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人工湿地基质酶及其活性与净化养殖废水效果相关性研究 摘要 池塘养殖作势我国水产养殖中最主要养殖形式，其养殖产量占到我国淡水养殖 产量的7 0 以上( 据2 0 0 5 中国渔业年鉴) 。在养殖过程中，池塘水质容易恶化、病 害容易发生，养殖产品质量降低以及养殖废水任意排放，严重影响到水产养殖业的 可持续发展。人工湿地是2 0 世纪7 0 年代兴起的污水处理生态工程，由于其具有建 造、运行和日常管理费用低廉，处理效果稳定，适用面广等特点，发展到现在越来 越受到人们重视。本文在应用人工湿地净化池塘养殖疲水的基础上，重点探讨了湿 地基质酶及其活性与净化养殖废水效果相关关系，主要研究结果如下： 1 对系统中人工湿地净化功畿进行了研究。结果表臻：( 1 ) 综合4 1 0 月，在水力 负荷为6 0 0 m m d a y 运行条件下，人工湿地对t s s 、c o d 的去除率均值为8 5 8 、 6 2 1 ，出水浓度均值为9 0m g l 、4 。7m 班；对n h 4 + 一n 、n 0 2 - - n 、n 0 3 - - n 和t n 的去除率分别为3 9 6 、6 9 0 、2 2 o 和4 0 1 ，出水浓度均值分别为o 3 8m g l 、 0 0 1 3m g l 、0 0 6 1 m g l _ , 和1 5 2 m g l ；对t p 的去除率均值为5 3 2 ，出水浓度为 0 2 2 m g l ，上述出水水质指标均满足渔业水质标准要求。植物收割对t s s 指标 去除效果影响较小；通风强化增氧能显著提高湿地n 时n 、n 0 2 - n 和c o d 的去除 能力，改善出水水质，是提高湿地净化养麓废水能力的有效措施。 2 对湿地基质酶及其活性进行了研究。结果表明：4 1 0 月份，磷酸酶、脲酶、 蛋自酶、脱氢酶、纤维素酶活性的变化分别为9 。2 。1 4 。3m g 1 0 0 9 、0 。9 8 2 。0 6 m g 1 0 0 9 、 2 9 9 5 6 1 m g 1 0 0 9 、1 4 2 1 - 2 8 0 4 u l 1 0 0 9 、8 5 。1 5 4 m g 1 0 0 9 ；植物收割对蛋白酶、脱氢 酶、磷酸酶和脲酶活性有一定程度影响，但对纤维素酶活性影响不大；通风强化可 显著增加磷酸酶、脲酶、纤维素酶、脱氢酶活性，但对蛋囱酶活性影响不大；基质 酶活性均表现为中上层较高，下层较低；植物根区酶活性显著高于非根区( p 0 0 5 ) ， 而且不同植物根部基质酶活性存在差异。 一 3 人工湿地基质酶及其活性与净化养殖废水效果相关关系研究表明：磷酸酶与 t p 的去除率呈极显著正相关；脲酶活性分别与t n 和n 0 2 - - n 去除率呈极显著正相关和 显著正相关；脱氢酶活性分别与c o d 和t p 去除率呈极显著难相关和显著正相关。因 此，酶活性在一定条件下可以作为判断人正湿地养殖废水处理效能的指标。 关键词：人工湿地；基质酶；养殖废水；净化效果 l i l 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 a b s t r a c t p o n dc u l t u r ea c t sa st h ed o m i n a n tp r a c t i c eo fa q u a c u l t u r ei n d u s t r yi nc h i n a ，i t s o u t p u ts h a r e dm o r et h a n7 5 o ft o t a lf r e s h w a t e ra q u a c u l t u r ep r o d u c t i o n b u tn o w , i nt h e c o u r s eo fa q u a c u l t u r e ，t h ed e t e r i o r a t i o no fw a t e rq u a l i t y , t h eo c c u r r e n c eo fd i s e a s e ，t h e d e c l i n eo fa q u a c u l t u r ep r o d u c tq u a l i t ya n dt h ed i s c h a r g eo fa q u a c u l t u r ew a s t e w a t e r w i t h o u ta n yt r e a t m e n th a v em a d ess e r i o u si m p a c to nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f a q u a c u l t u r ei n d u s t r y s oa q u a c u l t u r ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ti su r g e n t l yn e e d e d w e t l a n d s y s t e m sa r em o r ea n dm o r eu s e dt ot r e a td o m e s t i cs e w a g e ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n d a g r i c u l t u r a l r u n o f fi nr e c e n td e c a d e s t h i sw e t l a n dt r e a t m e n t p r o c e s s h a sb e e n i n t e r n a t i o n a li n t e r e s t e da n da p p l i e dd u et oi t sl o wo p e r a t i o n a la n dm a i n t e n a n c ec o s t sa n d h i g hr e m o v a lc a p a c i t yf o rn o r m a lw a t e rp o l l u t i o nc o n t r 0 1 t h ep r e s e n tr e s e a r c hw a s c a r d e do na p p l y i n gc o n s t r u c t e dw e t l a n dt ot r e a t m e n ta q u a c u l t u r ew a s t e w a t e ra n ds t u d yo n t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es u b s t r a t ee n z y m a t i ca c t i v i t i e sa n dp u r i f i c a t i o no fa q u a c u l t u r e w a s t e w a t e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dm a i nr e s u l t sa r es u r n m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ：t h ee f f i c i e n c i e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n df o rp u r i f y i n gt h ef i s hc u l t i v a t i n gp o n d e f f l u e n tw e r ee v a l u a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h e6 0 0 m m dh y d r a u l i cl o a d i n gi n 4 1 0m o n t h ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft s s ，c o di s8 5 8 a n d6 2 1 ；t h ea v e r a g e c o d t s sc o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n ti s4 7m g la n d9 0 m g l ；t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f n h 4 + 一n ，n 0 2 。一n ，n 0 3 一n ，t ni s3 9 6 ，6 9 o ，2 2 o a n d4 0 1 ，r e s p e c t i v e l y ；t h e a v e r a g en h 4 + 一n ，n 0 2 。一n ，n 0 3 。一n ，t nc o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n ti s0 3 8 m g l ，0 0 1 3 m g l ，0 0 6 1m g l a n d1 5 2m g l ，r e s p e c t i v e l y ；t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft p i s4 3 5 ， t h ea v e r a g et pc o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n ti s0 2 3m g l ；t s s ，c o d ，n h 4 + - na n dt p c o n c e n t r a t i o no fo u t l e tf r o mc o n s t r u c t e dw e t l a n dc o u l dm e e tt h es t a n d a r do fn a t i o n a l f i s h e r yw a t e rq u a l i t y t h er e m o v a lr a t eo ft s sh a sn os i g n i f i c a n tc h a n g ea f t e rp l a n t h a r v e s t e d e f f e c t so fa e r a t i o no na q u a c u l t u r ew a s t e w a t e rr e m o v a