（植物营养学专业论文）复合垂直流人工湿地基质微生物和酶的研究.pdf

广西大掌硕士掌位论文复合垂，l 沫 工湿地基质微生物和酶的研究 复合垂直流人工湿地基质微生物和酶的研究 摘要 随着我国经济的发展，水资源污染日益严重，传统的生化污水处理工艺虽然效果 好，但成本过高，不适合我国中小城镇及农村的污水处理。人工湿地具有建造和运行 成本低，处理效果好的特点，成为国内外环保者研究的热点。试验构建了传统型复合 垂直流人工湿地系统( 传统型) 和改进型复合垂直流人工湿地系统( 改进型) 的两种 湿地系统，在其中种植不同植物组合，研究了两种构型湿地系统处理生活污水和无机 镉废水时湿地基质微生物( 细菌、真菌、放线菌) 的数量和酶( 蔗糖酶、脲酶) 的活 性及其垂直分布规律，并分析了微生物和酶与净化效果的关系，以及寻找净化效果较 好的湿地构型和植物配置及其机理。结果如下： l 、复合垂直流人工湿地系统处理生活污水时，种植美人蕉的系统的基质中细菌、 真菌和放线菌的数量都显著大于其它系统：在相同的植物配置下，细菌和真菌数量都 是改进型的大于传统型。a 单元细菌、真菌数量与t n 去除率达到极显著相关( r = 0 5 4 4 ， 0 5 7 3 ) ，放线菌数量与t n 去除率相关性也达显著水平( 闻4 9 8 ) ；b 单元中则只有真 菌数量与t n 去除率显著相关( f 0 4 4 4 ) 。 2 、复合垂直流人工湿地处理无机镉废水基质细菌、真菌、放线菌数量、呼吸强 度和蔗糖酶活性在不同的植物配置下为：美人蕉+ 红蛋系统 彩叶草+ 风车草系统 无 植物系统，且差异性显著：但是脲酶活性大小顺序为：美人蕉+ 红蛋系统 无植物空 白系统 彩叶草+ 风车草系统；湿地系统植物体内镉含量为美人蕉 红蛋 风车草 彩叶 草；在垂直空间分布上，细菌、真菌、放线菌数量和蔗糖酶、脲酶活性为：o 5 锄 5 1 5c i i l 1 5 2 0 咖；呼吸强度则是：0 5 锄 n op l a n t ss y s t e m ，b u tu r e a s ea c t i v i t yw a sc a n n ag l a u c aa n de c h i n o d o r u s n op l a n t s s y s t e m c o l e u sb l u m e ib e n t ha n dc y p e r u sa l t e r n i f o 矗凇；a n dc o n t e i l t so fc di np l a n t sw e r e c a n n a g l a u c a e c h i n o d o r u so s i r i s c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s c o l e u sb l u m e ib e n t h ；i nv e r t i c a l s p a t i t a l ，a m o u n to fb a c t e r i a , f u n g i ，a c t i n o m i c e sa n ds u c r a s e , u r e a s ea c t i v i t yw e r et h eu p p e r l a y e r ( 0 - 5 e m ) t h em i d d l el a y e r ( 5 - 15 e r a ) l o w e rl a y e r ( 15 - 2 0 c r n ) ，b u tr e s p i r a t o r y i n t e n s i t yw a so p p o s i t e 3 w i t ht h ei n t e g r a t e dv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n dt r e a t m e n tc dw a s t e w a t e r , i nf i r s ta n ds e c o n ds u b d i s t r i c t ，a m o u n to fb a c t e r i a , f u n g ia n du r e a s e ，s u c r a s ea c t