1 引言
人工濕地作為一種低投資、低能耗、低處理成本和具有較好氮磷去除功能的廢水生態處理技術已逐漸被世界各國所接受.它的原理主要是利用濕地中基質、水生植物和微生物之間的相互作用，通過一系列物理的、化學的以及生物的途徑凈化污水.近年來，國內外學者對人工濕地在污水處理方面的工程應用和凈化機理等作了大量的研究; 在濕地系統的構造、配水及組合類型方面也做了深入的探索.由于其具有良好的污染物去除效果和廣泛的適用性，已經引起世界各國研究者的重視.
微生物作為人工濕地除污的主體和核心，在物質的礦化、硝化、反硝化等過程中起到關鍵作用.低溫微生物是極端微生物之一，它們有著獨特的生理功能適應環境，所以研究這類微生物不僅具有重要的理論意義，還在實際推廣應用中產生了日益明顯的經濟效益和環境效益.關于低溫菌，目前國內科學家的研究主要是集中在低溫菌的分離、篩選和鑒定，對其在水處理方面的應用也局限于實驗室溫控條件下對模擬廢水的處理研究，針對低溫微生物在人工濕地中的污水處理方面研究極少.本實驗研究了低溫菌Pseudomonas flava WD-3在不同接種量和水力停留時間時對冬季人工濕地的污水凈化效果，并采用Monod 模型對處理效果進行模擬，對擴展微生物技術在環境保護領域的應用以及強化處理低溫廢水提供新的方法.
2 材料與方法
2.1 菌種來源
菌株Pseudomonas flava WD-3 是冬季從南四湖人工濕地的底泥中培養、分離、篩選出來，經鑒定為黃假單胞菌(Pseudomonas flava)，命名為Pseudomonas flava WD-3，基因登陸號為JX114950.
2.2 復合垂直流人工濕地
實驗人工濕地采用復合垂直流結構設計，底部相通，污水由下行池表面均勻投配，垂直下行，經連通層到達上行池，再垂直上行，通過收集管排出.其中下行流池長150 cm，寬100 cm，深65 cm，上行流池長120 cm，寬100 cm，深55 cm，卵石層深20 cm; 投配負荷：2～20 cm · d-1;有機負荷：15～20 kg · hm-1 · h-1. 濕地基質選用了不同粒徑的礫石和砂土特別組配而成，濕地結構如圖 1所示，其中圖中箭頭表示污水流動方向.
圖 1 復合垂直流人工濕地系統結構示意圖
系統所選植物為美人蕉(Canna generalis)和菖蒲(Acorus calamus)，在2012年4月份種植于人工濕地反應器中，種植密度為8株 · m-2，濕地植物生長狀況良好，已完全遮蓋基質表面，根系發達，至實驗時為止，該系統已穩定運行半年時間.系統進水參數見表 1.
表 1 人工濕地系統進水參數
2.3 接種量對Pseudomonas flava WD-3在人工濕地中的廢水處理效果的影響
人工濕地系統穩定運行半年后，于2012年12月初(水溫的變化范圍為4～8 ℃.)開始投入低溫菌Pseudomonas flava WD-3，接種量V(菌液)/V(污水)為1.5%～10%，菌懸液的濃度為4.575×108個 · mL-1，水力停留時間為10 d，以未接菌的人工濕地為對照組.連續3個月內追蹤測定COD、NH3-N和TP的變化情況.
2.4 水力停留時間對Pseudomonas flava WD-3在人工濕地中的廢水處理效果的影響
通過2.3節中的實驗，選擇最佳的投菌量作為試驗投菌量，設置不同的水力停留時間(1~10 d)，以未接菌的人工濕地為對照組.連續3個月內追蹤測定COD、NH3-N和TP的變化情況.
2.5 Monod 動力學模型
采用簡化的Monod 動力學模型對Pseudomonas flava WD-3在復合垂直流人工濕地中對污染物的去除研究進行模擬，模型假設目標污染物的降解服從 Monod 動力學，復合垂直流濕地系統為連續攪拌反應器(CSTR)，該濕地系統的 Monod 動力學方程表達為：
式中，K為最大面積去除率常數(g · m-2 · d-1)，q 為水力負荷率(m · d-1)，Cin為入流污染物濃度(mg · L-1)，Cout為出水濃度(mg · L-1)，Chalf為限制因素半飽和常數(mg · L-1)
2.6 水質指標的測定
氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法，亞硝酸鹽氮的測定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，硝酸鹽氮的測定采用酚二磺酸分光光度法，總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法，CODCr的測定采用重鉻酸鉀氧化法，各指標測定的具體操作步驟詳見《水和廢水監測分析方法，第4版》.采用SPSS19和Origin8.6對測定結果進行統計分析及繪圖.
3 結果與分析
3.1 不同接種量情況下的污水處理效果
連續3個月內，水溫為4～8 ℃時，不同接種量對復合垂直流濕地中污水的COD、NH3-N和TP去除效果如圖 2所示.
