1 引言(Introduction)

近年来，随着社会经济的发展，我国的水环境富营养化问题日益突出，不仅破坏了生态平衡，而且严重威胁着人类的健康和生活生产.大量含氮、磷元素的污水进入水体，是导致大范围水体富营养化的问题所在(李婷等，2010).在流入河流湖泊的污水分类组成中，低污染负荷的污水占很大比例，如农村雨污合流排水、农田排水以及城镇污水处理厂尾水等.它们大多具有污染物含量低、可生化性强、水质水量变化大、排放分散等特征(曹群等，2009).针对这种低污染水质特征，目前比较常用的净化工艺是生态型污水土地处理系统，主要包括人工湿地、氧化塘等类型(朱擎等，2015).由于土地处理系统运行成本低，在去除氮磷方面效果显著，得到越来越广泛的应用.但是，传统的土地处理系统也存在负荷过低、易堵塞等问题，在处理低污染水时净化效率低.因此，针对低污染水处理的新技术不断涌现，多级土壤渗滤系统也成为研究热点之一，其在低污染水的强化脱氮除磷方面有着更突出的优势.

多级土壤渗滤系统(Multi-soil-layering system，MSL)是由日本学者Wakatsuki等(1990)在20世纪90年代研究开发出的一种新型、高效的人工强化土壤渗滤系统，它克服了传统土地处理系统占地面积大、处理效率低、容易堵塞以及脱氮效果差等问题(魏才倢等，2009a).其核心理念是将土壤模块化，系统内渗滤层(PL)与土壤模块层(ML)交替排列，形成多个微“好氧-厌氧”环境来去除污染物.该技术已在日本、泰国、印度尼西亚和中国推广应用，对生活污水、受污染河水等的处理具有较好的效果(Luanmanee et al., 2001；Luanmanee et al., 2002；Sato et al., 2005；魏才倢等，2009b；2010；陈佳利等，2012；张洪玲等，2011).尽管MSL系统相对其他土地处理系统具有明显的优势，但是如何在系统内部维持良好的“好氧-厌氧”环境是影响系统脱氮效果的关键；而且针对低有机污染水的脱氮问题，这一技术应用于工程实际会因碳源不足引起反硝化受阻，进而限制了系统对氮素的去除效果.传统的固相碳源天然材料如锯末屑、植物秸秆类等存在反硝化速率偏低、持续供碳能力较弱、出水产生色度问题等，而单一高分子聚合物反硝化脱氮效率高但经济性成本较高，需要进一步从固体碳源的释碳速率控制、经济性成本的降低方面研发新型碳源.在有关MSL系统脱氮微生物机理解析等方面也未见报道.因此，这些问题的存在迫切需要对该技术以及相关脱氮微生物机理方面开展深入的研究.

本研究采用“微曝气段+非曝气段”的两段式MSL系统工艺，针对某生活小区中水处理站的出水，城镇污水处理厂传统工艺一级A标准出水的低C/N比特征，在土壤模块中引入新研发的基于PHBV (聚羟基丁酸戊酸酯)、纤维素等共混固相碳源(简述为GC-4)，以土壤模块添加锯木屑碳源的MSL系统为对照，在实际现场环境条件下开展了不同温度、不同水力负荷条件下对低污染水的强化脱氮除磷研究，并考察了工艺出水有机物的含量变化，为MSL工艺在实际工程中的应用提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验装置与工艺流程

“曝气段+非曝气段”的两段式多级土壤渗滤系统试验装置与工艺流程，如图 1所示.本研究在某生活小区中水站内进行，生活污水经“A²/O工艺”处理后的低污染出水，由水泵提升至高位水箱，经初步沉淀后再由计量泵配水, 进水依次流过模拟曝

气段和非曝气段，再通过上流式出水管流出系统.其中，曝气段通过微型空气压缩机接曝气软管和曝气头曝气，曝气头置于承托层上部.非曝气段采用上流式出水使其维持淹水水位，同时加盖密封形成缺氧环境.

试验装置曝气段尺寸：0.4 m×0.3 m×0.8 m (长×宽×高)，非曝气段尺寸：0.4 m×0.3 m×1.0 m (长×宽×高).土壤模块(ML层)包含2种不同规格尺寸，分别为：长×宽×高=0.3 m×0.2 m×0.1 m (长型)；长×宽×高=0.15 m×0.2 m×0.1 m (短型).渗滤层(PL层)与模块上下间隔40 mm.

