（农业资源利用专业论文）人工湿地对污水净化效果的研究.pdf

中文摘要 本文通过室内小型人工湿地装置，研究了根表富集铁膜的植物系统在两种磷 进水浓度条件下对磷去除效率的影响，并通过研究铁膜上磷含量、植株根系和地 上部吸磷等，阐明根表铁膜在污水磷去除中的主要机制。同时，选取浙江省安吉 县皈山乡一个人工湿地，分为4 个季节对湿地中的基质酶活性和水质进行监测， 研究人工湿地基质酶活性的季节性变化规律和酶活性与污染物去除率的相关性， 为进一步研究人工湿地净化污水的机制提供依据。主要结论如下： 1 研究结果表明，在整个运行过程中，根表富集铁膜的植物系统和无铁膜 系统对低磷浓度进水的磷平均去除效率分别为8 5 和5 5 ，对高磷浓度进水的 磷前1 2 日内去除效率分别为7 6 和1 7 1 ，富集铁膜的植物系统对磷的去除效 率高于无铁膜系统。运行结束后铁膜上磷含量均比运行前铁膜上磷含量要少，低 磷、高磷浓度进水铁膜上磷含量沿水流方向上依次减少了5 1 、5 5 和2 3 、2 7 。 同时低磷和高磷浓度迸水的植物根系磷累积量和地上部磷累积量运行结束后均 比运行前要多，沿水流方向上根系磷累积量依次增加了3 1 、1 6 和2 8 、2 5 ， 地上部磷累积量依次增加了6 5 、6 5 和7 3 、7 3 。根表铁膜上的磷含量提高 了植物根系磷累积量和植物地上部的磷累积量，这表明可以利用富集铁膜的植物 系统来提高湿地植物对磷的吸收效率和污水中磷的去除效率。 2 2 0 0 7 年7 月2 0 0 8 年2 月通过对皈山乡人工湿地监测点的4 次监测，对 农村生活污水处理效果和基质酶活性进行分析。结果表明：人工湿地中脲酶活性 和磷酸酶活性大小随季节变化下降。过氧化氢酶活性下降与季节关系不大。人工 湿地监测点对c o d c ，、t p 、t n 平均去除效率分别为6 8 9 2 ，7 1 9 1 和 6 8 8 3 。分析发现人工湿地基质磷酸酶活性与污水中t p 的去除率呈现正相 关；过氧化氢酶活性与污水中c o d c r 的去除率相关性显著。这意味着分别利用 磷酸酶、过氧化氢酶活性大小可以作为评价人工湿地去除污水中t p 、c o d c r 效 果的指标。 关键词：人工湿地：季节分布；去除效率；相关性：铁膜：磷去除；植物磷吸收 a b s t r a c t t w ol a b s c a l ew e t l a n ds y s t e m sw i t h a n dw i t h o u ti r o np l a q u eo np l a n tr o o t s ( t y p h a a n g u s t i f o l i a ) w e r es e t u pt oi n v e s t i g a t epr e m o v a le f f i c i e n c yw i t ht w ol e v e l so fp i ni n f l o wa sw e l l a st h ei n f l u e n c eo fpu p t a k eb yi r o np l a q u eo nt h epc o n t e n ti nt h ep l a n tr o o t sa n ds h o o t s a c o n s t r u c t e dw e t l a n d sl o c a t e di na n j ic o u n t y , z h e ji a n gp r o v i n c ew a sm o n i t o r e dt oo b s e r v et h e p o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c ya n de n z y m ea c t i v i t yd u r i n gf o u rs e a s o n s t h ee n z y m ea c t i v i t yv a r y w i t ht h es e a s o na n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t hp o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e d t h e r e s e a r c ho f f e r e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o ru s i n ge n z y m ea c t i v i t ya se v a l u a t i o ni n d e xo fp u r i f i c a t i o n m e c h a n i s m t h er e s u l t so b t a i n e dw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h em e a nr e m o v a le f f i c i e n c i e so ft pi nt h es y s t e m sw i t ha n dw i t h o u ti r o np l a q u ew e r e 8 5 a n d5 5 ，r e s p e c t i v e l y , w i