i v i t yw e r e r e m a r k a b l yc o r r e l a t i v ew i t ht h er e m o v a lr a t eo fc a d m i u m ，b u tr e s p i r a t o r yi n t e n s i t ya n d a m o u n to fa c t i n o m i c e si nd i f f e r e n c es u b d i s t r i c th a dd i f f e r e n tr e s u l t s 4 t h es i n i f i c a n t l yn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e na m o u n to fb a c t e r i aa n dr e s p i r a t o r y i n t e n s i t yw i t ht h ec o n t e n t so fe f f e c t i v ec di nv e r t i c a ls p a t i t a ld i s t r i b u t i o n , b u ta m o u n to f f u n g ia n da c t i n o m i c e sw e r er e m a r k a b l yp o s i t i v ec o r r e l a t i v ew i t ht h ec o n t e n t so fe f f e c t i v e c di nv e r t i c a l s p a t i t a ld i s t r i b u t i o n t h ei l l e a s ea c t i v i t ya n ds u c r a s ea c t i v i t yw e r en o t r e m a r k a b l yc o r r e l a t i v ew i t ht h ec o n t e n t so fe f f e c t i v ec d 5 b a c t e r i a ,f u n g i ，a c t i n o m i c e s ， r e s p i r a t o r yi n t e n s i t ya n d u r e a s e a c t i v i t yw e r e s i n i f i c a n t l ys u p p r e s s e d i nv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d st r e a t m e n tc a d m i u m w a s t e w a t e r , b u tt l l e yc o u l dr e t r i e v a lt h e i ra c t i v i t ya f t e r9t o11d a y s c o m p r e h e n s i v er e s u l t so ft h es t u d y ， w ek n e wt h a tt h em i c r o b ea m o u n tw i m p u r i f i c a t i o ns e w a g ew a si i v c wh i g h e rt h a ni v c w ，a n dc a n n ag l a u c aw a sg o o df o r m i c r o b e ；t h ec o m b i n a t i o no ft h ec a n n ag l 口u c aa n de c h i n o d o r u so s i r i sw a st h eb e s tf o r m i c r o b ea m o u n ta n de n z y m ea c t i v i t yi n p u r i f i c a t i o nc dw a s t e r w a t e r b a c t e r i a , f u n g i ， s u c r a s ea n du r e a s ew e