lo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s w e r es t u d i e d t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + 一n ，n 0 2 一n ，c o di n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya f t e r a e r a t i o n ，a n dt h ea e r a t i o nc o u l di m p r o v eo u t l e tw a t e rq u a l i t y , w h i c hi sag o o dm e a s u r ef o r i m p r o v ep u r i f y i n gt h ef i s hc u l t i v a t i n gp o n de f f l u e n t 2 ：t h es u b s t r a t ee n z y m ea c t i v i t i e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es u b s t r a t ee n z y m eo fp h o s p h a t a s e ，u r e a s e ，p r o t e i n a s e ，d e h y d r o g e n a sa n d a c e l l u l a s e r a n g e d 9 2 1 4 3 m g 1 0 0 9 ，0 9 8 2 0 6 m g l o o g ，2 9 9 5 6 1 m g 1 0 0 9 ， 1 4 2 1 - 2 8 0 4 u l 1 0 0 9a n d8 5 1 5 4 m g 1 0 0 9 ，r e s p e c t i v e l y ；t h ep l a n th a r v e s t i n gh a sac e r t a i n e f f e c to np h o s p h a t a s e ，u r e a s e ，d e h y d r o g e n a s ，p r o t e i n a s ea c t i v i t i e so fs u b s t r a t e ，b u tt h e s u b s t r a t ea c e l l u l a s ea c t i v i t i e sh a v en os i g n i f i c a n tc h a n g ea f t e rp l a n th a r v e s t i n g ；t h e 人工澎地基质酶殿其活性与净化养殖废水效果相关性研究 p h o s p h a t a s e ，u r e a s e ，d e h y d r o g e n a sa n da c e l l u l a s ea c t i v i t i e so fs u b s t r a t ei n c r e a s e da f t e r a e r a t i o n ，t h ep r o t e i n a s eh a sn os i g n i f i c a n tc h a n g ea f t e ra e r a t i o n ；e n z y m a t i ca c t i v i t i e si n t h eu p p e r , m e d i u ml e v e lo fs u b s t r a t ew a sh i 曲e rt h a nt h el o w e rl e v e lo fs u b s t r a t e ，u p p e r a n dm e d i u ml e v e lo fs u b s t r a t ei st h em o s te f f e c t i v ep u r i f i c a t i o ns p a c e ；t h ee n z y m e a c t i v i t y i nr o o tz o n ew e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s ei nn o n r o o tz o n e d i f f e r e n c ei ne n z y m e a c t i v i t ye x i s t e db e t w e e np l a n ts p e c i e s 3t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es u b s t r a t ee n z y m a t i ca c t i v i t i e sa n dp u r i f i c a t i o no f a q u a c u l t u r ew a s t e w a t e ri nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dw e r es t u d i e d t h e r ew a ss i g n i f i c a n t p