t hl o wl e v e lo fpi n f l o w , 7 6 a n d1 ，71 ，r e s p e c t i v e l y , d u r i n gt h e f i r s t12d a y so fa p p l i c a t i o nw i t hn o r m a ll e v e lo fpi n f l o w t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fpi nt h e s y s t e mw i t h i r o np l a q u ew a sh i g h e rt h a nt h es y s t e mw i t h o u ti r o np l a q u e w h e ne x p e r i m e n t f i n i s h e d ，t h ea m o u n to fpa d s o r b e do nt h ei r o np l a q u ew a sl o w e rt h a nt h ea m o u n t o ft h eb e g i n n i n g s t a g e t h ed e c r e m e n to fpa d s o r b e do nt h ei r o np l a q u ew a s51 、5 5 a n d2 3 、2 7 i n t h e d i r e c t i o no fw a t e rf l o ww h e nt h ei n f l o ww a st r e a t e dw i t hl o wa n dn o r m a ll e v e lo fps e p a r a t e l y s i m u l t a n e o u s l y , t h ea m o u n to f pc u m u l a t e di nt h ep l a n tr o o t sa n ds h o o t sw a sm o r et h a nt h a to ft h e b e g i n n i n gs t a g e ，a n di n c r e a s e d3 1 、1 6 a n d2 8 、2 5 l i k e w i s e ，a n dt h el e v e lo f p i np l a n tr o o t s i n c r e a s e d6 5 、6 5 a n d7 3 、7 3 w h e nt r e a t e dw i t hl o wa n dn o r m a ll e v e lo fpi n f l o w t h e a m o u n to fpa b s o r b e do nt h ei r o np l a q u ea c c e l e r a t e dpu p t a k ei nt h ep l a n tr o o t sa n ds h o o t s t h e r e s u l t ss u g g e s t e dt h a tw ec o u l du s ei r o np l a q u eo nt h ep l a n tr o o t st oe n h a n c epu p t a k ee f f i c i e n c y b yt h ep l a n t sa n dpr e m o v a le f f i c i e n c yi nt h ew a s t e w a t e r 2 t oe v a l u a t ep o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c ya n dd y n a m i cf e a t u r eo fe n z y m ea c t i v i t yi na c o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi na n jic o u n t y , z h e ji a n gp r o v i n c e ，w a t e rs a m p l e sa n ds o i ls a m p l e s c o l l e c t e df r o mj u l y 2 0 0 7t of e b r u a r y 2 0 0 8w e r ea n a l y z e d u r e a s ea c t i v i t ya n dp h o s p h a t a s e a c t i v i t yd e c r e a s e d ，c a t a l a s ea c t i v i t yd i dn o tc h a n g ew i t hs e a s o n s ，t h em e a nr e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d c r , t p , i nw e r e6 8 9 2 ，7 1 9 1 a n d6 8 8 3 ，r e s p e c t i v e l y t h ea c t i v i t yo f p h o s p h a t a s ea n dc a t a l