r et h ef a c t o rf o re f f e c t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d st r e a t m e n t d o m e s s t i cs e w a g ea n dh e a v ym e t a lw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e d w e t l a n d s ；a m o u n to fm i c r o b e ；e n z y m ea c t i v i t y 承诺书 广西大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表 或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研 究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过 重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 作者签名： 事书棚 日期：k 夕年多月泷日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校 要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保 存论文：在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 本人电子文档的内容与纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书d ，不保密 学位论文全文电子版提交后： d 篙意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 储签名车：晕! 瑙 嘞迸：兰：鲨 导师签名：二互鎏丝日期：堑弓乙互翌望 广西大掌硕士学位论文复合垂直瀛 工湿地基质微生物和酶的研究 1 前言 1 1 我国水资源现状 我国是一个水资源非常缺乏的国家之一，人均淡水量只有世界平均水平的 l 4 ，只相当于美国的1 5 ，前苏联的1 7 和加拿大的1 5 0 ( 奥特威等，1 9 8 6 ) ，是 世界上1 3 个贫水国家之一。与此同时，我国城市供水不足现象也愈来愈严重， 在全国的6 6 8 个城市当中，4 0 0 多个城市有供水不足的现象，1 1 0 多个城市严重 缺水。 我国河流污染严峻，2 0 0 7 年有关部门的数据统计显示，淮河水系污染问题 非常突出，仅有1 7 6 的河段符合i 、i i 类水质标准；符合i i i 类标准的为3 1 2 ： 符合、v 类标准的占5 1 2 ，氨氮和高锰酸盐指数为其主要的污染参数。长江 水系水质污染也有比上年加重趋势，符合i 、i l 类水质标准的河段只占3 8 8 ， 主要污染参数为高锰酸盐指数和石油类物质。而上海中心城区目前主要水厂，除 南市水厂外，大部分还是用长江原水作为水源，这从很大程度上给人们的饮水带 来安全隐患。我国黄河水系水质污染更是日趋严重，全流域符合i 、u 类水质标 准的河段仅占8 2 ，此外，黄河断流也日趋严重，流域生态环境遭到严重破坏。 我国湖泊也普遍遭到污染，尤其是富营养化和重金属污染问题十分突出。滇 池是昆明最大的饮用水源，供水量为全市供水量的5 4 。有报道显示，由于昆 明市和滇池周围地区大量工业废水、生活污水的排入，滇池重金属污染和富营养 化十分严重，作为饮用水源，其多项指标已不合格，藻类丛生，8 4 的水面在夏 秋季被藻类覆盖。由于滇池受到严重污染，昆明市第三水厂在1 9 9 3 年被迫停产 4 3 天，直接经济损失达4 0 0 0 多万元，沿湖很多农村的并水也受到污染，造成3 0 多万农民饮水困难。由于饮用被污染的水，中毒事件也时有发生，滇池特产的银 鱼已大幅度减产，鱼群种类减少，名贵鱼种基本绝迹。广西水资源也面临严峻的 挑战，据有关部门统计，2 0 0 8 年我区污水经过处理的量还不到总排放量的2 0 ， 人们生活受到较大影响。 水资源是有限的，水资源是宝贵的，水资源又是不可再生的。