1 引言
人工湿地作为一种低投资、低能耗、低处理成本和具有较好氮磷去除功能的废水生态处理技术已逐渐被世界各国所接受.它的原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理的、化学的以及生物的途径净化污水.近年来，国内外学者对人工湿地在污水处理方面的工程应用和净化机理等作了大量的研究; 在湿地系统的构造、配水及组合类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广泛的适用性，已经引起世界各国研究者的重视.
微生物作为人工湿地除污的主体和核心，在物质的矿化、硝化、反硝化等过程中起到关键作用.低温微生物是极端微生物之一，它们有着独特的生理功能适应环境，所以研究这类微生物不仅具有重要的理论意义，还在实际推广应用中产生了日益明显的经济效益和环境效益.关于低温菌，目前国内科学家的研究主要是集中在低温菌的分离、筛选和鉴定，对其在水处理方面的应用也局限于实验室温控条件下对模拟废水的处理研究，针对低温微生物在人工湿地中的污水处理方面研究极少.本实验研究了低温菌Pseudomonas flava WD-3在不同接种量和水力停留时间时对冬季人工湿地的污水净化效果，并采用Monod 模型对处理效果进行模拟，对扩展微生物技术在环境保护领域的应用以及强化处理低温废水提供新的方法.
2 材料与方法
2.1 菌种来源
菌株Pseudomonas flava WD-3 是冬季从南四湖人工湿地的底泥中培养、分离、筛选出来，经鉴定为黄假单胞菌(Pseudomonas flava)，命名为Pseudomonas flava WD-3，基因登陆号为JX114950.
2.2 复合垂直流人工湿地
实验人工湿地采用复合垂直流结构设计，底部相通，污水由下行池表面均匀投配，垂直下行，经连通层到达上行池，再垂直上行，通过收集管排出.其中下行流池长150 cm，宽100 cm，深65 cm，上行流池长120 cm，宽100 cm，深55 cm，卵石层深20 cm; 投配负荷：2～20 cm · d-1;有机负荷：15～20 kg · hm-1 · h-1. 湿地基质选用了不同粒径的砾石和砂土特别组配而成，湿地结构如图 1所示，其中图中箭头表示污水流动方向.
图 1 复合垂直流人工湿地系统结构示意图
系统所选植物为美人蕉(Canna generalis)和菖蒲(Acorus calamus)，在2012年4月份种植于人工湿地反应器中，种植密度为8株 · m-2，湿地植物生长状况良好，已完全遮盖基质表面，根系发达，至实验时为止，该系统已稳定运行半年时间.系统进水参数见表 1.
表 1 人工湿地系统进水参数
2.3 接种量对Pseudomonas flava WD-3在人工湿地中的废水处理效果的影响
人工湿地系统稳定运行半年后，于2012年12月初(水温的变化范围为4～8 ℃.)开始投入低温菌Pseudomonas flava WD-3，接种量V(菌液)/V(污水)为1.5%～10%，菌悬液的浓度为4.575×108个 · mL-1，水力停留时间为10 d，以未接菌的人工湿地为对照组.连续3个月内追踪测定COD、NH3-N和TP的变化情况.
2.4 水力停留时间对Pseudomonas flava WD-3在人工湿地中的废水处理效果的影响
通过2.3节中的实验，选择最佳的投菌量作为试验投菌量，设置不同的水力停留时间(1~10 d)，以未接菌的人工湿地为对照组.连续3个月内追踪测定COD、NH3-N和TP的变化情况.
2.5 Monod 动力学模型
采用简化的Monod 动力学模型对Pseudomonas flava WD-3在复合垂直流人工湿地中对污染物的去除研究进行模拟，模型假设目标污染物的降解服从 Monod 动力学，复合垂直流湿地系统为连续搅拌反应器(CSTR)，该湿地系统的 Monod 动力学方程表达为：
式中，K为最大面积去除率常数(g · m-2 · d-1)，q 为水力负荷率(m · d-1)，Cin为入流污染物浓度(mg · L-1)，Cout为出水浓度(mg · L-1)，Chalf为限制因素半饱和常数(mg · L-1)
2.6 水质指标的测定
氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法，亚硝酸盐氮的测定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，硝酸盐氮的测定采用酚二磺酸分光光度法，总磷的测定采用钼酸铵分光光度法，CODCr的测定采用重铬酸钾氧化法，各指标测定的具体操作步骤详见《水和废水监测分析方法，第4版》.采用SPSS19和Origin8.6对测定结果进行统计分析及绘图.
3 结果与分析
3.1 不同接种量情况下的污水处理效果
连续3个月内，水温为4～8 ℃时，不同接种量对复合垂直流湿地中污水的COD、NH3-N和TP去除效果如图 2所示.
图 2 不同投菌量时进出水中NH3-N，COD和TP 浓度变化情况
结果表明，Pseudomonas flava WD-3在冬季人工湿地中表现出很好的污水处理效果，随着投菌量(1.5%～10.0%)的增加，湿地系统污水中的COD、NH3-N和TP的去除效率也随之增大.当投菌量由1.5%增至6.0%时，湿地系统各项污水指标的去除效果增幅明显，但是从6.0%至10.0%时，虽然各项污水指标去除效果最好，但处理效果增幅并不明显，而且菌投入过大，从运行成本方面考虑宜选用6.0%为最佳菌液投加量.当实验菌液投加量为6.0%，Pseudomonas flava WD-3对污水COD、NH3-N和TP的去除率分别介于：85.82%~87.00%、73.91%~84.18%和82.04%~85.38%，且平均去除效率分别为未投加该菌的1.49、1.46、1.76倍.该湿地系统不论是对有机物还是对氮磷方面的污染物的去除效率都有较大幅度提高，说明复合流垂直流湿地系统综合了垂直流与表面流的双重优点(梁康等，2014);另外对投菌量与各项污水指标的净化效果进行统计分析表明，Pseudomonas flava WD-3的投加量与污水COD、NH3-N和TP的去除率均达到显著正相关，相关系数分别为0.9613* *，0.9581* *，0.9751* *，* *p<0.01.
