农村生活污水处理性能的提高，以及评估微生物群落结构和多样性采用塔式蚯蚓过滤处理外文翻译资料

 2022-07-31 15:24:06

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农村生活污水处理性能的提高，以及评估微生物群落结构和多样性采用塔式蚯蚓过滤处理

王龙眠，郭飞鸿，郑正，罗星张，张继彪

摘要：在131天的时间内研究了使用蚯蚓，茜草进行对农村生活污水处理的新型三阶段渗透（VF）系统的性能。种植钓钟柳的塔VF的平均去除效率如下：化学需氧量为81.3％；铵，98％；总氮，60.2％；总磷，98.4％。总氮，主要以硝酸盐的形式。土壤在去除有机物方面发挥了重要作用。排水中氧需求浓度增加的三截面设计以及填料中某些氧化物的分布可能有利于去除铵和磷。微生物群体剖面显示，在不同取样时间，每个阶段的各种基质中，条带模式或多或少发生变化，而蚯蚓的存在加剧了土壤中的细菌多样性。从VF中培养基中回收的序列主要属于未知细菌和硬壁菌门的芽孢杆菌。

关键词：生活污水；营养去除；聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）；生物滤池。

1.介绍

封闭流域非点源污染（如湖泊，水库，河流的部分）是一个全球性关注的问题。在中国的太湖，湖水的水质恶化主要是由于从农村生活污水产生的污染（李 et al.，2009）。水体富营养化发病率增加的根本问题是氮（N）和磷（P）的输入。过量的这些营养物质导致了一系列的不良影响，包括对人类健康的损害（藻类毒素），减少水生生物物种多样性，减少宜人性价值，并增加饮用水的处理费用（马隆等，2009）。因此，必须采取减少养分投入和有效地减少农村污水中营养盐浓度的措施，以避免这些生态系统的富营养化。

收集和处理农村生活污水是在中国的一个大问题。由于分散的农村人口和建设污水处理厂的成本，在集中污水处理厂的基础上使用活性污泥或细菌床的过程中更适合在大、小城市不适合在农村地区（叶和李，2009）。处理系统中需要相对较低的成本，能源和维护来最好的处理广泛分布的农村生活污水。一些为国内污水扩散源的处理的解决方案已应用于广大农村地区现场处理，包括人工湿地，土壤入渗渠，污水处理植物和蚯蚓过滤处理（VF）（cuyk等，2001）。在这些技术中，VF，一个分离废水固体的过程，允许废水被重力过滤的材料，是最有前途的经济的处理漫源的生活废水的方法。

VF因其有效性去除废水中的污染物，其对环境的积极影响而被广泛研究。例如，辛哈等人（2008）发现，与蚯蚓的VF增加了大多数废水污染物处理的有效性，而蠕虫系统没有表现不佳。同样，李等（2009b）发现，100多居民每天产生的废水经过VF连续处理后表明，化学需氧量（COD），氨氮（NH3-N），和5日生化需氧量（BOD5）有效降低。方等（2010）研究了水力负荷（HLS）对蚯蚓生态滤池处理生活污水的污染物去除率的影响。水利负荷对不同营养物质的去除表现出不同的影响。最近，VF和用于从废水中去除营养过剩的传统污水处理技术的整合已经出现在文献中，包括实验室规模的陶粒生物滤池采用转炉渣–煤渣滤池处理生活污水的生物滤池强化（刘等，2009a；王等，2010）。除了在城市或农村生活污水处理的使用，设计参数和影响蚯蚓生物滤池效果的因素也进行了研究（休斯等人，2009）。

以往的研究主要集中在VF或其合并过程中使用的不同类型的废水的处理，以及其在去除污染物的效率的相关因素。然而，关于出水水质中的氮（N）和磷（P）并不总是符合中国指定的一级标准的城市污水处理厂的污染物排放标准（GB18918-2002）。为了提高营养物质的去除、三级微生物蚯蚓生态滤池的设计与连续流动配置，该系统提供了对硝化好氧条件优良，并增加COD、NH3-N和P的去除率。因此，在塔VF获得更详细的了解养分退化过程，本研究进行了以下目标：（1）评估处理农村生活污水的三塔式蚯蚓生态滤池的性能，主要从在各VF相位一定的水力负荷条件下COD、总氮（TN）、总磷（TP），NH3-N的去除率表现；（2）评价各营养物去除废水和化学成分之前和之后溶解氧（DO）变化的操作期；（3）探讨微生物C在不同的采样时间通过聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳在媒体社区的多样性和组成（PCR-DGGE）。

