度时，d n a 片段会完全解链，成为单链d n a 分 子，此时它们又能在胶中继续迁移。因此如果不同d n a 片段的序列差异发生在 最高的解链区域时，这些片段就不能被区分开来。由于g c 碱基对比a - t 碱基 对多一个氢键连接，因而g c 碱基对含量高的双链d n a 具有更高的稳定性及解 链温度，通过在p c r 引物中添加一段长度约为3 0b p 5 0b p 的g c 夹板结构向双 链d n a 一端引入g c 夹板，可使双链d n a 中形成一个人工的高温解链区，从 而防止序列差异在最高解链区域的d n a 片段在d g g e 胶中完全解链而泳动出胶 外。 d 翻a a t u r a n t o - - 1 0 0 - n v m rw m t y p e 血_ 出m 图1 - 1 双链d n a 在垂直胶d g g e 中的解链行为【5 2 l f i g 1 1m e l t i n gp r o p e r t i e so fd n a i na p e r p e n d i c u l a rd e n a t u r i n gg r a d i e n tg e l 根据不同的研究目的，d g g e 主要用于以下五个方面的研究：1 研究微生物 种群的多样性：2 用于环境中微生物变化的动态监测；3 有助于发现新的微生物： 4 对功能基因多样性的研究：5 克隆文库的筛选。虽然d g g e 在科学领域的应用 范围越来越广，但是d g g e 技术仍然存在一定的缺陷。d g g e 分辨率最高的片 段长度为2 0 0 b p 左右，但是在系统发育分析中缺乏分类信息，对于4 5 0 b p - 5 0 0 b p 1 2 巴童h葺。口o，t 武汉理l ：人学硕士学位论文 左右片段分类信息相对丰富，但是常规d g g e 技术的检出率则较低。d g g e 图 谱条带反映的是群落中的优势菌群，而且一般只有在总的微生物群落中占1 以 上的种群才能被检测出来，系统中的弱势菌群不能被检测到。v a l l a e y s 掣5 3 】发现 d g g e 法并不能对样品中所有的d n a 片段进行分离。一个条带经常含有多种序 列1 5 4 j ，所以在切取条带重新扩增后，需要对p c r 产物进行克隆测序。即使采取 了d - p a g e 和修补p c r 方法