面对如此惨痛 的教训，我们每一个地球人都要自觉地树立节水意识，拧紧水龙头，节约每一滴 水，减少和杜绝人为的水污染。 广西大掌硕士掌位论文复合垂直演 、王湿地基质微生物和酶的研究 1 2 目前我国水污染防治及存在的主要问题 随着我国经济不断发展，对水需求量、污水排放量都在不断的增大。国家一 直把水污染防治作为环保工作的重点。1 9 8 4 年以来，相继颁布了水污染防治 法、水污染物排放许可排放许可证管理暂行办法、污水综合排放标准等 专门法律法规和水环境保护标准。通过加大建造城市污水处理厂和工业废水处理 站，采取了关、并、转一些污染大户和低效益、高污染的企业等措旌，以保护水 资源。近年来，经过节能减排的资源节约型、环境友好型社会建设的环境氛围下， 我国的废水治理工作取得了一定的成效，但是也还存在许多问题： ( 1 ) 工业企业废水治理率和城市污水处理率低； ( 2 ) 整体上国民环境意识淡薄； ( 3 ) 对环保投入不足，很多污染企业没有按标准排放污水、履行有关职责： ( 4 ) 技术落后，处理成本过高。 1 3 人工湿地解决污水问题的有效途径 人工湿地是近2 0 年发展起来的一种废水处理新技术，它由植物、动物、微生 物等生物要素以及与此相关的阳光、水分、基质等非生物要素所构成，这些要素 组合成了一个独特的基质植物微生物湿地生态系统( 梁威等，2 0 0 2 ) 。人工湿 地的优点如下：( 1 ) 建造和运行管理费用低；( 2 ) 技术含量低，易于维护；( 3 ) 可进行有效、可靠的废水处理；( 4 ) 对水力及污染负荷的冲击有缓冲作用：( 5 ) 可直接或间接提供效益( d o 衄e l l ye ta 1 ，1 9 9 9 ) 。简而言之就是“一高三低一不” 的特点，即高效率、低投资、运行费用低、维持成本低，也不容易形成二次污染， 这对于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复有着十分重要的现实意 义。 1 3 1 人工湿地的构成 ( 1 ) 基质人工湿地中的基质也称填料、滤料，一般由土壤、页岩、铝矾土、 膨润土、粗砂、细砂、砾石、碎瓦片、粉煤扶、泥炭、沸石等介质的一种或几种 所构成。人工湿地基质在为植物和微生物提供营养物质的同时，还通过吸附、沉 淀、过滤等作用直接去除污染物。基质层可以通过离子交换吸附无机盐，通过提 高基质吸附容量以达到减少占地面积，通过提供缓冲层以缓冲气候对植物系统的 影响。因此，基质的选择对人工湿地处理重金属废水工艺影响非常大，由于常作 2 广西大掌硕士学位论文复合垂直渡 、工湿地基质微生物和酶的研究 基质的天然矿物较廉价，来源广，无二次污染，吸附容量也较大等优点( m a 如e t a 1 ，1 9 7 4 ：s d v a s t a v ae ta 1 ，1 9 9 4 ：r o ye ta 1 ，1 9 9 3 ；n i ue ta 1 ，1 9 9 3 ；l 印p e ne ta 1 ， 1 9 9 0 ；s h u l ( 1 le ta 1 ，1 9 9 2 ；f r e e l a l l de ta 1 ，1 9 7 4 ) ，所以，有着广泛的应用前景。 基质对重金属的吸附也是整个工艺处理效果的一个重要组成部分。国外许多研究 者也报道了对重金属有吸附性能的物质，并得出了廉价吸附剂( 张永锋，2 0 0 3 ) 对重金属的吸附容量。可以看出，基质对重金属的吸附是重金属去除的一个重要 途径，在实践中，我们也可通过比较基质的吸附容量作为基质选择的重要依据。 由于人工湿地类型和污染物种类的不同，所选用的基质也应存在差异。对于 表面流人工湿地，一般采用原位土壤作为人工湿地的基质：而对潜流和垂直流人 工湿地，对基质的水力传导力要求比较高，一般选用渗透性比较高的基质，如碎 石、砾石、粗砂等或它们与土壤的混合物作为基质材料。 ( 2 ) 植物植物是人工湿地的重要组成部分，它在人工湿地净化污水中的主 要功能包括：萃取污染物质。植物可以吸收并积累污水中的污染物，通过转运 并富集在植物体内，通过收割植物，达到去除污水中的污染物质；稳定污染物 质。植物与基质的共同作用下，将污染物质( 如氮和磷等) 固定在人工湿地中， 从而降低其在环境中迁移的风险；根际降解污染物质。有机污染物质能被植物 根系和根际微生物降解，转化为无机物质( 如c 0 2 和h 2 0 等) ，使其无害化。 