a s ei ns u b s t r a t ei sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e d t ot h er e m o v a lr a t e so ft pa n d c o d c r , r e s p e c t i v e l y i tm e a n st h a tw ec o u l ds e p a r a t e l yu s ep h o s p h a t a s ea n dc a t a l a s ea c t i v i t yt o e v a l u a t et h ee f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d k e yw o r d ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；s e a s o n a ld i s t r i b u t i o n ；r e m o v a le f f i c i e n c y ；c o r r e l a t i v i t y ；i r o n p l a q u e ；p h o s p h o r o u sr e m o v a l ；w e t l a n dp l a n t s 硕士学位论文 1 1 人工湿地概述 1 1 1 人工湿地的由来 第一章文献综述 湿地是水域和陆地相交错而成的一类独特的生态系统类型，是自然界最富生 物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一( p e r f l e re ta l ，1 9 9 9 ) 。经常被 使用的1 9 7 1 年湿地公约对湿地基本概念的定义：湿地是腐泥沼泽、泥炭地 或水体区域，不论是天然的还是人工的、永久的还是暂时的；水体不管是停滞的 还是流动的，淡水、半咸水还是咸水，包括那些深度在低潮位不超过6 米的海水 区。湿地具有多种生态功能，不仅能为人类社会提供了丰厚的社会和经济效益， 在调节气候、涵养水源、降解污染、净化环境、维持生态平衡、保护植物多样性 和珍稀物种资源等方面均具有十分重要的作用( 丁东等，2 0 0 3 ；肖素荣等，2 0 0 3 ) ， 因此被誉为地球的肾脏。 人工湿地是在模拟湿地净化污水的基础上发展起来的，指利用湿地功能及特 点，并由人工监督控制，利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作 用实现废水净化的污水处理技术。最早采用人工湿地净化污水始于1 9 5 3 年德国 的m a xp l a n c k 研究所，s c i d e l 博士发现芦苇能去除大量的有机物和无机物 ( b o n o r m o 和p a s t o r e l l i ，1 9 9 7 ) 。1 9 7 7 年德国学者k i c k u t h 提出了根区理论( r z m ) ， 奠定了人工湿地废水处理的理论基础，从而推动了该技术的应用。 1 1 2 人工湿地的类型 人工湿地根据废水在湿地中的不同流动方式( 梁继东等，2 0 0 3 ) ，可以分为 三类，即潜流型人工湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s s f w ) 、表面流人工湿地 ( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) 和垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，v f w ) 。 潜流型湿地是污水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料及植物根系的生物膜 来处理污水，尤其对有机物的去除能力突出。表面流湿地是污水在填料表面漫流， 通过水面以下植物茎杆上的生物膜来完成对绝大部分有机物的净化。垂直流湿地 硕士学位论文 的污水从垂直流入人工湿地表面纵向流向填料的底部。不同类型的人工湿地对特 征污染物的去除效果不同，并具有各自的优缺点。 人工湿地根据湿地中的主要植物形式可分为( 粱继东，2 0 0 3 ) ：浮水植物系 统、挺水植物系统和沉水植物系统。目前沉水植物系统还处于试验阶段，浮水植 物系统主要用于生物氧化塘，二般所指的人1 湿地是挺水植物系统。 1 1 3 人工湿地的构成 人工湿地主要由5 部分组成：( 1 ) 具有透水性的基质；( 2 ) 好氧和厌氧微生 物；( 3 ) 适应在经常处于水饱和状态的基质中生长的水生植物；( 4 ) 无脊椎或脊 椎动物；( 5 ) 水体( 马安娜等，2 0 0 6 ) 1 2 湿地植物的概述 1 2 1 湿地植物的分类 水生维管束植物有3 3 科、1 2 4 属、1 0 0 0 余种。按生态类型，可分为湿生植物、 挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物。按生活类型，湿地植物可分为乔木、 灌木和草本( 多年生或1 年生) 。