2.方法

2.1实验系统

图1给出了塔变频系统原理图，是在中国江苏省常州的一个村庄所构建的。该系统由三个立方级和一个废水遏制罐组成，所有这些构筑物都是由聚氯乙烯（PVC）制作的并且用铁基固定。将水箱和水泵安装到农村来进行生活污水的收集和输送。第一和第二阶段分别为50厘米长和50厘米宽，与深度为60厘米，填充衬垫为55厘米。他们的滤床都由四层从上到下一个高度30厘米的土壤（直径400-800mu;米），10厘米细沙（直径100-800mu;米），10厘米的细碎屑（直径3-4毫米），和5厘米的鹅卵石（直径4-5厘米），它被用来作为支撑层。第三阶段充满了相同的基板尺寸为110厘米的长度，宽度为65厘米，和120厘米的深度。上，中，第三层有相等的深度为30厘米，并分别充满了土壤，银沙，碎屑。鹅卵石的最低层有一个深度为20厘米。所有填充都来自中国江苏省南京郊区浦口。在这项研究中所使用的填料的特性，可以在方等（2010）找到。为了实现均匀配水，原水通过孔转动PVC管推出的第一个阶段，从上到下水平阶段采用穿孔PVC管，沿着整个长度的第二阶段和第三阶段实现废水的分布。各阶段之间的垂直距离为40厘米。所有PVC管，其中钻孔直径为1.5毫米的平均分布在横向表面上，保持在每个阶段表面上的15厘米，以确保创造水滴溢出情况，从而增加有氧条件。

Eisenia fetida（萨维尼），一个常见的蚯蚓，作为污水处理的生物滤池。该生物滤池具有密度为12.5 g / L的土壤，其活性保证微生物蚯蚓生态滤池处理明显不在淹没的状态。土壤平均C/N比为18.6。2010三月，该阶段的所有表面都种上了完全成熟的钓钟柳（从中国江苏省宜兴郊区移植），密度为20株每平方米。无死亡情况发生在运行期间。钓钟柳进入系统提高植物吸收养分和美学。

启动塔VF过程以批处理模式进行，驯化蚯蚓和植物，定植和积累的微生物在培养基中的生活污水。从3月27日至7月31日，这个过程是在连续流入模式下使用1立方米/天的水力负荷。原废水采用液位计控制，和经过处理的污水通过阶段顺序由重力流。在运行期间，平均极端气温为19.6°C（范围为7.8 - 32.9°C）。

图1. 农村生活污水处理的研究中使用的三步蚯蚓过滤处理图

2.2分析程序

2.2.1水质分析

废水样品每周在第一阶段的出口和第一至第三阶段的入口收集。COD、NH3-N、TP、TN，和硝态氮（NO3-N）按标准方法（APHA，1998）进行分析。用重铬酸钾法测定COD。TN、TP、NH3-N和NO3-N分别采用纳氏试剂分光光度法测定，过硫酸钾氧化紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法和紫外分光光度法筛选方法。溶解氧，pH值，和各阶段的出水温度是用做米原位测量，包括温度的测量（YSI型号550A，美国）和pH计（上海康仪器有限公司，phs-2c，中国）。所有的分析，包括控制，一式三份。

2.2.2基质化学成分分析

在实验结束时（2010年7月31日），不同类型的过滤材料在填料塔收集在不同深度。在每个阶段，五个填料取样孔直径为50毫米分布在侧面。土壤样品，即表层土壤（0 -10厘米），中层土壤（10-20厘米），底土（20厘米以上），银沙，和碎屑，包括初始介质被空运到实验室。在采集的当天，蚯蚓和垃圾从植物根上取下。所有样品经冷冻干燥、过筛（＜2毫米）（除碎屑），并存储在minus;20°C分析。有机物（OM）是在550°C处理2 h后的烧失量测定（刘等，2009b）。使用arl-9800 XRF光谱仪分析化学成分（X射线荧光光谱法，瑞士）。

2.2.3微生物分析

从0–15厘米土壤过滤器（S1／2／3-1），15–30厘米土壤（S1／2／3-2）、银沙（S1／2／3-3）、碎石（S1 / 2 / 3）在每个阶段收集（1 / 2 / 3表示第一/二/第三阶段）获得。抽样进行了两次，分别在2010年5月26日和2010年7月31日。预处理工艺符合基体化学成分分析。DNA的提取样品（0.5克）使用超净土壤DNA分离试剂盒（钼生物实验室，在美国）。提取DNA用于PCR的模板。

三个重复的每个样品混合，尽可能多的包括整个光谱的微生物。PCR热循环仪进行使用edc-810（东翼、北京、中国）和最后一卷50mu;L样品的混合物，含有5mu;L 10times;Ex Taq Buffer，4mu;L的氯化镁（25毫米），4mu;L dNTP混合物（2.5毫米），1mu;L引物（20mu;米），0.25mu;L DNA聚合酶（5 U /mu;L），和0.5–2 ng DNA。两轮巢式PCR扩增的16S rDNA基因片段V3区域。第一轮PCR采用普通细菌引物进行63fgc和1387R。将PCR扩增产物作为在第二轮PCR的模板，这是使用特定的引物进行p338fgc / p518r。两反应包括1分钟30周期在94°C，1分钟55°C，2分钟在72°C。这个过程之后，最后的拓步72°C 10分钟使用ap-pcr-50清洁试剂盒纯化的PCR产物（氧、美国）。