植物在生长过程中，通过光合作用，将大气中的c 0 2 、根系吸收的水分合成 碳水化合物，把太阳能转化为化学能，储存于碳水化合物中，然后通过运输组织 将碳水化合物输送到植物体的各个生长部位，用于形态建成、维持生长和繁殖以 及其它生命活动。部分碳水化合物被输送到根部、并将其中很大一部分释放到根 际，形成根际沉积。根际分泌物是根际沉积的重要组成部分( e i s s 删e ta 1 ， 1 9 9 7 ) ，它不仅能影响土壤中矿质元素的溶解、吸附和向根表的运输，而且主要 为微生物提供能源和碳源，从而维持根际旺盛的微生物活性( 申建波等，2 0 0 1 ) 。 另外，湿地中枯枝落叶的分解亦为微生物群落提供持久性和有效性的碳源。 除了能直接吸收和利用废水中的营养物质，并吸附、富集一些有毒有害物质 外，植物还有两个重要功能：输送氧气到根区及维持介质的水力传输( 张甲耀， 1 9 9 8 ：a m o ne ta 1 ，2 0 0 7 ) ，湿地植物还能减缓水流的速度，使污染物颗粒的停 留时间延长( h e d m 酞e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。植物能将0 2 输送到根区，使得湿地植物根 广西大掌硕士学位论文复合垂直i 意入工湿地基质微生物和酶的研究 区的还原态环境中形成氧化态的微环境，根区的有氧区域和缺氧区域共同存在， 使根区的还原态介质具有穿透作用，使介质的水力传输得到加强和维持。基质中 植物根区为微生物的生长、繁殖提供场所和好氧、厌氧环境，以利于降解营养物 质。人工湿地植物根系能形成网络模样的结构，在这个网络中根系能吸附、沉降 污水中的n 、p 等一些营养物质，也能为微生物的吸附、代谢提供了良好的生物 环境。同时，附近的微生物通过代谢作用，把水体中的溶解氧消耗，使之形成厌 氧状态，有利于反硝化过程，从而最大限度地除去污水中的n 0 3 一n 。j u r g e i l 等 ( 1 9 9 9 ) 对小型湿地根区氧的浓度、p h 值和氧化能力等进行测试，结果发现， 在有植物系统中三者皆高于无植物系统。在人工湿地系统中补充碳、加大耗氧量， 在无植物系统中氧浓度大量下降的情况下，但有植物系统根区仍能保持氧化状 态。基于植物在人工湿地废水处理中的重要功能，有植物系统对废水中的总氮、 b o d 5 、氨氮和重金属等去除能力明显高于无植物系统( m 觚d ie ta 1 ，1 9 9 8 ；l e a l e ta 1 ，1 9 9 9 ) ，g r e e n w a y ( 1 9 9 7 ) 报道了不同植物对镉、铁、钡、钴、钡、铜、 锰、铅、锌等重金属元素的富集作用。 植物能通过根系从污水中吸收营养物质并加以利用，对一些有毒害的物质具 有吸附、富集的作用，其根系的组成、长势和生长深度与净化效果密切相关。同 时，对介质的输氧能力和穿透介质的作用也与植物根系的发达程度有关，不同植 物种类的人工湿地净化废水效果也不一样，因此选择合适的植物种类在净化污水 过程中至关重要。如香蒲属植物仅在我国就有1 2 种，有的种类高达几米，有的还 不到三十厘米。因此，选择香蒲作为净化废水植物时，最好选择长苞香蒲( 触 a n g u s m m ) 、水烛( t y p h aa n g u s t 批) 等较大型种类，它们根系不仅粗壮而且 不定根也发达，但小型种类是无法与大型种类相比较的。 ( 3 ) 微生物微生物的活动在自然界中氮、碳、磷等元素的循环扮演重要角 色。在人工湿地处理废水时，有机物的降解、氮化合物的脱氮作用、磷化合物的 转化等主要是通过植物根区微生物活动来完成的，微生物活动是人工湿地降解废 水有机物的主要机制之一。通过通气组织的运输，植物能将氧气输送到根区，从 而形成了根表面及附近区域为氧化状念，大部分废水中的有机物质在该区域被好 氧微生物分解成为c 0 2 和h 2 0 。该区域的硝化细菌硝化了有机氮等化合物；离根 表面相对较远的区域，氧气浓度降低，属于兼性区域，硝化作用仍然存在，但主 4 广西大掌硕士掌位论文复合垂直滚人工湿地基质微生物和酶的研究 要还是依靠反硝化细菌作用，将有机物质降解，使氮素物质以n 2 的形式释放到大 气中；而在还原状态的根区区域，则是由厌氧细菌的发酵作用，将有机物质分解 成c 0 2 和c h 4 释放到大气中。