2.2 试验材料

本研究一共设置2组对照系统，MSL1是以传统锯木屑为反硝化碳源的参照组，MSL2是于缺氧段土壤模块层中添加固相碳源GC-4作为反硝化碳源的试验组，探讨新型固相碳型对工艺的净化效果的影响.2组系统具体填料组成如下：MSL1系统：微曝气段(PL层:重质陶粒；ML层：陶砂、腐植质土、锯木屑、石灰石、钢渣、竹炭等)；非曝气段(PL层:重质陶粒；ML层：陶砂、腐植质土、锯木屑、石灰石、钢渣、竹炭等)；MSL2系统：MSL1系统比较仅将非曝气段锯末屑改为新型固相碳源GC-4.

2.3 试验水质及工况条件

室外模拟试验系统自2014年8月启动，连续运行至2015年6月，期间受季节气温变化影响，以水温15 ℃作为分界点，将试验划分为3个阶段(试验期间总体水温处于偏低水温).温度段1平均水温为19.05 ℃(>15℃)，温度段2平均水温为11.41 ℃，温度段3平均水温为19.03 ℃(>15 ℃).试验期间进水水质、模拟MSL系统工艺运行参数等列于表 1.由此可以探讨不同水温、水力负荷下2组MSL工艺的脱氮净化效果.

2.4 水质监测指标及分析方法

试验期间，取样监测频率为每周2次，监测指标包括NH₄⁺-N、NO₃^--N、TN、COD_Cr、pH、进水水温.测定溶解性指标前先将水样经过0.45 μm滤膜过滤.其中，NH₄⁺-N测定采用纳氏试剂法，NO₃^--N测定采用紫外分光光度法，TN测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，COD_Cr测定采用重铬酸钾法，水温、pH值等直接用仪器测定(国家环保局，2002).

2.5 微生物样品的采集与分析

在2组MSL系统稳定运行期间，采集MSL系统“曝气段”渗滤层(PL层)、土壤模块层(ML层)填料样品2份(编号为0-P、0-M)，再分别采集2组MSL系统MSL1、MSL2“非曝气段”PL层、ML层填料样品共4份(编号为MSL1-P、MSL1-M；MSL2-P、MSL2-M).针对样品提取DNA，测定样品中微生物16S rRNA，并针对脱氮反应的几个关键基因如参与硝化过程的amoA基因(氨单加氧酶基因)、参与反硝化过程中的亚硝酸盐还原酶关键功能nirS基因、nirK基因进行荧光定量PCR测定(赵兰，2015).

3 试验结果与讨论(Experiment results and discussion) 3.1 2组MSL系统对中水站出水的强化脱氮效果

传统的单段式MSL系统主要是依靠其独特的砖砌式内部空间形成的无数微好氧-厌氧环境，从而实现吸附、矿化、硝化、反硝化过程等功能的同步进行.本研究采用“曝气段-非曝气段”MSL系统，在土壤模块引入不同固相碳源可以进一步强化脱氮.表 2为整个试验期间脱氮效果的数据统计分析结果.

3.1.1 对氨氮的净化效果的分析

2组“微曝气-非曝气”MSL系统对NH₄⁺-N的净化效果没有表现出明显的差异性且均表现出稳定、高效的净化效果.NH₄⁺-N主要是通过第1级微曝气MSL系统完成硝化反应过程.温度段1MSL2和MSL1对NH₄⁺-N的去除率分别为88%、91%，明显高于温度段2的去除率80%、81%.结果表明，随着水温的降低，MSL系统对NH₄⁺-N去除率会有所下降.这是低水温条件下一定程度上会影响到MSL系统内硝化细菌的生物活性.但尽管随着水温的降低且进水NH₄⁺-N浓度升高，MSL系统对NH₄⁺-N的净化效率依然维持在80%左右的水平，表明了MSL系统具有较好的抗冲击负荷能力.

如图 2a所示，比较温度段1和温度段3可以发现，在水温相似环境条件下(平均水温大于15 ℃)，运行了2个不同的表面水力负荷参数，即在1.0 m³·m^-2·d^-1水力负荷条件对应进水氨氮平均浓度为8mg·L^-1，MSL1、MSL2工艺出水分别为0.76、0.92mg·L^-1；在0.6 m³·m^-2·d^-1水力负荷条件对应进水氨氮平均浓度为5 mg·L^-1，MSL1、MSL2工艺出水分别为0.32、0.67mg·L^-1, 且2组MSL工艺对氨氮的净化效率均达到90%左右.就MSL系统对氨氮的净化效率来看，表面水力负荷还可以更高一些.统计表明，在所选择的2个水力负荷工艺参数下2套MSL系统在温度段1和温度段3中NH₄⁺-N的去除率在95%观测水平下均没有显著性差异(p₁=0.076>0.05，p₂=0.878>0.05).

