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基于目前我国农村地区经济发展水平及水污染治理的要求,高效、节能、生态平衡和环境友好的污水处理工艺成为研究的热点。生活污水的蚯蚓过滤处理(vermifilter)工艺是在污水生物处理反应器中引入蚯蚓,延长和扩展了原有的微生物代谢链,丰富了系统的微生物多样性,改善了生态滤池的处理环境,提高了处理效率,适宜用于农村生活污水处理。
本文通过构建包含三格化粪池、一级垂直流人工湿地和二级蚯蚓生态滤池为主要处理单元的三段式农村生活污水小试处理系统,以第二级处理系统的蚯蚓生态滤池和无蚯蚓对照滤池为主要研究对象,考察了蚯蚓(Eisenafoetida)活动对生态滤池水处理效率及滤池微生物特性的影响。实验以蚯蚓活动对生态滤池水处理效率、滤池内土壤养分及滤池土壤中的酶活性、微生物生物量碳氮、微生物群落碳源利用、微生物PLFA谱图等的影响为研究内容,研究的主要结论如下:
(1)在进水COD、NH4+-N、TN和TP平均质量浓度为212.8mg·L-1、88.37mg·L-1、117.7mg·L-1、4.20mg·L-1的条件下,试验构建“垂直流人工湿地+蚯蚓生态滤池”的串联式工艺对农村生活污水的出水COD、NH4+-N、总氮和总磷等污染物有良好的去除效果。由于污染物被截留、基质吸附作用及植物对滤池微环境的促进作用,第一级生态滤池对污染物去除的贡献率远大于蚯蚓生态滤池;从污水流向角度来看,COD、氨氮和总磷的去除主要发生在第一级生态滤池的进水0~40cm阶段,总氮浓度呈均匀下降的趋势。对比无蚯蚓对照生态滤池,污水经过蚯蚓生态滤池后,仅在试验后期表现出了对COD降解效率上的显著促进作用。
(2)通过向生态滤池水处理系统中接种蚯蚓,生态滤池基质土壤有机碳和全氮含量得到了提高,但蚯蚓活动对两者的影响仅在表层土壤上(0~5cm)达到显著水平,对0~20cm基质土壤的全磷质量浓度均无显著作用;
(3)在0~20cm的基质层,微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)及土壤酶活性随土壤深度的增加而逐渐减少;接种蚯蚓对微生物生物量碳氮有促进作用,但未达到显著水平;蚯蚓活动对生态滤池的基质酶活性有促进作,蔗糖酶和脲酶活性在蚯蚓作用下得到显著的提高,而碱性磷酸酶对蚯蚓活动的响应仅限于5~10cm基质层;微生物生物量及土壤酶活性表现出相似的季节规律:秋季的最高,夏、秋季高于春、冬;
(4)蚯蚓活动影响了基质土壤微生物群落对碳源利用能力的平均吸光值(averagewellcolordevelopment,AWCD),无论何种采样季,蚯蚓活动均显著提高了各个土壤层的AWCD值。31种碳源利用的主成分分析结果表明,生态滤池中接种蚯蚓改变了各基质层土壤微生物群落碳源的利用情况。进一步分析表明,试验期内,在蚯蚓作用、季节变化、深度影响的交互作用下,土壤微生物的六类碳源类群利用情况上也表现出了差异;Shannon多样性指数结果表明,接种蚯蚓与否对0~20cm各层土壤微生物碳源利用多样指数影响不大,但逐步回归结果表明蚯蚓生物量,土壤养分的碳氮比,土壤全氮含量,进水总磷质量浓度是决定土壤微生物多样性指数和碳源利用能力的关键因素。
(5)接种蚯蚓同样影响了土壤样品的PLFA图谱,蚯蚓活动使得蚯蚓生态滤池中的多不饱和脂肪酸极显著的增加,而羟基脂肪酸显著的减少。通过向生态滤池中接种蚯蚓,土壤PLFA总量得到了显著的增加;同时,蚯蚓活动对基质土壤中细菌(F)、真菌(B)、放线菌(A)、革兰氏阳性菌(G+)的相对含量无显著影响,但显著影响了革兰氏阴性菌(G-)的相对含量及真菌/细菌(F/B)值、G+/G-值;季节因子也对真菌、G+菌、G-菌及F/B值、G+/G-值亦有显著的影响。蚯蚓活动还增加了20:4ω6,9,12,15c(原生动物特征脂肪酸)的相对含量。主成分分析结果表明,在蚯蚓活动的影响下,土壤微生物群落结构发生明显变化,并且不同季节下的样品之间微生物群落结构也有细微的差异。
总之,尽管接种蚯蚓(Eisenafoetida)并未显著促进生态滤池对农村生活污水处理效率,但蚯蚓活动改变了土壤养分,增加了基质土壤的微生物生物量和促进了酶活性,造成土壤微生物群落碳源利用的差异,也影响了微生物群落结构;这些影响与季节变化和深度层也有关系。同时,这些微生物学指标的变化预示着污染物的处理效率在蚯蚓活动影响下将得到进一步改善。分析结果表明蚯蚓生物量是本试验生态滤池水处理效率的关键因素,在实际的应用中,建议通过遮光、排水、保温等措施为蚯蚓的正常生长繁殖提供有益条件以进一步提高水处理效率。