人工湿地大多利用草本植物( 尤其是挺水植物) 来 净化污水，如被普遍采用的芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 、宽叶香蒲( t y p h al a t i f o z 胁) 和灯心草( j u n o u se f f u s e s ) ( h a b e r le ta l ，1 9 9 5 ；b a n k s t o n ，2 0 0 2 ) 等。按功能类 型，湿地植物又可分为c 3 植物和c 4 植物。绝大多数的人工湿地植物为c 3 植物， 仅少数为c 4 植物，如香根草( v e t i v e r i az i z a n i o i d e s ) ( 廖新佛等，2 0 0 5 ) 、纸莎草 ( c y p e r u s p a p y r u s ) 和宽叶多脉莎草( c y p e r u sl a t i f o l i u s ) ( f r a n c i s ，1 9 9 7 ) 。 1 2 2 人工湿地中植物的作用 1 2 2 1 对污染物的控制作用 植物在污水控制方面有以下优势：( 1 ) 通过光合作用为净化作用提供能量来 源；( 2 ) 具有美观可欣赏性，能改善景观生态环境；( 3 ) 可以收割回收资源； ( 4 ) 可作为介质所受污染程度的指示物；( 5 ) 能固定土壤中的水分。圈定污染 2 硕士学位论文 区，防止污染源的进一步扩散；( 6 ) 植物庞大的根系为细菌提供了多样的生境， 根区的细菌群落可降解许多种污染物：( 7 ) 还能输送氧气至根区，有利于微生 物的好氧呼吸( s h i m pe la l ，1 9 9 3 ) 。 在人工湿地净化污水过程中，植物作用可以归纳为三个重要的方面：( 1 ) 直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和一些有毒有害物 质：( 2 ) 为根区好氧微生物输送氧气；( 3 ) 增强和维持介质的水力传输( 成水 平等，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 2 吸附和富集作用 植物根系能从污水中吸收营养物质加以利用、吸附和富集重金属及一些有毒 有害物质。进行城镇污水处理试验中发现，种植水烛( t y p h aa n g u s t i f o l i a ) 和灯心 草( j u n c u se f f u s e s ) 的人工湿地基质中氮、磷的含量分别比无植物的对照基质中的 含量低1 8 2 8 和2 0 3 1 ( 成水平等，1 9 9 8 ) ，可见水烛和灯心草吸收利用了 污水中部分的氮和磷物质。e l l i s 等( 1 9 9 4 ) 的研究结果表明湿地中宽叶香蒲( t y p h a 肠，的，f 口) 和黑三棱( s p a r g a n i u m s p ) 是摄取同化、吸附富集高速公路径流油类、有 机物、铅和锌的较适宜植物种类。氮、磷作为植物所需的重要营养元素，通常以 多种形态存在于污水中会引起水体的富营养化，以致于降低水体水质和影响水体 功能，所以长期以来污水脱氮除磷一直是污水处理的重要任务。袁东海等( 2 0 0 4 ) 通过对照实验研究了潜流人工湿地系统对污水氮的净化效果，结果发现石菖蒲 ( a c o r u sg r a m i n e u s ) 、灯心草和蝴蝶花( 办括，口p o n i c a ) 3 个有植物系统的总氮平均去 除率为7 7 7 、7 1 2 和6 6 4 ，而无植物系统的去除率仅为5 5 8 。以上实验反 映出植物对人工湿地系统氮、磷去除具有很大的影响，有植物的系统比无植物的 系统拥有较高的去除率，而且植物的生长状况也直接影响到系统的去除效果，植 物的良好长势是对氮、磷去除的重要保证( 李林锋等，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 3 输氧作用 湿地环境对很多生物来说是一种严酷的逆境，最严酷的条件是湿地土壤缺 氧。缺氧条件下，生物不能进行正常的有氧呼吸，还原态的某些元素和有机物的 浓度可达到有毒的水平。人工湿地中植物能将光合作用产生的氧气通过气道输送 3 硕士学位论文 至根区，在植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境( f e n n e s s ye ta l ，1 9 9 4 ) 。 这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供 了各自适宜的小环境。使不同的微生物各得其所，发挥相辅相成的作用( b r i x ， 1 9 8 7 ) 。 1 2 2 4 加强和维持水力传输的作用 由于植物根和根系对介质的穿透作用，在介质中形成了许多微小的气室或间 隙，减小了介质的封闭性，增强了介质的巯松度，从而使得介质的水力传输得到 加强和维持( b r i x ，1 9 8 7 ；b e v e ne ta l ，1 9 8 2 ) 。成水平( 1 9 9 7 ) 进行的人工湿地处 理污水的试验中发现，经过3 5 个月的污水处理后，不种植物的对照土壤介质板 结，发生淤积：而种有水烛和灯心草的人工湿地渗虑性能好，污水能很快地渗人 介质。据报道，即使较板结的土壤，在2 。5 年之内，经过植物根系的穿透作用， 其水力传输能力可与砂砾、碎石相当( b e v e ne la l ，1 9 8 2 ) 。