o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e na c t i v i t i e so fp h o s p h a t a s ei nt h es u b s t r a t ea n dr e m o v a lr a t eo f t p ；t h e r ew a sc e r t a i np o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e na c t i v i t i e so fu r e a s ei nt h es u b s t r a t ea n d r e m o v a lr a t eo ft n 、n 0 2 - n ，p a r t i c u l a r l y , r e m o v a lr a t eo ft ns h o w e ds i g n i f i c a n tp o s i t i v e c o r r e l a t i o n ；t h e r ew a sc e r t a i np o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e na c t i v i t i e so fd e h y d r o g e n a si n t h es u b s t r a t ea n dr e m o v a lr a t eo fc o d 、t p , p a r t i c u l a r l y , r e m o v a lr a t eo fc o ds h o w e d s i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o n 。i ng e n e r a l 。越lt h e s ec o n c l u s i o nw i l lg i v er e f e r e n c et o f u t u r er e s e a r c h e so nu t i l i z i n gs u b s t r a t ee n z y m a t i ca c t i v i t i e sa se v a l u a t i n gp u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c ya n dc h o o s i n gi d e a lw e t l a n dp l a n ts p e c i e s k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ；p u r i f y i n ge f f e c t s ；p o n da q u a c u l t u r ew a s t e w a t e r ； e n z y m ea c t i v i t i e so ft h es u b s t r a t e v 人工漱地基质酶及其活性l j 净化养殖废水效果相关性研究 缩略表 c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d s ) ： t n ( t o t a ln i t r o g e n ) t p ( t o t a lp h o s p h o r u s ) t s s ( t o t a ls u s p e n d e ds o l i d ) n h 4 + - n ( a m m o n i an i t r o g e n ) d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) i p ( i n o r g a n i cp h o s p h o r u s ) 化学耗氧量 总氮 总磷 总悬浮物 氨态氮 溶解氧 无机磷 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 毛如需保密，解密时间年月墨 是否保密 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 面使用过的材料，指导教炜对此进行了审定。与我一囔工作的羼志对本研究所做螅任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名： 曾铆色时阍：夕蜡年月夕日 学位论文使用授权书 本人完金了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的翠制本和电子版本；学校有权保存提交论文的帮制版和电子版， 并提供秘录检索和阕览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司将本入 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用子本授权书。 一 学位论文作者签名： 冒功留 导师签名孑笔i 签名日期：v o g 年占月r 日签名日期：1 p 莎年否月f 日 注：请将本表赢绥装汀在学位论文的靡页和舀录之间 人t 湿地基质酶及萁活性与净化养殖废水效果相关性研究 第一章文献综述及课题提出 池塘养殖在我国具有悠久历史，旱在公元前1 1 0 0 多年前，我国就开始了池塘养 殖。