3.1.2 对硝酸盐氮的净化效果的分析

图 2b揭示了2套系统对NO₃^--N的净化效果.NO₃^--N浓度会随着进水中NH₄⁺-N在第1级曝气段好氧硝化后进一步上升，再进入缺氧段进行反硝化反应以完成反硝化脱氮过程.

结合表 2中硝酸盐氮数据统计分析结果并对照图 2b可以看出，温度对MSL系统的反硝化过程影响比较显著.2组MSL系统在温度段1和温度段2条件下对NO₃^--N的净化效率均存在显著性差异(p₁=p₂=0.000 < 0.05).在温度段1，MSL1、MSL2 2套系统对NO₃^--N的平均去除率为61%、75%，添加新型固相碳源GC-4的MSL2系统的反硝化效果明显好于添加传统碳源锯木屑的系统MSL1系统.随着水温的下降温度段2，2套MSL系统对NO₃^--N去除率均明显降低，并出现了出水NO₃^--N浓度高于进水的累积现象.温度段2这一现象背后，实际上是进水中TN组成中NH₄⁺-N浓度比较高而NO₃^--N浓度较低，但随着NH₄⁺-N的好氧硝化转换成为了以NO₃^--N形式存在，虽然在第2级MSL系统依然表现出了比较好的反硝化脱氮效果，但出现了NO₃^--N浓度出水高于进水有累积的现象.随着水温上升进入到温度段3，硝酸盐氮的反硝化去除率逐渐恢复到温度段1的较高水平.

温度是影响MSL系统反硝化脱氮的重要因素.随着水温的降低，有机异养性反硝化菌的生物活性受到了一定的影响，且在MSL系统中添加研发的新型固相碳源对MSL系统的反硝化脱氮效果提升明显.这是传统碳源如锯木屑等天然纤维素类物质通常含有15%~30%的木质素，而木质素是一种无规则、高度分支、不溶于水的高分子聚合物，是自然界所有天然产物中最难降解转化的物质之一，其反硝化脱氮速率低下(李海涛等，2010)；新型固相碳源为非水溶性有机聚合物，其具有较强的有机物控释性能，在微生物酶的作用下进行生物降解并释放碳源，可生物降解组分比例高，反硝化速率高，与锯木屑相比，其反硝化脱氮性能更好(李森等，2012).

3.1.3 对总氮的净化效果分析

从进水氮素组成上看，高水温阶段(温度段1和3)，TN组成中主要以NO₃^--N为主，NH₄⁺-N次之；但在低水温阶段(温度段2) TN的组成转化为以NH₄⁺-N为主，NO₃^--N浓度较低.这主要是因为试验系统进水采用的是经“传统A²/O工艺”中水处理工艺后的低污染出水，这套传统工艺的脱氮效果受温度影响较大，高温条件下系统硝化作用进行的比较彻底，出水NH₄⁺-N浓度较低，NO₃^--N浓度较高；而在低温条件下硝化作用变弱，出水NH₄⁺-N浓度高于NO₃^--N浓度.2组MSL系统对TN的净化效果数据统计分析结果列于表 2以及过程曲线如图 2c所示.

统计表明，2套系统温度段1和温度段2中TN的去除率均存在显著性差异(p₁=p₂=0.000 < 0.05)，温度段1和温度段3中TN的去除率也都存在显著性差异(p₁=0.008 < 0.05，p₂=0.007 < 0.05)，温度段1时MSL1、MSL2对TN的平均去除率分别为62%、72%；温度段2时，水温下降到15 ℃以下，系统的脱氮效率有所降低，TN平均去除率分别为45%、55%；随着气温逐渐回升至15 ℃以上，温度段3时系统对TN的净化效果也出现好转，并在降低水力负荷的情况下，TN去除率进一步提高，分别达到66%、81%.由此可见，表面水力负荷的大小也是影响MSL系统对TN去除效果的一个重要因素.