植物的生长能加快天 然土壤的水力传输程度，且当植物成熟时，根区系统的水容量增大( b r i x ，1 9 8 7 ； k i c k u t h ，1 9 7 7 ) 。即使当植物的根和根系腐烂时，剩下许多的空隙和通道，也有 利于土壤的水力传输( b r i x ，1 9 8 7 ) 。 1 3 湿地植物根表铁膜 湿生植物长期生长在淹水或渍水条件下，而淹水的土壤通常具有厌氧性、氧 分压低、氧化还原电位低等特点，由于物理、化学及生物的还原作用，土壤中各 种氧化物的溶解度不断提高，使得土壤溶液中f e 2 + 、m n 2 + 、c u 2 + 、n i 2 + 、a s ( i i i ) 等还原性物质的离子浓度急剧增加( a r m ，1 9 6 7 ) 。如果这些还原态的离 子被植物大量吸收，就会对其产生毒害作用，严重影响这些湿生植物的正常生长。 然而，长期生长于渍水土壤条件下的植物在其进化过程中获得了适应淹水环境的 保护机制，其中根表形成红棕色的铁锰氧化物膜将其根系包裹起来而减少了对还 原性物质的吸收是保护机制之一。研究发现，这些湿地植物无论是在淡水环境还 是咸水环境，根系都有形成铁胶膜的能力。铁锰氧化物膜的形成是湿地生态系统 内部反应的重要部分之一，不仅可以影响铁锰元素和其它一些重金属元素的存在 形态及其植物有效性，可能对根际有机物质的降解和微生物的多样性也有一定的 贡献。 4 硕十学位论文 1 3 1 根表铁膜的形成 已有的研究表明，长期生长在渍水条件下的植物，为了适应环境，其地上部 和根系的形态结构均发生了特殊的变化，既通气组织在湿地植物体内大量形成， 这种特殊的变化使植株可以通过叶片将大气中的氧气输送到根系，由根系将这部 分氧气和其它的氧化性物质释放到根际，使渍水土壤中大量存在的还原性物质 f e 2 + 氧化，如4 f e 2 + + 0 2 + i o h 2 0 = 4 f e ( o h ) 3 + 8 h + ，通过根系这种连续的氧化作 用所形成的铁锰氧化物可在水稻或其他湿地植物的根表及质外体沉积，呈胶膜状 态包裹在根表( c h e ne ta l ，19 8 0 ；c r o w d e re ta l ，19 9 3 ) 。 1 3 2 铁膜形成的条件 渍水土壤要形成铁膜必须具备两个条件：( 1 ) 植物生长介质中必须有充足的 铁供应；( 2 ) 处于局部氧化状态的生存环境( 刘文菊等，2 0 0 5 ) 。根周围环境的氧 化状态主要是由根系的氧化作用决定的，植物根系发生氧化作用的机制主要有两 个：一是根系释放出的氧气，另一个是根系分泌一些氧化性物质，包括一些酶类 ( 张西科等，1 9 9 5 ) 。铁是土壤中含量较为丰富的元素，土壤中铁的氧化物包括 赤铁矿( h e m a t i t e ( f e 2 0 3 ) 、磁铁矿( f e 2 0 3 ) 、针铁矿( g o e t h i m 、q f e o o h ) 、纤铁 矿( 1 e pi d o c r o c i t e ) 和水铁矿( f e r r i h y d r i t e ，f e 2 0 3 n h 2 0 ) ( 刘文菊等，2 0 0 5 ) 。 1 3 3 铁膜的组成及性质 对铁膜的组成及性质研究的较多。t a y l o r 等( 1 9 8 4 ) 的扫描电镜结果表明， 无论是室内水培试验样品还是野外采集的宽叶香蒲( t y p h al a t f o 砌) 样品，根细 胞间和细胞表面沉积的铁膜主要为无定型态的铁。以上的研究结果虽然认为铁氧 化物膜的组成存在结晶态和无定型态之分，但其共同点是都认为f e ( i i i ) 是铁膜中 的主要组分。然而有些研究认为芦苇根表铁氧化物膜中除了含f e ( 1 u ) 外，还存在 一定量的f e ( 兀) ( 约3 0 左右) ，因此铁膜不仅是由于根际氧化作用，而且在一 定程度上是由于根系表面形成了f e ( n ) 化合物，如f e ( n ) 的碳酸盐( w a n g e t 口，19 9 6 ；w a n ge la l ，19 9 9 ) 。然而h a n s e l 等( h a n s e le la l ，2 0 0 2 ；h a n s e le ta l ， 2 0 0 1 ) 利用x a f s 扫描草芦和香蒲根系的横切面，结果表明氧化物中的确有f e ( n ) 气 硕士学位论文 存在，但数量很少( 刘文菊等，2 0 0 5 ) 。x 一射线荧光显微断层图谱表明根表铁锰 氧化物胶膜主要组成为铁锰的氧化物及其水合物( b a t t y e ta l ，2 0 0 0 ) 。它有特 殊的电化学特性，属于两性胶体，因此胶膜可以通过离子之间的吸附一解吸、氧 化一还原、有机一无机的络合等作用方式改变根际环境中重金属阴、阳离子的存在 形态，从而影响这些离子的生物有效性( s t c y re ta l ，1 9 9 0 ；o t t em e t a l ，1 9 8 9 ) 。 1 3 4 铁膜的生态效应 根表铁膜是植物根系氧化活动的结果。它对植物的生长可产生促进或抑制作 用，其作用的方向和程度主要取决于膜的厚度及外界环境条件。一般认为氧化膜 可在近根的区域富集养分，这些养分可以在介质中养分缺乏时被活化吸收。植物 根表铁膜在一定程度上是一个土壤养分富集库，但此养分库的富集能力是由多种 因素决定的，如根表沉积氧化物膜的厚度、生存环境中养分元素的浓度、土壤中 铁的含量和植物自身的氧化能力等。