表征微生物的几种分子的方法已被研究（唐宁，2008；高等，2010）。PCR-DGGE技术，它允许相对于最优势菌群的微生物群落的复杂性评价（gt; 1%总社区）（Muyzer等，1993），由于其快速、可靠、灵敏、方便的功能，已经得到了广泛的应用。克隆和测序通常随后被用来识别环境样品中微生物的系统发育。在这项研究中，DGGE进行生物RAD D基因系统（生物RAD，美国）。聚丙烯酰胺凝胶变性梯度范围从40%到70%（100%是7 M尿素变性剂加40%甲酰胺）基于V3区细菌分离。电泳在夏等（2005）进行描述。电泳后的凝胶，浸泡15 min，溴化乙锭然后漂洗20分钟用超纯水。随后，凝胶图像被抓获使用凝胶DOC 2000系统（生物RAD，美国）。

2.2.4测序

在DGGE凝胶利益主导带切除，然后放入微量离心管中含有25mu;L TE缓冲液洗脱的DNA在4°C 24小时上述相同的条件下，所提取的DNA的1mu;L作为引物p338f没有夹和p518r在PCR过程模板，PCR产物利用GenScript公司直接测序（中国南京）。

2.2.5数据库分析

计算百分比去除最终去除率（R）为每一个参数，它是用以下公式计算：

R =（1minus;CE / Ci）times;100，Ci和Ce在进水和出水浓度分别为3mg/L。取平均进水和出水的3个值，在一周内采样的每个批次被用来计算每个参数的去除率。所有的统计分析进行中使用origin 8.0软件。

反映微生物群落结构多样性（丰富度和均匀度）的Shannon指数的计算：

其中H是Shannon指数、倪峰的高度，和N是在曲线的峰值高度的总和（赵等，2010b）。核苷酸序列均与GenBank数据库（NCBI）相比，使用基本局部比对搜索工具（BLAST），在这之后的序列在这项研究得到了DNA数据库用CLUSTAL W距离矩阵分析对齐与4进行，邻接树的构造被成对删除使用巨型4版的构造（分子进化遗传分析）。树的拓扑结构通过使用1000个重复的自举分析进行了评估。

3结果与讨论

3.1塔内废水处理、有机物（OM）及基质化学成分分析

在133天运行期间，入口浓度分布和COD、NH3-N、TN、TP和硝态氮去除效率的分布并在不同的阶段对农村生活污水见图2（a - d）和图3。如图2（a）所示，进水中COD在光学显微镜测量下范围从104.1到382.6毫克/升。在操作期间，在VF系统的去除效率是超过81.3%的浓度在流出物3（小于35.6毫克/升）。此外，COD的浓度急剧下降，而通过第一阶段，进一步降解发生，而通过第二和第三级过滤器。在进水氨氮浓度为45.3-89.8毫克/升。此外，在不同阶段出水NH3-N浓度的变化相似，COD值的变化，以稳定的去除率达到约98%。与此相反，原料TN流入的浓度保持在47.5-93.5毫克/升，从进水到流出物略有改变。最终出口保持在一个相当高的水平（平均20.4毫克/升）。此外，即使处理后的三阶段VF也没有稳态去除效率的发生。关于TP浓度和去除率在塔VF（图2（d））中观察到的时间变化，流出物的浓度显着下降后的一系列路径，其中第一和第三阶段发挥了主要作用。入口TP浓度范围从5.04至9.88毫克/升，与整体的平均去除率为98.4%。在进水和出水NO3-N浓度监测（图3）。在系统中的硝酸盐积累的入口浓度平均低于0.95毫克/升，特别是在第二和第三阶段。

图2.133天运行期间的农村生活污水处理在不同阶段的

塔式蚯蚓过滤处理系统的性能

在不同的深度（包括OM含量）在每个阶段的生活污水处理的VF基板的过滤器的化学组合物列于表1。检测阶段发现所有样品的OM百分比的操作期结束后或多或少增强，并没有显着差异。与初始土壤相比，最终土壤的平均OM含量增加了3.23%，在每个阶段，但是，当银沙和碎屑处理前后相比，平均质量分别只增加了0.16%和1.41%。此外，土壤中的OM含量没有很大的变化，在各层之间的上部和底部的层。XRF分析表明，SiO2，Al2O3和Fe2O3的主要化学成分的初始样品。具体而言，这些化合物的比例分别为68.07 / 14.01 / 3.82%，82.22 / 9.54 / 1.12%，和57.35 / 22.66 /（Fe2O3 / Fe2O3的）在土壤中，银砂和碎屑基板。低丰度的MgO中也观察到所有样品（表1）。在长期运行

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