潛流式人工濕地中農村生活污水處理設施尾水的微生物特性

陳曙平 盧原 張文藝 李喬 吳科 吳金海 金林飛

陳曙平，盧 原，張文藝，等. 潛流式人工濕地中農村生活污水處理設施尾水的微生物特性［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：219-223．

摘要：農村生活污水經A1/O1/A2/O2設施處理后流入潛流式人工濕地（簡稱人工濕地），為揭示其生物降解特性，通過脲酶活性和微生物擴增子測序對人工濕地微生物特性進行分析。結果表明，人工濕地進水處的脲酶活性高于出水處的脲酶活性，出水處的脲酶活性與總氮去除率呈顯著正相關，出水處脲酶活性越高，總氮的去除效果越好；微生物擴增子測序表明，人工濕地的優勢菌門有變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes），由進水處到出水處變形菌門和擬桿菌門相對豐度分別下降8.41個百分點和12.14個百分點，厚壁菌門上升12.91個百分點；人工濕地進水處、出水處脫氮菌屬含量較大，相對豐度分別為20.51%、14.18%，其中，具有異養硝化反硝化功能的菌屬也相對豐富，分別為8.54%、7.44%。

關鍵詞：A1/O1/A2/O2；潛流式人工濕地；農村生活污水處理設施；尾水；微生物；脲酶活性；微生物擴增子測序

中圖分類號：X703? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0219-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.033 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Microbial characteristics of tailwater from rural domestic sewage treatment facilities in subsurface constructed wetlands

CHEN Shu-ping1，LU Yuan1， ZHANG Wen-yi2，LI Qiao2，WU Ke3， WU Jin-hai3，JIN Lin-fei3

（1. Changzhou Yurun Water Co.， Ltd.， Changzhou? 213164，Jiangsu，China； 2. School of Environmental and Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou? 213164，Jiangsu，China； 3. Jiangsu KTE Group Co.， Ltd.， Changzhou? 213102，Jiangsu，China）

Abstract： Rural domestic sewage was treated by A1/O1/A2/O2 facilities and flowed into the subsurface constructed wetland （abbreviated as constructed wetland）. To reveal its biodegradation characteristics， the microbial characteristics of constructed wetland were analyzed through urease activity and microbial amplicon sequencing. The results showed that the urease activity at the inlet of the constructed wetland was higher than that at the outlet. The urease activity at the outlet was significantly positively correlated with the total nitrogen removal rate. The higher the urease activity at the outlet， the better the total nitrogen removal effect；microbial amplicon sequencing showed that the dominant bacterial phyla in constructed wetland were Proteobacteria， Bacteroidetes， and Firmicutes. The relative abundance of Proteobacteria and Bacteroidetes decreased by 8.41 percentage points and 12.14 percentage points respectively from the inlet to the outlet， while Firmicutes increased by 12.91 percentage points； the content of denitrifying bacteria in the inlet and outlet of the constructed wetland was relatively high， with relative abundances of 20.51% and 14.18%， respectively. Among them， the bacteria with heterotrophic nitrification and denitrification functions were also relatively abundant， with 8.54% and 7.44%， respectively.

Key words： A1/O1/A2/O2； subsurface constructed wetland； rural domestic sewage treatment facilities； tailwater； microorganisms； urease activity； microbial amplicon sequencing

隨著農村人民生活水平的提高，用水量節節攀升，導致農村污水的排放量逐年增加，然而中國對農村污水排放的治理能力并不突出^［1］。江蘇省太湖流域陸續建立分散式農村生活污水處理設施并投入運行，一定程度上緩解了農村污水污染。眾多分散式農村生活污水處理設施中，地埋式A/O一體化+人工濕地（景觀植物）污水處理工藝占比最大（約70%），張亞平等^［2］通過近半年的連續跟蹤檢測，認為該工藝處理后的農村生活污水中COD、總氮、NH₄⁺-N的出水濃度只有部分達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準，總磷出水效果仍不太理想。人工濕地的處理系統主要借助物理、化學、生物三重作用，對污泥污水實現較高程度凈化，其中包括過濾吸附、共沉、植物吸收、離子交換及微生物降解等方式^{［3，4］}。污水經濕地處理后，可用于灌溉、畜產、造紙原材料、建材原材料、漁業水產等^［5］。在濕地的處理系統中，微生物主要是降解廢水中有機物，是凈化污水的核心因素^［6］。