世界上最早见之于文字的养鱼著作范蠡养鱼经，著于公元前4 6 0 年左右， 距今已有2 4 多年的历史。叛中圆成立后的半个世纪，渔业进入了一个薪的发展时 期。特别是1 9 7 8 年以来，中国实行改革开放政策以来，根据中国国情和渔业资源变 化情况，我国政府适时地确立了“以养殖为主”的渔业发展方针，激发了广大渔( 农) 民发展渔业生产的积极性和创造性。中国渔业，尤其水产养殖业获得了迅猛发展。 2 0 0 1 年养殖产量达至u 2 7 2 6 万吨，比1 9 7 8 年增长了1 6 倍。2 0 多年来，中国丰富的内陆 水域、浅海滩涂和低洼宣渔荒地得到了有效的开发利用，养殖领域从沿海地区和长 江、珠江流域传统养殖区扩展到全国各地。养殖品种向多品种、优质化方向发展， 海永养疆由单一的藻类养殖向虾类、贝类、鱼类和海珍品养殖逐步延伸，淡水养殖 品种也从传统的“四大家鱼”发展到鱼虾贝类多种名特优新产品。养殖方式也呈现多 样化发展趋势，设施渔业、深水阏箱养殖等褥到较快发展。据统计，到2 1 年中国 水产养殖面积已达至u 6 6 5 万顷，h 5 1 9 7 8 年增长了l 倍多；淡水养殖单产水平达2 8 2 9 公 斤，公顷，是1 9 7 8 年的l o 倍；海水养殖单产水平也有了较大幅度提高，达至1 j 8 7 9 6 公斤 公顷；养殖产量占水产黼总产量的比重从2 9 升至6 2 。 从1 9 7 9 年开始我国对水产品流通体制进行改革，渔业成为最早引入市场机制的 产业。渔业在农业经济中的地位不断上升，渔业产值占大农业总产值的比重由1 9 7 8 年的1 6 提高至n j 2 0 0 1 年1 2 ，大批渔( 农) 民通过发展养殖生产摆脱了贫困，率先走上 致富奔小康的道路。2 0 0 1 年中国渔民入均纯收入达至i 1 4 9 8 7 元，较1 9 7 8 年的9 3 元增加 了近5 3 倍。从事渔业的劳动力由1 9 7 9 年的3 0 7 万人增加到2 0 0 1 年的1 3 7 4 万人，净增 1 0 6 7 万人；其中绝大多数从事水产养殖业，为中国农村劳动力的就业开辟了新的空 间。 然瓶，随着水产养殖规模化、集约化程度越来越高，水产养殖的过程中污染已 成为制约养殖健康发展的关键。因此，水产养殖废水的处理和回用逐渐受到人们的 关注( 陈宪春等，1 9 9 2 ；李正明等，1 9 9 4 ；韩家波等，1 9 9 9 ；陈荷生等，2 0 0 0 ) 。近 年来，水产养殖处理技术的理论研究和实际应用都有很大的进展，其新工艺、新技 术、新方法和新材料不断出现。主要有机械过滤、臭氧、电化学、活性污泥、生物 膜法和投加高效微生物菌剂等，这些处理方法和新技术对污水虽有一定的处理效果， 但在满足今后各国将采将养殖废水的综合利用与无害化排放要求存在着缺点和不 足。毽此，积极创造新技术、寻求防治水污染的新模式就显得日益紧迫，人工湿地 正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有效的生态工程污水处理技术。其特点是 污染物去除率高、出水水质好具有较强的氮，磷去除能力运行维护管理方便，投资 华中农业大学2 0 0 8 届硕七学位论文 及运行费用低改善环境，美化环境，促进旅游业发展，特别是在养殖废水的综合利 用与无害化排放上具有很大优势。 1 1 人工湿地及分类 1 1 1 人工湿地概念 人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统类似自然沼泽地，但由人工建造和监 督控制，是一种人为地将石，砂，土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基 质，并有选择性地植入植物的污水处理生态系统。它利用自然生态系统中的物理、 化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化( v e r h o e v e ne ta l ，1 9 9 9 ；d i e r b e r ge t a l ，2 0 0 2 ) 。人工湿地按污水在湿地床流动的方式不同可分为表面流湿地，潜流湿 地和垂直流湿地( 吴晓磊，1 9 9 5 ) 。 人工湿地处理系统的提出开始于2 0 世纪7 0 年代。第一个完整的人工湿地实验始 于1 9 7 4 年西德的o t h f r e n s e n 湿地，当时用于处理2 7 0 0 人的生活污水。1 9 7 7 年德国 k i c k u t h 学者提出了根区理论( r o o t z o n et h e o r y ) ，该理论认为生长在湿地中的挺水植 物通过叶吸收和茎杆的运输作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物的根部表 面组织扩散。这样使根系周围的微环境依次呈现好氧、厌氧和缺氧( a a o ) 状态，十 分利于污水的硝化和反硝化作用以及微生物对磷的过量积累作用，最后通过湿地基 质的定期更换和湿地植物定期收割将污染物从系统中去除口，该理论的提出掀起了 人工湿地研究和应用的热潮，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处技术 正式进入水污染处理领域。f 1 1 7 0 年代以来，湿地系统发展迅速，8 0 年代末和9 0 年代 初，美国和英国相继召开了人工湿地研讨会，提出了人工湿地的有关机理和一些可 供参考的设计规范和数据。