湿地植物根表沉积的铁膜是客观存在的，作 为营养物质和污染物进入植物体内的门户，研究铁氧化物的作用机理及其形成的 调控机制有重要的经济及生态意义j 并可为正确评价养分和污染物迁移转化行为 提供合理的依据。 1 4 人工湿地中的基质 人工湿地具有透水性的基质，一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉 煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等介质的一种或者几种组成。这些基 质为微生物的生长提供稳定的依附表面，同时也为湿地植物提供载体和营养物 质，是湿地化学反应的主要界面之一。当污水流经人工湿地时，基质通过吸附、 沉淀、过滤等作用直接去除污染物。另一方面，植物根系释放到土壤中的酶等物 质也可以直接降解污染物，且降解速度非常快( 梁威等，2 0 0 2 ；吴振斌等，2 0 0 2 ) 。 美国乔治亚州a d h e n s 的e n 实验室从淡水沉积物中分离鉴定出脱卤酶、硝酸还 原酶、过氧化物酶、漆酶和氰酶等五种酶对污染物降解有重要作用，并发现这些 酶均来自植物( 李铁民等，2 0 0 3 ) 。所以，研究酶活性对人工湿地污水降解有重 要的意义。 6 硕十学位论文 1 5 人工湿地中微生物 植物根区微生物是湿地降解有机污染物的主要生力军，人工湿地中微生物的 活动是废水中有机物降解的主要机制。植物将氧气输送到根区，在根际形成氧化 环境，离根际较远的区域，氧气浓度越低，依次形成兼性区和厌氧区。大部分有 机物质被好氧微生物分解成二氧化碳和水，有机氮化物则被硝化细菌硝化。而在 湿地中的还原状态区域，则是有机物被厌氧细菌分解发酵。而金属元素，植物根 区好氧微生物的活动有利于硝化作用，可以加强湿地对重金属的吸附和富集作用 ( 旷远文等，2 0 0 4 ；s a s a k ie ta l ，2 0 0 3 ) 。另外，人工湿地系统中的光合作用、 呼吸作用、发酵作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用等都是在微生物的参与 下完成的。如微生物能将废水中的有机氮、磷等化合物分解成氨态氮和简单的磷 化合物，而被植物吸收和利用( 夏宜铮，1 9 9 3 ) 。由此可知人工湿地对污染物的 去除效果受微生物的影响比较大。 1 6 人工湿地的；争化机理 1 6 1 人工湿地中磷的去除机理 人工湿地中磷的循环和转化包括有机磷矿化、微生物和植物的吸收、基质吸 附以及与有机物结合形成泥炭等( r i c h a r d s o n ，1 9 8 5 ；r e d d y 和d a n g e l o ，1 9 9 7 ) 湿地对磷的去除途径主要是基质对磷的吸附作用及其纳磷容量( d r i z o 等，1 9 9 7 ) 。 可溶性无机磷易与f e 、a 1 、c a 和粘土矿物质发生吸附和沉淀反应而固定于土壤 中。与c a 反应主要在碱性条件下，而与f e 和a l 反应主要在酸性和中性土壤中 ( a r i a se ta l ，2 0 0 1 ) 。植物对主要吸收无机磷，将无机磷变成植物体的组成部分， 最后通过植物收割去除，植物对磷的吸收作用( 植物收获) 是磷唯一的持续性的 去除机理( l a n t z k ee ta l ，1 9 9 8 ) 。关于人工湿地去除磷的主要途径，也存在着分 歧，一般认为总磷主要是通过湿地基质的吸附沉淀去除的，植物在总磷去除中作 用较小( k a d l e ce la l ，1 9 9 6 ；t a n n e r ，1 9 9 9 ；a r i a se ta l ，2 0 0 1 ) 。 1 6 2 人工湿地中氮的去除机理 人工湿地中的氮包括有机氮和无机氮，无机氮主要以铵态氮和硝态氮的形式 7 硕士学位论文 存在，由于水中的有机氮被微生物分解后成为无机氮，因此对无机氮的去除是研 究的重点。人工湿地对氮的去除途径包括微生物的硝化和反硝化作用、植物的吸 收作用、以及氨的挥发( r e e de ta l ，1 9 9 5 ；b a c h a n da n dh o m e ，2 0 0 0 ；y a n ge la l ， 2 0 0 1 ) 。无机氮均可以被植物吸收合成植物蛋白质，最后通过植物的收割形式从 人工湿地中去除。铵态氮的去除受植物供氧的影响，植物输送氧气至根区，根区 好氧环境为硝化细菌提供了良好的环境，通过硝化反应使铵态氮氧化成硝酸盐， 再通过反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮而从水中逸出。目前，多数研究人员认 为硝化与反硝化作用是氮主要的去除途径( c o r b i t ta n db o w e n ，1 9 9 4 ；b a c h a n da n d h o m e ，2 0 0 0 ；y a n ge ta l ，2 0 0 1 ：k i ma n dg e a r y ，2 0 0 1 ) 。 1 7 立题意义 虽然人工湿地在污水处理中的作用明显，但是在植物对污水中磷去除方面的 研究机理仍不清楚。水污染情况越来越严重，特别是磷的去除方面，是污水处理 和修复的难点。人工湿地对磷的去除效率很高，研究表明基质对磷的去除是主要 途径。在植物方面，大多侧重于通过植物对磷的吸收来收割去除人工湿地污水中 的磷。