通过分析还可以发现，不管温度变化还是水力负荷变化，整个运行期间，系统MSL1和MSL2对TN的去除率存在显著性差异(p=0.000 < 0.05).MSL2对TN的去除效果最好，在温度段3的较高水温和低水力负荷条件下TN平均去除率达到81%；而MSL1相对要较差，最高TN平均去除率仅为66%.相比于锯木屑等传统天然纤维素类固相碳源有机物控释性能差、反硝化速率低等缺点，新研发的新型固相碳源为反硝化微生物提供了持续易于利用的碳源，保证了反硝化过程的持续高效进行.在土壤模块层引入新研发的共混有机高分子固相碳源(GC-4)能够强化MSL系统工艺的脱氮性能.

3.2 2组MSL系统对中水站出水中COD的进一步净化效果

图 3为2组MSL系统对COD_Cr的净化效果.试验系统进水为中水处理站尾水，COD仅为30 mg·L^-1左右，属于低有机污染水(COD/TN接近1：1)，有机物浓度不能满足反硝化脱氮的需求.从图 3可以看出，添加了传统固相碳源锯末屑的MSL1系统，在温度段1、2、3对COD的平均去除率分别达到30%、37%、32%；而添加了新型共混固相碳源GC-4的MSL2系统在温度段1运行初期出现了短暂的过度释碳现象，之后在温度段2、温度段3保持着较好的碳源缓释性能以及良好的反硝化脱氮效果(如前面脱氮特性所述)，且对COD的平均去除率分别达到57%、54%；数据统计分析显示，2组MSL系统本身在温度段1、温度段2和温度段3中COD的去除效果都没有显著性差异(p>0.05)，说明在实验所在的温度、水力负荷范围条件下对MSL系统去除有机物的影响差异不大.

在传统MSL系统中有机物的去除主要集中在系统上部，前期通过系统中PL层材料、土壤和其他填料的物理截留及化学吸附来去除，而后期主要依赖异养型好氧微生物的代谢活动来去除(王书文等，2006).在本实验2组MSL系统进水有机物浓度低，但会在“曝气段”好氧有机异养菌的作用得到一定的净化，而在“非曝气段”土壤模块层中的有机碳源会被异养反硝化菌利用完成反硝化脱氮过程且均没有出现碳源过度释放导致COD升高的现象.稳态运行情况下，MSL2比MSL1系统对COD去除效率要稍高一些，推测是新型碳源GC-4比锯末屑更易为有机异养菌利用相应微生物量较大而表现出更好的COD的净化效率.

3.3 2组MSL系统微生物净化机理初步解析

通过对16S rRNA基因进行定量PCR分析，可以考察研究对象中微生物群落的生物量大小；而通过对参与硝化过程的关键功能基因amoA基因、参与反硝化过程的关键功能基因nirS和nirK基因的定量分析，能考察MSL系统不同功能区的硝化微生物和反硝化微生物群落的丰度大小，进而解析其脱氮过程的微生物机理.

3.3.1 16S rRNA基因解析

16S rRNA编码基因序列长度适中，遗传信息丰富，在结构和功能上高度保守(Coenye et al., 2003)，常用来作为种间分类和系统发育的依据，通过对16S rRNA基因的定量，能够在一定程度上反映微生物量的多少和丰度.采集的6种填料样品(曝气段0-P、0-M和非曝气段MSL1-P、MSL1-M、MSL2-P、MSL2-M)表面生物膜微生物的16S rRNA基因拷贝数进行定量，检测结果如图 4a所示

由图 4a可以看出，MSL系统“曝气段”填料样品(0-P、0-M)的生物膜细菌16S rRNA基因拷贝数总量小于两组“非曝气段”填料样品总量(MSL1-P、MSL1-M，MSL2-P、MSL2-M)；对比MSL系统中的PL层和ML层填料样品16S rRNA基因拷贝数，无论“曝气段”还是“非曝气段”，ML层的生物膜细菌均大于PL层.MSL系统中土壤模块层的微生物丰度更大，是由于土壤模块层中的腐殖质土、陶砂、竹炭、钢渣、石灰石等为微生物在其上附着生长提供了有效的空间，而其中固相碳源的酶解为反硝化有机异养菌的生长提供了良好的微环境营养条件；MSL系统的渗滤层为防止系统堵塞选择的是单一、颗粒较大的重质陶粒，相对比表面积小，其上生物膜的生物量丰度相对较少.对比2组MSL系统，MSL1和MSL2“非曝气段”ML层填料样品(MSL1-M、MSL2-M)的生物膜细菌16S rRNA基因拷贝数，MSL2-M>MSL1-M，添加固相碳源GC-4能显著增加系统内的微生物丰度，在微观层面解释了MSL2的污染物去除效果好于MSL1的微生物机理.