到现在为止，人工湿地污水处理技术的发展己经历了三 个主要阶段( 岳春雷等，2 0 0 4 ) ( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代以前的人工湿地处理系统大都利 用原有的天然湿地进行一些改造，而且常将湿地系统与氧化塘处理结合起来，以提 高氧化塘系统的处理效果。美国、澳大利亚、新西兰、荷兰、丹麦、英国和日本等 都曾进行过这方面的尝试。这种城镇污水聚集区应该算作第一代人工湿地。( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代，人工湿地发展到由人工建造的、以不同粒径的砾石为填料基质，种植 湿生植物的处理系统，这是第二代人工湿地。从此，人工湿地开始进入了规模性的 应用阶段，世界上许多国家建立了净化各种类型污水的人工湿地，我国的白泥坑、 昌平芦苇湿地处理系统也属于这一类。( 3 ) 至l j 2 0 世纪9 0 年代后期，在欧盟( 1 9 9 6 1 9 9 9 ) 项目资助下，中国与欧洲同行合作，在世界各国人工湿地研究的基础上，研制成功 的新型人工湿地复合垂直流、间歇供水、地面无积水、处理能力更强的人工湿地。 至此第三代人工湿地诞生。这种新型人工湿地在净化污水的同时还可与园林绿化结 合，产生生态和经济效益，符合物质循环使用、能量节约的原则，比国际上运行的 2 人i m 地拄质酶其活性净化养m 废水效目相关性日f 咒 一般人工湿地具有更好的净化效果，更高的水力负荷，处理同样水量占地面积更少， 对中国人多地少的国情更适合。 我国应用人工湿地处理污水则始于8 0 年代，1 9 8 7 年天津市环保所建成我国第一 个占地6 h m 3 、处理规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程，其处理对象为生活污水( 唐运 平等，1 9 9 2 ) ，国家环保局华南环保所1 9 9 0 年在深圳建立了白泥坑人工湿地示范工 程，用以处理城市生活污水( 丁廷华等，1 9 9 3 ) ，深圳环境科学研究所建立了洪湖 人工湿地系统及观澜高尔夫球场生活污水处理人工湿地( 贺锋等，1 9 9 9 ) 等。另外 人工湿地现已被国内外广泛应用于处理生活污水( s o l a n oe ta i ，2 0 0 4 ) ，养殖场废 水( l e e e ta l ，2 0 0 4 ) 、造纸厂废水( 王庆九等，2 0 0 3 ) 等。同时人工湿地应用于处 理养殖废水和回收技术正也迅速发展起来( b r i xe ta l ，1 9 9 9 ) 。 1 12 人工湿地类型 表面流人工湿地( 简称f w s ) ，又称自由表面流( f r e e w a t e rs u r f a c e ) 。其基本特 征为污水在基质表面漫流，水面暴露于空气中这种人工湿地在美国采用较多。表面 流湿地通常由一个或者几个池体或渠道组成，池体或渠道问设隔墙分隔，有时底部 亦铺设防水材料( 如h d p e 膜等) 以防止污水下渗，保护地下水。池中一般填有土壤、 沙或者其它合适介质材料供水生植物固定根系。表面流水位较浅( 一般0l m06 m ) ， 水流缓慢，通常以水平流的流态流经各个处理单元。表面流人工湿地设计简单，投 资少，因此适合于农村地区污水处理。但是湿地负荷过小，占地面积大；水面暴露 冬季易结冰，夏季易孳生蚊蝇并散发臭气，卫生条件较差，现在设计中较少采用。 图】1 表面流人t 湿地示意幽( k a d l e ca n dk n i g h t1 9 9 6 ) f i g l1d i a g r a mo fs t r u c t u r e o fs u r f a c e f l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d ( k a d l e ca n dk n i g h t l 9 9 6 ) 潜流型人工湿地( 简称s f s ) 。其特征为污水没有暴露在空气表面，污水顺着填 料表面下流，这种湿地在在欧洲得到了普遍的应用。潜流湿地同样由一个或者几个 池体或渠道组成，池体或渠道间设隔墙，底部铺设防水材料以防止污水下渗。池中 华中农业大学2 0 0 8 目硕士学位论文 往往填有大量的碎石、卵石、砂或者土壤等多孔介质材料。基质表面栽种植物。污 水在介质阃渗流，水面低于介质表面，因此呈潜流状态。由于水流在湿地内部流动 而不暴露在空气中，因此不会孳生蚊蝇，而且臭气控制也比表面流湿地要好得多。 污水在基质孔隙间流动时可以充分接触基质颗粒表面，因此其吸附及离子交换能力 远远高于表面流。同时，细小的基质颗粒提供了大量的表面供微生物附着，潜流湿 地内部微生物非常丰富，因此负荷较大，占地面积小，处理污水效率高，但投资要 比表面流人工湿地高。 