3.2 不同水力停留时间下的污水处理效果
连续3个月内，水温为4～8 ℃时，不同水力停留时间对复合垂直流湿地中污水的COD、NH3-N和TP去除效果如图 3所示.
图 3 不同水力停留时间时进出水中NH3-N，COD和TP 浓度变化情况
由图 3可知，当实验投菌量为最佳投加量6%时，随着水力停留时间的延长(1~10 d)，Pseudomonas flava WD-3对湿地系统污水中的COD、NH3-N和TP的去除效率也随之增大.当水力停留时间由1 d延长至7 d时，湿地系统各项污水指标的去除效果增幅明显;但当水力停留时间延长至10 d时，污水净化效果虽然最好，但各项污水指标的处理效率增幅并不明显，而且水力停留时间过长，从运行成本方面考虑宜选用7 d为最佳水力停留时间.当水力停留时间为7 d时，Pseudomonas flava WD-3对污水COD、NH3-N和TP的去除率分别介于：79.67%~81.96%、78.51%~83.46%和74.71%~81.49%.对水力停留时间与各项污水指标的净化效果进行统计分析表明，不同的水力停留时间与污水COD、NH3-N和TP的去除率均达到显著正相关，相关系数分别为0.9725* *，0.9812* *，0.9697* *，* *p<0.01.
3.3 模型模拟及验证
采用上述简化的 Monod动力学模型对Pseudomonas flava WD-3在冬季人工湿地中污水处理进行模拟，模型中的参数Chalf对于COD为 20 mg · L-1(Vaccari et al.， 2006)，对于NH3-N为 1.0 mg · L-1(Henze et al. 1987)，对于TP为 0.2 mg · L-1(Henze et al. 1995).引入3个参数估计模型的优劣.
判定系数：
相对均方根误差：
模型效率：
式中，Xi，Yi 分别为不同投菌量时不同时间点进出水中污染物的浓度;
，
分别为不同投菌量时进出水中各污染物的均值;
为预测值.
图 4~7表示简化的Monod模型中f(Cin，Cout，q)与Cout的关系.回归拟合线的斜率即为污染物最大去除率(K，g · m-2 · d-1)，统计参数R2，RRMSE和ME用来表示各污染物检测值与模型预测值之间的偏差，虚线为95%置信带，包含了真实回归拟合线.由结果可知，复合垂直流湿地中Pseudomonas flava WD-3对污水中COD、NH3-N和TP去除的预测值与实验观测值吻合程度较好，表明简化的Monod模型预测较为准确.
图 4 1.5%投菌量时湿地进出口有机物、N和磷监测值的Monod & CSTR动力学模型回归分析
图 5 3.0%投菌量时湿地进出口有机物、N和磷监测值的Monod & CSTR动力学模型回归分析
图 6 6.0%投菌量时湿地进出口有机物、N和磷监测值的Monod & CSTR动力学模型回归分析
图 7 10.0%投菌量时湿地进出口有机物、N和磷监测值的Monod & CSTR动力学模型回归分析
3.4 投菌量与去除率的相关性
Pseudomonas flava WD-3的投加量与其对污水中COD、NH3-N和TP去除率的关系见图 8，随着投菌量的增加，其去除率相应增加，这与已有的研究结论相一致.投菌量与去除率之间的正相关关系与传统的Monod动力学假设也一致，即在较高的有机底物条件下，有机底物的降解速率与自身的浓度无关，呈零级反应关系，但与污泥浓度(微生物量)有关，并呈一级反应关系.
图 8 投菌量与污染物的去除率的关系
3.5 水力停留时间与去除率的相关性
将低温菌种Pseudomonas flava WD-3投加到人工湿地中后，在不同的时间点对污水中COD、NH3-N和TP浓度进行检测，即水力停留时间与污染物去除率的关系如图 9所示.由图可知，随着水力停留时间的延长，其去除率相应增加，正相关关系达到0.87以上.即在同等投菌量的情况下，该菌对废水处理的时间越长，处理效果越好.并且，水力停留时间小于7 d时，污染物的去除效率增加迅速，7 d之后，去除效率的增加相对缓慢，这和细菌在有限的生存环境内的生长曲线相对应，开始生长速度较快，随着营养物质的减少生长速度逐渐减慢.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
图 9 水力停留时间与污染物的去除率的关系
4 结论
1)冬季Pseudomonas flava WD-3在复合垂直流人工湿地中对废水具有较好的处理能力，简化的Monod模型对该低温菌在冬季人工湿地中污染物去除的预测较为准确.
2)在较高的有机负荷条件下，Pseudomonas flava WD-3的投加量与去除率呈正相关的一级反应关系，最佳实验投菌量为6%.
3)实验投菌量为最佳投加量6%时，最佳水力停留时间为7 d，且水力停留时间与去除率呈正相关的一级反应关系.