3.3.2 amoA基因

氨氧化过程是硝化过程的限速步骤(Prosser, 1989)，amoA基因是参与氨氧化过程的关键基因，也是最常用于研究氨氧化细菌的基因之一.有研究表明，所有的氨氧化细菌均含有编码催化氨氧化作用的amoA基因(贺纪正等，2009)，以amoA基因作为分子标记物在对AOB (Ammonia Oxidizing Bacteria，氨氧化细菌)的丰度和种类研究领域得到了广泛的应用(Limpiyakorn et al., 2011; Zhang et al., 2011).采集的6种填料样品表面生物膜细菌amoA基因拷贝数qPCR检测结果(图 4b).

由图 4b可以看出，在MSL系统amoA基因主要分布在“曝气段”PL层样品(0-P)重质陶粒表面，远高于同处于“曝气段”的ML层样品(0-M)，也比“非曝气段”的所有样品多出1个数量级以上.由此可看出，MSL系统硝化过程主要由“曝气段”尤其是渗滤层PL重质陶粒表面生物膜上氨氧化细菌完成.进水中较高的氨氮浓度、PL层填充的重质陶粒粒径较大，MSL系统的“曝气段”创造了良好的好氧环境，使得大量好氧硝化细菌在这里生长繁殖，表现出优异的硝化效果.amoA基因在MSL系统“非曝气段”样品(MSL1-P、MSL2-P)也出现一定的拷贝数，说明在“非曝气段”的渗滤层中也存在着某些氨氧化细菌.

3.3.3 nirS与nirK基因

亚硝酸盐还原酶Nir催化NO₂-N还原为NO的过程是反硝化过程的限速步骤，也是区别于其他硝酸盐代谢的标志性反应.亚硝酸盐还原酶包括细胞色素型(由nirS基因编码)和Cu型(由nirK基因编码)，对nirS和nirK基因的定量研究能够准确反映MSL系统中各单元反硝化菌群的丰度.样品qPCR检测结果如图 4c、4d所示.

对比图 4c和d可以发现，2组MSL系统填料样品表面生物膜nirS和nirK基因拷贝数有相同的规律性，且nirS基因拷贝数普遍比nirK基因高3~4个数量级，与反硝化功能基因相关文献报道相似(Jung et al., 2012).nirS和nirK基因主要分布于MSL系统“非曝气段”尤其是其中的土壤模块层ML内，而在“曝气段” ML层(0-M)中有少量存在.由图 4c中比较MSL系统“非曝气段”土壤模块层(ML)中nirS基因丰度，MSL2-M明显高于MSL1-M，这是新型碳源GC-4比传统碳源锯末屑更易被反硝化菌所利用而有利于它的富集升高表现出更好的反硝化脱氮效果.

4 结论(Conclusions)

1) 在整个运行阶段，MSL1系统和MSL2系统的TN平均去除率分别为58.53%、70.34%，证明了在不同条件影响下，添加新型材料的MSL2比MSL1表现出较好的强化脱氮性能；

2) 在相同表面水力负荷(1.0 m³·m^-2·d^-1)条件下，水温的降低会直接降低系统的脱氮效率.当水温从平均19 ℃下降到 < 15 ℃时，MSL1系统对NH₄⁺-N、TN的平均去除率分别由91%、62%下降为81%、45%，MSL2系统对NH₄⁺-N、TN的平均去除率分别由88%、72%下降为80%、55%，但MSL2系统仍然优于MSL1系统.

3) 水力负荷的降低会提高2个系统TN去除率大约20%，证明了低水力负荷利于系统的脱氮效果.在各个运行阶段，MSL系统添加固相碳源均没有出现碳源过度释放现象，表现出较好的COD去除效果.

4) 分子生物学研究揭示了两段式MSL系统中微生物、硝化菌、反硝化菌的功能分区及其丰度，在生物量和反硝化基因数量上MSL2均大于MSL1，硝化菌(amoA基因)集中分布在微曝气段，反硝化菌(nirS、nirK)集中分布在土壤模块层层，比较好解释了不同碳源类型条件下MSL系统的脱氮效果的差异性.