p r t 图12 潜流型人丁湿地示意幽( k n d l c ca n dk n i g h t 9 9 6 ) f i g l2 d i a g r a m o fs t r l l c t u r eo fs u b s u f f a c e - f l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d ( k n d l e ca n dk n i g h t ，1 9 9 6 ) 垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d s t 缩写为v f w ) ：垂直流湿地是在水平流湿地 之后发展起来，由于其系统内部充氧更充分，有利于好氧细菌的生长和硝化反应的 进行，因此对氮、磷的去除率有t * t t 大的提高，垂直流人工湿地又可分为下行流人 工湿地( d o w nf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ) 和上行流人工湿地( u pf l o wc o n s t r u c t e d w e t l a n d ) 两类。其中常见的是下型流人工湿地，污水在填料中基本呈由上向下，水 流经床体后被铺设在出水端底部的集水管收集而排出处理系统。上型流人工湿地则 与之相反，污水从湿地底部流入，从顶端流出。由于垂直流湿地可方便的通过工程 手段改善系统供氧状况，提高系统布水均匀性，强化污水处理效果，已越来越受到 人们的重视( h a t e r e ta l ，1 9 9 7 ) ，并开始工程推广。 人t 湿地基质酶及其活性与净化养殖废水效果相关性研究 l 雠r v i 辱u p i 辨蓑l ll 畦d 产l 拳拳器v t 瓢薏l e 硼o u t t ? l # e l t ) 图1 3 表面流人工湿地示意图( k a d l e ca n dk n i g h t ，1 9 9 6 ) f i 9 1 3 d i a g r a m o fs t r u c t u r eo f v e r t i c a lc o n s t r u c t e d w e t l a n d ( k a d l e ca n d k n i g h t ，1 9 9 6 ) 目前在实际应用中，水平流型湿地仍然占主要地位。根据美国环保局( 1 9 9 3 ) 对1 5 0 多个用于处理城市污水和工业废水的构建湿地调查，大部分是采用潜流式系 统，其它国家也有内似结论。在这些潜流构建湿地系统中，绝大部分是水平流构建 湿地，垂直流构建湿地所占比例很小。垂直流人工湿地由于具有高的净化效率和相 对较小的土地需求等优点而变得越来越普遍( p l a t z e re ta l ，1 9 9 7 ) 。 1 2 人工湿地组成 1 2 1 人工湿地植物 在人工湿地污水处理系统中，水生植物是人工湿地处理系统的重要有机组成部 分，它不仅可以直接摄取污水中的营养物质( l i ne ta l ，1 9 8 3 ；s o u z ae ta l ，1 9 9 9 ； g r e e n w a ye ta l ，2 0 0 3 ) 、重金属( y ee ta l ，2 0 0 1 ) ，而且其根系的泌氧功能为微生 物分解转化有机物提供了适宜的环境条件( b r i xe ta l ，1 9 9 5 ；d u s e le ta l ，1 9 9 7 ：g e l l e r e ta l ，1 9 9 7 ；f e n n e s s ye ta l ，1 9 9 4 ) ，因此能否正确地选择合适的植物将会直接影响到 人工湿地的净化效能。鲁敏等( 2 0 0 4 ) 研究了香蒲、美人蕉、灯芯草、芦苇、菖蒲、 茭白和黄花鸢尾这7 种武汉地区常见湿地植物对生活污水的处理效果，分别实验停 留时间为1 天，3 天和7 天时的处理效果。研究表明停留时间选择1d 时，出水中 的t n 和t p 浓度基本上已达到污水综合排放的标准( g b8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) ，其中香 蒲、美人蕉、黄花鸢尾、茭白和菖蒲的处理效果相对较好。 目前，全球发现的湿地高等植物多达6 7 0 0 余种，而已被用于处理湿地且产生效 果的不过几十种，很多植物还从未试用过( k a d l e ee ta l ，1 9 9 6 ) 。现在国际上公认 的湿地淡水水生植物优势品种有宽叶香蒲、芦苇、苦草、软水草和狐尾藻( g o p a le t a l ，1 9 9 3 ；g r a c ee ta l ，1 9 8 1 ；g r a c ee ta l ，1 9 9 8 ) 。总体说来，人们在选择湿地植 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 物时一般从以下几方面考虑：适合试验地区气候土壤环境条件的乡土植物；根系发 达，生物量较大，一般为多年生，茎叶繁茂；抗病虫害的能力强；耐污能力和抗寒 能力强；具有一定经济价值( 李寒娥等，2 0 0 4 ) 。 1 2 2 人工湿地基质 目前广泛应用的人工湿地主要由沙粒、沙土、土壤、石块为基质，这些基质一 方面为微生物的生长提供稳定依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质。 当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径( 如吸收、吸附、滤过、 离子交换、络合反应等) 来净化除去污水中的氮、磷等营养物质( 梁威等，2 0 0 0 ) 。 在以前人工湿地的基质的选择上，人们更多的考虑的是材料在当地的可得性及颗粒 的大小( 以防止堵塞) ，而忽视了不同的基质在对氮、磷的去除效果上有很大的不 同。