而湿地植物根系能够分泌氧气，能将湿地介质中的铁离子氧化到植物根表 形成铁膜。对植株根表铁膜研究较多的在水稻等营养作物的铁膜对磷和重金属的 吸收上，而对于湿地植物根表铁膜对磷去除的作用研究不多因此，研究湿地植 物根表铁膜对磷去除的影响，以及研究铁膜对植株根系吸磷的影响，对于探明人 工湿地除磷机理、提高人工湿地除磷效率具有重要的意义。 在工程运行上，研究处理农村生活污水的潜流性人工湿地基质中脲酶、磷酸 酶、过氧化氢酶活性以及其与农村生活污水污染物净化方面的关系并不多。鉴于 此，作者拟通过室内小型人工湿地模拟试验和人工湿地处理工程的水质监测和基 质酶活性监测，探明湿地植物根表铁膜对磷去除的影响和机理，以及湿地基质酶 与农村生活污水污染物净化的关系，为进一步完善人工湿地的功能，最大效率地 发挥其作用提供基础数据。 1 8 技术路线 ( 一) 、技术路线 硕士学位论文 图i 技术路线图 9 硕士学位论文 第二章湿地植物根表铁膜在污水磷去除中的作用 人工湿地是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种污水处理方式，现己逐步推广到 各种污水的处理中，如生活污水与养殖污水处理、富营养化水体修复等。植物是 人工湿地的一个重要组成部分，它可以通过直接摄取污水中的污染物质以及通过 根表微生物等的作用去除污染物、净化水质。湿地植物的重要特征之一是根系具 有氧化能力，能够把大气中的氧高效地运输到根表，使根际形成一个具有高氧化 特性的区域。根系的泌氧功能将根系附近的f e 2 + 离子氧化成f e 3 + 并沉积在根表 面，形成明显可见的铁氧化物胶膜( 张福锁，1 9 9 8 ) 。铁氧化物胶膜普遍存在于 湿地植物根表，并影响磷的循环与转化( c o w d e re la l ，1 9 8 6 ) 。p a r f i t t 等( p a r f i t t 甜a l ，1 9 7 8 ) 和k u o ( k u o ，1 9 8 6 ) 指出，铁氧化物胶膜的物理化学特性与土壤中的 铁氧化物相同，对磷有很大的吸持能力。 目前对根表铁锰氧化物膜的研究主要集中在根表形成的氧化物膜对磷等养 分吸收的影响，研究对象也是以农作物为主。蔡妙珍等( 蔡妙珍等，2 0 0 3 ) 研究了 水稻根表铁膜对磷的富集作用以及与水稻磷吸收的关系。z h a n g 等( z h a n g e la l ， 1 9 9 8 ；z h a n ge ta l ，1 9 9 9 ) 也认为水稻根表沉积的铁膜对生长介质中的营养元素 锌和磷有富集作用。当铁膜的数量在0 2 2 4 5m g f e gr d w 范围内，随着铁膜数 量的增加，磷的吸收量呈增加的趋势。此外，氧化铁膜对重金属在土壤一野生的 湿生植被( 香蒲t y p h aa n g u s t i f o l i al ；碱勋s t e rt r i po l i u ml ) 体系中迁移的影 响也有一定研究( 刘文菊，2 0 0 5 ) 。从以上分析可见，大多数研究是针对栽培作物 如水稻根表铁锰氧化膜对养分的富集、吸收和对重金属污染的控制问题( 刘文菊， 2 0 0 5 ) ，鲜有湿地植物根表铁膜与水体中磷去除关系的研究。 随着我国工业化和城镇化进程的加快，水体污染情况越来越严重，特别是磷 的去除，是污染水体修复、污水处理中的难点。人工湿地对污水中磷的去除效率 较高，何江涛等( 何江涛等，2 0 0 1 ) 报道人工湿地对磷的去除效率可达4 0 6 0 。 崔理华等( 崔理华等，2 0 0 2 ) 研究表明基质对磷的吸附沉淀作用是人工湿地除磷的 主要途径，通过收割植物去除的磷仅占很少的一部分( b r i x ，1 9 9 4 ：b r i x ，1 9 9 7 ) 。 尽管如此，栽种植物的人工湿地比无植物的人工湿地具有更高的磷去除效率。人 工湿地植物根表具有氧化铁膜，而这种铁膜与磷会发生化学作用，并影响到磷的 1 0 硕七学位论文 吸收，那么，植物在人工湿地除磷过程中，其根表铁膜是是否起到了重要作用? 对这一问题目前尚无系统的研究报道。因此，本文作者拟就湿地植物根表铁膜对 磷去除的影响，以及铁膜对植株根系吸磷的影响进行探索性研究，以期探明人工 湿地植物除磷机理，为提高人工湿地除磷效率提供理论基础。 2 1 材料与方法 2 1 1 供试植物 供试植物采用湿地植物香蒲( t y p h aa n g u s t i f o l i a ) ，为实生苗，购于浙江中 竹园艺贸易有限公司。在苗采购时，挑选植株大小、活力相似，株高8 0c m 左右 的植株用于本研究。 2 1 2 供试污水 为保持进水氮、磷、微量元素等浓度在不同运行时间内的一致性，以提高 试验精度，本试验所用污水为人工配置。人工污水p h 调节为7 7 5 。污水主要 成分为氮、磷及微量元素，其中磷由k h 2 p 0 4 提供( 吉田昌一等，1 9 7 5 ) 。进水磷 浓度设两个处理水平：高磷浓度为4m g l ，低磷浓度为o 4m g l 。2 0 0 7 年7 月 l o 号系统开始运行，到2 0 0 7 年8 月11 号停止运行，共运行3 2 天，系统为连续 进水和出水，水力负荷为6 0l d ，水力停留时间为6 天。 2 1 3 试验装置 人工湿地试验装置共有4 套，分为2 组。装置如图1 所示，处理区沿水流 方向分为a 、b 两个区。装置由p v c 板制成。