針對太湖流域污水高標準排放要求，潛流式人工濕地（簡稱人工濕地）常用來深度處理（消納）缺氧池1/好氧池1/缺氧池2/好氧池2（A1/O1/A2/O2）排放的尾水^［2］。本研究通過脲酶活性和微生物擴增子測序技術，解析人工濕地消納設施尾水的生物降解特性，揭示功能菌群對污染物的去除規律和微生物群落特征，以期為深度消納分散式農村污水處理設施尾水的人工濕地運行管護提供技術支持。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由集水池、A1/O1/A2/O2反應器、垂直潛流式人工濕地組成，工藝流程如圖1所示。人工濕地由配水槽、濕地處理區和出水收集區組成，長為1 m、寬為0.6 m、高為0.65 m，濕地基質從下到上由不同粒徑、不同厚度的礫石、紅磚碎塊、鋼渣、陶粒和土壤構成，濕地種植茭白、梭魚草、黑麥草等根系較發達的植物。

1.2 組合工藝的運行

好氧池溶解氧控制在3 mg/L左右，缺氧池溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L，對缺氧池定期進行攪拌，污泥回流比在80%左右，不設內回流，水溫為25.0～36.5 ℃，在最佳水力停留時間下運行。其運行情況如表1所示，各化學指標的去除率如表2所示。

1.3 分析方法

1）脲酶活性。7—11月對人工濕地進、出水位置設置采樣點，采樣深度為10 cm，采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法（T/NAIA 011—2020）測定濕地土壤脲酶活性。

2）高通量測序。試驗裝置運行3個月后，分別在濕地進水口植物根系的不同深度采集土壤，處理后送上海天昊生物科技有限公司完成微生物擴增子測序。

2 結果與分析

2.1 濕地脲酶活性分析

濕地脲酶活性與總氮去除率顯著正相關，脲酶活性可作為判斷濕地脫氮效能的一個重要指標^［7］。表3為不同水力停留時間（HRT）的人工濕地脲酶活性，在相同溫度下，HRT的改變對進水處濕地植物根區土壤脲酶活性影響較小，出水處土壤脲酶活性隨HRT的降低呈下降趨勢，說明隨著HRT的降低，濕地脫氮效能有所降低。

2.2 Alpha多樣性指數分析

Chao1和ACE指數是用來估計群落中含有OTU數目的指數，Chao1和ACE指數越大，表明群落的豐富度越高。由表4可知，Chao1、ACE、Shannon、Simpson指數的大小均為人工濕地出水處土壤>進水處土壤，表明人工濕地的出水處微生物豐富度及多樣性大于進水處。

2.3 門分類的微生物群落物種及其相對豐度分析

由圖2可知，濕地進水處相對豐度>1%的菌門有Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Actinobacteria（放線菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）和Planctomycetes（浮霉菌門），分別占比39.17%、21.11%、14.61%、6.21%、5.55%、3.87%、3.83%；變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門在人工濕地進水處為優勢菌門。濕地進水處土壤中的各種菌門也廣泛存在于濕地出水處土壤，變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門依然是優勢菌門，但變形菌門和擬桿菌門相對豐度分別下降至30.76%和8.97%，而厚壁菌門相對豐度則上升至27.52%，這與進水處相對豐度有顯著差異。

變形菌門和擬桿菌門在人工濕地中均屬于最優勢菌門，且變形菌門在生態溝渠中的相對豐度占比最大（66.08%）。變形菌門是細菌中最大的一類，其所包含的許多菌種不僅能夠降解有機物，而且還具有硝化反硝化能力^［8］；擬桿菌門和厚壁菌門中的許多微生物也都具有反硝化作用^［9］；綠彎菌門有助于降解有機污染物^［10］。硝化螺旋菌門（Nitrospirae）能夠將亞硝酸鹽轉變為硝酸鹽^［11］，對脫氮具有重要作用，從測序數據來看，雖然人工濕地中的硝化螺旋菌門相對豐度含量只有0.18%，但人工濕地依然保持著較好的脫氮效率，這是因為人工濕地中存在大量的同時具有異養硝化反硝化的菌群。