例如：若土壤中含有较多的铁、铝氧化物，则有利于生成溶解度很低的磷酸铁 或磷酸铝，增强土壤的去磷能力；若以砾石为填料的湿地，砾石中的钙可以生成不 溶性磷酸钙而发生沉淀( g r e e n w a ye ta l ，1 9 9 9 ) 。因此，如何选择合适的基质类型 对提高磷的去除显得十分重要。袁东海等( 2 0 0 5 ) 通过对7 种人工湿地基质为研究对 象，考察了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7 种人工湿地基质 净化磷素污染效果和影响因素，结果表明对磷素的净化能力依次为矿渣 粉煤灰 蛭 石 表土 下蜀黄土 沸石 砂子，模拟污水磷素净化实验也证实矿渣、粉煤灰、蛭石 净化磷素污染效果较好，表土和下蜀黄土次之，沸石和砂子净化磷素污染效果较差。 由于矿渣和粉煤灰等钙素含量较高的碱性基质，所以影响磷素吸附净化效果的主要 因素是基质钙的含量，在碱性条件下，基质钙的含量越高，其吸附的磷素越多，净 化磷素污染的效果越好。在砂子、沸石、下蜀黄土、黄褐土和蛭石等活性胶体中， 影响其磷素吸附净化效果的主导因素是其胶体氧化铁的含量，胶体氧化铁能促进基 质吸附磷素效应，提高磷素净化能力。基质磷素饱和吸附后的磷素释放实验也表明： 除砂子基质磷素释放比例较高以外，其它基质磷释放的比例很低，因此加强人工湿 地基质的管理，一般是不会对水体环境造成二次污染。还有研究表明，不同的两种 基质可以发生协同作用，在对沸石、沸石石灰石、石灰石3 种填料对人工湿地的净化 能力考察中发现：( 1 ) 沸石和石灰石混合使用，不会降低沸石吸附氨氮的能力( 2 ) 沸石 可促使难溶性p 的释放，使得石灰石吸附p 被植物和微生物吸收利用( 3 ) 沸石和石灰石 发生协同作用，对总氮、总磷的去除效果均好于其单独使用( 徐丽花等，2 0 0 2 ) 。 1 2 3 人工湿地微生物和基质酶 1 2 3 1 湿地微生物 微生物对人工湿地的整个生态系统具有非常重要的意义，微生物不仅是人工湿 6 人工渝地基质酶及其活性与净化养殖废水效果相关性研究 地中的分解者，而且在自然乔的元素转化过程中扮演着非常重要的角色。其中，细 菌是湿地微生物中数量最多的一个种类，在土壤中，细菌的含量从几百万至几个亿， 达到微生物中数壁的7 0 - - 9 0 。同时，强氮细菌、纤维素分解菡、硝化细菌在污 水的转化过程中起到很大作用，它可以使复杂的含氮有机物变成能被植物和微生物 吸收的无枫氮。真菌也是有枫质降解的主要成员之一，真菌具有强大的酶系统，熊 分解纤维素、木质素、果胶等物质，并能将蛋白质分解释放氨。放线菌也是基质有 机化合物分解的参与者，它能比真菌更强烈的分解氨基酸等蛋自物质，还能形成调 节湿地微生物的动态平衡。原生动物摄食一些微生物和碎屑，起到调节微生物群落 的动态平衡和清洁水体的作用。它们共同的协作构成了互利共生的有机系统，共同 的完成着污水净化任务( 成水平等，1 9 9 8 ) 。 在人工湿地中，微生物的数量是极其丰富的。李智( 2 0 0 5 ) 等人研究发现在人 工湿地上层基质中，细菌、真菌、放线菌的平均数量分别为6 0 6 x 1 07 、4 。1 3 x 1 0 6 、 4 0 x 1 0 5 个儋干土，其中氮化细菌、硝化细菌、无机磷细菌、有机磷细菌平均数量也 分别达到t 2 。6 6 x 1 0 6 、1 6 1 x 1 0 5 、1 0 1 x 1 0 6 、1 2 2 x 1 0 5 个癯予土。这些微生物大量的 存在为水质的净化提供了可能。 微生物的数量会随着植被的不同而改变。章家恩( 2 0 0 2 ) 研究了包括尾叶桉、 广东凤丫蕨、柳时竹、大叶相思、青皮、木荷、湿地松在内的7 种南贬热带不同植物 植被下土壤根际微生物与根际养分状况及其相关关系。结果表明，土壤微生物总量 在不同撼被下总体上均表现出赞显的根际效应，即根际微生物数量要明显高于根外 土壤。但对某一类微生物( 如真菌、放线菌) 不同植被可能表现出j 下的效应也可能 表现出负的效应，即r s 值 春季 夏季，秋季分别是春季和夏季的1 8 8 倍和1 6 9 倍；( 2 ) 芽孢细菌数量活动强度 的时空分布是春季 夏季 秋季，由春季至秋季，依次减少；( 3 ) 厌气性细菌数量的时 空分布是秋季 夏季 春季，秋季分别是夏季和春季的1 2 3 倍和2 7 1 倍；( 4 ) 真菌数量 的时空分布是夏季 秋季 春季，夏季分别是秋季和春季的1 9 8 倍和3 4 5 倍。反映出土 壤微生物各类群数量变化均有明显的季节变化特性。 微生物数量在人工湿地不同土层中分布也不同，而且表现出一定的规律性，即 微生物数量随着土层的加深而减少。成水平等( 1 9 9 8 ) 对工湿地微生物的空间分布 状况作了调查，发现无论是7 月还是1 2 月，5 - 1 0 c m 处的细菌、放线菌、真菌数量l z l 2 0 c m 处的基本上大一个数量级，其平均比值为“1 ( 7 o ) ；而2 0 c m 处与3 5 c m 处的数量比 值为3 - 3 ( 1 7 ) ，即它们的平均数量在一个数量级之内，由此说明，对照湿地中的微 生物主要集中在表层下，至1 1 2 0 c m 深处则急剧下降。曾思齐( 1 9 9 8 ) 对湘东丘陵区次 生林下土壤o - 2 0c m 、2 0 4 0 c m 、4 0 6 0 c m 、6 0 8 0c m 土层的微生物数量进行分析， 结果表明土壤微生物主要分布在0 2 0c m 的土层，随着土层加深，微生物数量迅速减 少，呈现自上而下逐渐减少的趋势。 现已研究表明，人工湿地中微生物的