处理区长1 2 0c m ，宽6 0c m ，高 6 0c m ，隔板位于处理区6 0c m 处。在a 与b 区水面上安装有带孔的白色浮板浮 在水面上，香蒲按等行间距用海绵固定在泡沫板孔中。 硕士学位论文 图1 潜流型人工湿地系统示意图 f i g1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi nl a bs c a l e 2 1 4 试验设计 人工湿地装置共分2 组，一组为高磷浓度进水，一组为低磷浓度进水。试验 共设2 个处理，处理1 为为无铁膜植物的处理系统，作为对照( c k ) ，处理2 为有铁膜植物的处理系统。 2 1 5 铁膜的产生 用自来水清洗干净香蒲地下部污泥，放清水中培养3 天，以恢复受伤的根 系。然后分别移入含0m g lf e s 0 4 和5 0m g lf e s 0 4 的水稻营养液中培养( 张西 科等，1 9 9 7 ) ，4 天后5 0m g lf e s 0 4 处理在根表即有铁膜形成，作为有铁膜植 物系统；0m g lf e s 0 4 处理为无铁膜植物系统。把经过处理的植物小心移入处理 装置中，构成了本试验的处理系统。 2 1 6 采样时间与采样方法 2 1 6 1 水样的采集 运行开始后，每天早上九点采集进水水样，下午六点采集出水水样，测定进 水和出水中的磷浓度，共测定3 1 次。 末 、1 ，j必归 ， ；一 ， 一 _ 、 一 耳 ，l 甓 -：|： 一 霉一一一 硕士学位论文 2 1 6 2 植株样品的采集 oooooooo 00oooo0o oo oooooo o0 oooooo 图2 人工湿地系统植株取样点示意图 f i g2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs a m p l i n gl o c a t i o no fp l a n tf o rc o n s t r u c t e dw e t l a n d s y s t e m si nl a bs c a l e 植物在人工湿地系统中的布置方式如图2 所示：沿水流方向将系统平均分为 a 、b 两个区，每个区分别移入1 6 株香蒲，共3 2 株。进水前和运行结束后按图 2 所示随机选择香蒲植株样品，每区三株，每套装置六株。香蒲地下部先用蒸馏 水轻轻冲洗干净，用d c b 溶液浸提后，测定铁膜数量和铁膜上的磷含量。将经 d c b 浸提后的根部在1 0 5 o 杀青3 0 分钟，然后在6 0 下烘干，烘干后测定根干 重。然后将烘干样品磨碎，过1 0 0 目筛后装入密封塑料袋中用于测定植物体内磷 的浓度。 2 1 7 测定方法 铁膜测定：根系用去离子水冲洗干净后放人1 5 0m l 三角瓶中，加人0 3m o l l n a 3 c 6 h 5 0 7 2 h 2 0 44 0m l ，lm o l ln a h c 0 35m l 和3gn a 2 s 2 0 4 ( d c b ) ，振荡3 小时。将根部用去离子水洗净后烘干称重，溶液转移至1 0 0m l 容量瓶中定容， 邻菲罗啉比色法测定铁含量。根表铁膜数量采用t a y l o w 和c r o w d e r 提出的每千 克干根重铁膜含f e 量计算( f e ，m g k g ) ( t a y l o re ta l ，1 9 8 3 ) 。 根表铁膜中磷测定：用硫酸、高氯酸、硝酸以l ：2 ：7 的体积比消煮后， 定容到1 0 0m l 容量瓶中，然后用钼锑抗比色法测定( 鲁如坤，2 0 0 0 ) 。 污水磷含量测定：采用中国国家环境保护局推荐方法测定，即用过硫酸钾 消解，用钼锑抗比色法测定( 国家环保局，2 0 0 2 ) 。 植物体内磷含量测定：植物样品经h 2 s 0 4 h 2 0 2 消煮后，用钼锑抗比色法测 硕士学位论文 定植物体内磷的浓度( 鲁如坤，2 0 0 0 ) 。 2 2 结果与分析 2 2 1 植物生长状况及总磷的去除 表1 两种磷浓度进水条件下植物生长状况 t a b l e1g r o w t ho fp l a n t si nt w ol e v e l so fpi n f l o w 注：带相同字母的同- n 平均值问表示d u n c a n s 多重比较差异不显著( p 0 0 5 ) ； “”后数据为s d 。下表同 植物在系统运行过程中的生长状况见表1 。在本试验中，低磷浓度处理培养 液磷含量只有0 4m g l ，对于栽培植物而言，已处理于缺磷状态，应出现明显缺 磷现象。曹黎明等( 曹黎明等，2 0 0 2 ) 研究表明，砂培条件下，无论是耐低磷或 磷敏感品种，在磷低于0 5m g l 时，作物根系长度和根系体积均较正常供磷( 1 0 m g l ) 低。在本试验整个运行过程中，低磷处理植物生长正常，都未表现出明显 的缺磷症状，表明香蒲具有很高的吸磷能力。这与孙焕顷等( 孙焕顷，2 0 0 7 ) 研究 的结果一致，即：香蒲对磷有很强的吸收能力，尤其在其生长旺盛时期磷吸收更 加明显。具有铁膜的植株在低磷浓度进水时，其生物量显著高于无铁膜植株，但 在高磷浓度进水时，具有铁膜的植株与无铁膜植株并没有显著差异。 1 4 硕士学位论文 o 9 患0 6 量 趟 爱0 + 3 嚣 0 o 1 2 皂9 6 避 耋， 0 i，1 3i77 12 5 7 9 l 5 9