2.4 屬分類的微生物群落物種及其相對豐度分析

由圖3可知，人工濕地進水處土壤中相對豐度>1%的菌屬依次有Clostridium_sensu_stricto（梭狀芽胞桿菌屬）、Flavobacterium（黃桿菌屬）、Pseudomonas（假單胞菌屬）、Novosphingobium（新鞘氨醇桿菌屬）、Enterobacter（腸桿菌屬）、Acidobacterium（酸桿菌屬）、Bacillus（芽孢桿菌屬）、Terrimonas（好氧反硝化菌屬）、Acinetobacter（不動桿菌屬）、Cloacibacterium（黃桿菌屬）、Lysobacter（溶桿菌屬）、Ferruginibacter（反硝化聚磷菌屬）和Adhaeribacter（土黏結桿菌屬），占比分別為4.13%、3.76%、3.31%、3.29%、3.07%、2.93%、2.89%、2.52%、2.31%、1.87%、1.44%、1.42%和1.20%。其中，梭狀芽胞桿菌屬、黃桿菌屬和假單胞菌屬是人工濕地進水處的優勢菌屬；出水處土壤中相對豐度>1%的菌屬依次有梭狀芽胞桿菌屬、芽孢桿菌屬、酸桿菌屬、溶桿菌屬、假單胞菌屬、Paenibacillus（類芽孢桿菌屬）、Gaiella（芽單孢菌屬）、好氧反硝化菌屬、新鞘氨醇桿菌屬和腸桿菌屬，分別占比為12.55%、5.44%、3.27%、1.53%、1.50%、1.46%、1.40%、1.29%、1.22%和1.16%。其中，梭狀芽胞桿菌屬是出水處的優勢菌屬。

人工濕地的進水處、出水處主要菌屬相對豐度差別較大，如梭狀芽胞桿菌屬進水處相對豐度為4.13%，出水處相對豐度為12.55%，黃桿菌屬進水處相對豐度為3.76%，出水處相對豐度為0.786%。梭狀芽胞桿菌屬大部分為厭氧微生物，除梭狀芽胞桿菌屬外，還有地桿菌（Geobacter）和雷爾氏菌（Ralstonia）2種鐵還原微生物，分別占比0.18%和0.08%，它們不僅能夠促進根際有機質代謝分解，還能夠保證植物根系健康生長、適應淹水環境、促進營養元素的吸收和維持根際酸堿平衡。黃桿菌屬屬于擬桿菌門的黃桿菌科，一般為兼性厭氧菌，可以發生異化性硝酸鹽還原作用^［12］，說明人工濕地中存在反硝化作用，且黃桿菌能有效降解有機物。此外，優勢菌屬芽孢桿菌屬類屬于厚壁菌門微生物，不僅具有降解COD_cr的功能，還同時具有異養硝化和反硝化的功能^［13］，對于處理生活污水的有機物和氮素具有重要作用。在人工濕地中還存在與芽孢桿菌屬具有同樣作用的優勢菌屬假單胞菌屬，這對于濕地降解污染物也起到重要作用。溶桿菌屬隸屬兼性厭氧，是一種化能有機營養型細菌，可以利用碳源并且具有還原硝酸鹽的作用^［14］。好氧反硝化菌屬屬于擬桿菌門的泉發菌科，是一種嚴格好氧的革蘭氏陰性菌^［15］，能還原硝態氮，發生反硝化作用，對于濕地脫氮有重要意義。此外，節桿菌屬（Arthrobacter）、擬桿菌屬（Ohtaekwangia）等也具有脫氮、去除有機物的功能^［16］。

2.5 脫氮菌屬分析

由表5至表8可知，人工濕地進水處、出水處具有脫氮功能的菌屬相對豐度分別為20.51%、14.18%。其中，異養硝化反硝化菌屬的相對豐度分別為8.54%、7.44%。研究發現異養硝化反硝化菌不但能完成有機氮和無機氮（氨氮）的硝化過程^{［17，18］}，而且這些異養菌可以在缺氧或好氧條件下進行反硝化，使得硝化和反硝化能夠在時間上統一，而且硝化作用生成的產物可直接被反硝化細菌利用，從而避免了硝酸、亞硝酸積累對硝化反應的抑制，有利于加速氮去除進程，同時反硝化過程產生的氫氧根離子可以補充硝化過程所消耗的堿，維持系統的酸堿平衡。

3 小結

1）人工濕地進水處的脲酶活性高于出水處的脲酶活性，出水處的脲酶活性與總氮的去除有關，出水處脲酶活性越高，總氮的去除效果越好。

2）人工濕地的主要優勢菌門有變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門，由進水處到出水處，變形菌門和擬桿菌門相對豐度分別下降了8.41個百分點和12.14個百分點，厚壁菌門則上升了12.91個百分點。

3）從屬分類水平分析得出，人工濕地進水處、出水處脫氮菌屬含量較大，相對豐度分別為20.51%、14.18%，其中，具有異養硝化反硝化功能的菌屬也相對豐富，分別為8.54%、7.44%。

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收稿日期：2022-08-20

基金項目：江蘇省科技支撐計劃項目（BE20207611）

作者簡介：陳曙平（1975-），男，江蘇常州人，高級工程師，碩士，主要從事水污染控制研究，（電話）13806129800（電子信箱）1042680361@qq.com；通信作者，張文藝（1968-），江蘇常州人，教授，博士，主要從事污染控制與生態修復研究，（電子信箱）zwy@cczu.edu.cn。