圖 2 不同投菌量時進出水中NH3-N，COD和TP 濃度變化情況
結果表明，Pseudomonas flava WD-3在冬季人工濕地中表現出很好的污水處理效果，隨著投菌量(1.5%～10.0%)的增加，濕地系統污水中的COD、NH3-N和TP的去除效率也隨之增大.當投菌量由1.5%增至6.0%時，濕地系統各項污水指標的去除效果增幅明顯，但是從6.0%至10.0%時，雖然各項污水指標去除效果最好，但處理效果增幅并不明顯，而且菌投入過大，從運行成本方面考慮宜選用6.0%為最佳菌液投加量.當實驗菌液投加量為6.0%，Pseudomonas flava WD-3對污水COD、NH3-N和TP的去除率分別介于：85.82%~87.00%、73.91%~84.18%和82.04%~85.38%，且平均去除效率分別為未投加該菌的1.49、1.46、1.76倍.該濕地系統不論是對有機物還是對氮磷方面的污染物的去除效率都有較大幅度提高，說明復合流垂直流濕地系統綜合了垂直流與表面流的雙重優點(梁康等，2014);另外對投菌量與各項污水指標的凈化效果進行統計分析表明，Pseudomonas flava WD-3的投加量與污水COD、NH3-N和TP的去除率均達到顯著正相關，相關系數分別為0.9613* *，0.9581* *，0.9751* *，* *p<0.01.
3.2 不同水力停留時間下的污水處理效果
連續3個月內，水溫為4～8 ℃時，不同水力停留時間對復合垂直流濕地中污水的COD、NH3-N和TP去除效果如圖 3所示.
圖 3 不同水力停留時間時進出水中NH3-N，COD和TP 濃度變化情況
由圖 3可知，當實驗投菌量為最佳投加量6%時，隨著水力停留時間的延長(1~10 d)，Pseudomonas flava WD-3對濕地系統污水中的COD、NH3-N和TP的去除效率也隨之增大.當水力停留時間由1 d延長至7 d時，濕地系統各項污水指標的去除效果增幅明顯;但當水力停留時間延長至10 d時，污水凈化效果雖然最好，但各項污水指標的處理效率增幅并不明顯，而且水力停留時間過長，從運行成本方面考慮宜選用7 d為最佳水力停留時間.當水力停留時間為7 d時，Pseudomonas flava WD-3對污水COD、NH3-N和TP的去除率分別介于：79.67%~81.96%、78.51%~83.46%和74.71%~81.49%.對水力停留時間與各項污水指標的凈化效果進行統計分析表明，不同的水力停留時間與污水COD、NH3-N和TP的去除率均達到顯著正相關，相關系數分別為0.9725* *，0.9812* *，0.9697* *，* *p<0.01.
3.3 模型模擬及驗證
采用上述簡化的 Monod動力學模型對Pseudomonas flava WD-3在冬季人工濕地中污水處理進行模擬，模型中的參數Chalf對于COD為 20 mg · L-1(Vaccari et al.， 2006)，對于NH3-N為 1.0 mg · L-1(Henze et al. 1987)，對于TP為 0.2 mg · L-1(Henze et al. 1995).引入3個參數估計模型的優劣.
判定系數：
相對均方根誤差：
模型效率：
式中，Xi，Yi 分別為不同投菌量時不同時間點進出水中污染物的濃度;
，
分別為不同投菌量時進出水中各污染物的均值;
為預測值.
圖 4~7表示簡化的Monod模型中f(Cin，Cout，q)與Cout的關系.回歸擬合線的斜率即為污染物最大去除率(K，g · m-2 · d-1)，統計參數R2，RRMSE和ME用來表示各污染物檢測值與模型預測值之間的偏差，虛線為95%置信帶，包含了真實回歸擬合線.由結果可知，復合垂直流濕地中Pseudomonas flava WD-3對污水中COD、NH3-N和TP去除的預測值與實驗觀測值吻合程度較好，表明簡化的Monod模型預測較為準確.
圖 4 1.5%投菌量時濕地進出口有機物、N和磷監測值的Monod & CSTR動力學模型回歸分析
圖 5 3.0%投菌量時濕地進出口有機物、N和磷監測值的Monod & CSTR動力學模型回歸分析
圖 6 6.0%投菌量時濕地進出口有機物、N和磷監測值的Monod & CSTR動力學模型回歸分析
圖 7 10.0%投菌量時濕地進出口有機物、N和磷監測值的Monod & CSTR動力學模型回歸分析
3.4 投菌量與去除率的相關性
Pseudomonas flava WD-3的投加量與其對污水中COD、NH3-N和TP去除率的關系見圖 8，隨著投菌量的增加，其去除率相應增加，這與已有的研究結論相一致.投菌量與去除率之間的正相關關系與傳統的Monod動力學假設也一致，即在較高的有機底物條件下，有機底物的降解速率與自身的濃度無關，呈零級反應關系，但與污泥濃度(微生物量)有關，并呈一級反應關系.
圖 8 投菌量與污染物的去除率的關系
3.5 水力停留時間與去除率的相關性
將低溫菌種Pseudomonas flava WD-3投加到人工濕地中后，在不同的時間點對污水中COD、NH3-N和TP濃度進行檢測，即水力停留時間與污染物去除率的關系如圖 9所示.由圖可知，隨著水力停留時間的延長，其去除率相應增加，正相關關系達到0.87以上.即在同等投菌量的情況下，該菌對廢水處理的時間越長，處理效果越好.并且，水力停留時間小于7 d時，污染物的去除效率增加迅速，7 d之后，去除效率的增加相對緩慢，這和細菌在有限的生存環境內的生長曲線相對應，開始生長速度較快，隨著營養物質的減少生長速度逐漸減慢.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
圖 9 水力停留時間與污染物的去除率的關系
4 結論
1)冬季Pseudomonas flava WD-3在復合垂直流人工濕地中對廢水具有較好的處理能力，簡化的Monod模型對該低溫菌在冬季人工濕地中污染物去除的預測較為準確.
2)在較高的有機負荷條件下，Pseudomonas flava WD-3的投加量與去除率呈正相關的一級反應關系，最佳實驗投菌量為6%.
3)實驗投菌量為最佳投加量6%時，最佳水力停留時間為7 d，且水力停留時間與去除率呈正相關的一級反應關系.