人工湿地存在着的这些氧化区、兼性区、还原区等 区域，由不同区域微生物群的相互配合作用而将有机物、氮素化合物等去除。对 于废水中的磷，主要有磷化合物、有机磷及溶解性较低的无机磷酸盐，但都很难 直接被植物吸收利用，只有将其溶解后，才能被植物吸收利用。最后，通过植物 的收割将磷从废水和人工湿地系统中除去。由此显示，废水中有机物降解的基础 机制是人工湿地微生物的代谢活动，废水中的有机污染物质包括含氮、磷等元素 的物质，这些物质主要是经过人工湿地中的微生物代谢活动，降解释放到大气中， 或为植物及微生物可以吸收利用的营养物质，或转化成为对水环境无害或毒害较 轻的物质。在重金属方面，b a l i k a ( 1 9 8 8 ) 发现大麦根际中有较多的硫化细菌， 它们能分解有机物质而释放出原先固定的重金属，同时产生的硫化氢与重金属形 成难溶性硫化物。 在人工湿地处理污水过程中，基质中的微生物和酶的作用对污水的净化效果 具有重要的意义。湿地中微生物的活动是湿地净化污水的最主要因素，现有研究 已经发现在b o d 、c o d 、氮、磷以及重金属等的降解的过程中微生物和酶都发 挥了重要作用( 梁威等，2 0 0 2 ) 。 1 3 2 人工湿地的应用状况 1 9 7 4 年，西德首次建造了人工湿地。瑞典1 9 9 4 年在w i t t g r e n 建立了一座占地 2 2l l a 的自由表面流湿地。自由湿地在北美洲发展比较迅速，共有2 0 0 多座，其中， 有很大一部分都是由自然湿地经过改造成为人工湿地。在欧洲，多采用地下潜流 人工湿地系统，其中，丹麦、德国、英国等国至少有2 0 0 个湿地系统在运行( h 商t a g e e ta 1 ，1 9 9 5 ：b o n o m oc ta 1 ，1 9 9 7 ：k n i g l l te ta 1 ，2 0 0 2 ) 。1 9 9 0 年，我国建成了第 一个人工湿地处理工程自泥坑人工湿地处理系统，除了氨氮去除效果不明显外， 其他指标均能达到国家二级排放标准，总体运行状况良好。在1 9 9 7 年6 月通过国 家建设部科技司主持的技术鉴定的内蒙古自治区赤峰市宁城污水处理厂的人工 湿地污水处理技术的研究项目，已于1 9 9 8 年6 月开始推广( 吴振斌等，2 0 0 2 ：曹 向东等，2 0 0 0 ) 。 5 广西大掌硕士学位论文复合垂l 漶 工湿地基质微生物和酶的研究 1 4 人工湿地基质微生物和酶的国内外研究现状 1 4 1 人工湿地基质微生物的研究 人工湿地中微生物的活动被认为是污水( 废水) 中有机物降解的主要机制或 净化污水的“主力军，其数量在一定程度上可反映人工湿地净化污水的能力。 目前，对湿地微生物的研究已经有不少的报告。d 叽c a 等( 1 9 9 4 ) 以土壤呼 吸量和反硝化酶活力( d e a ) 等为指标比较了人工湿地与天然湿地微生物数量之 间的差异研究；宋志文等( 2 0 0 5 ) 采用平板划线法从人工湿地污水处理系统底泥 和污水中分离出2 3 株细菌菌株，在实验室条件下检测了这些细菌对灭菌污水和 自然污水c o d c r 的去除效果、微生物种类与净化效果的研究；d o 衄e l l y 等( 1 9 9 9 ) 对海草根区微生物数量的调查，研究湿地微生物的时空分布；在湿地微生物与净 化效果方面的研究，梁威等( 2 0 0 4 ) 、李科德等( 1 9 9 5 ) 对细菌总数与b o d 5 ，根 区微生物数量与t n 、c o d 已作初步的研究。 1 4 2 人工湿地基质酶的研究 虽然关于人工湿地净化污水的机制研究已经有不少报道，但主要集中于湿地 植物的气体代谢、微生物学、植物生理生态、水力动力学等方面，人工湿地酶学 方面的研究国内外尚未见系统报道，近年来则有所改观。 s h a c h e 等( 2 0 0 0 ) 通过对人工湿地系统的碳源数量和质量的调控，调节湿 地胞外酶的活性，达到最佳的污水净化效果的研究。张甲耀( 1 9 9 8 ) 、刘应迪等 ( 2 0 0 1 ) 对人工湿地环境对基质酶活性也有相关的研究。k o o r a t 印( 1 9 9 7 ) 对人 工湿地处理生活污水酶的机理作了初步的研究。e b e 曲e r g e r ( 2 0 0 3 ) 和r o s s 等 ( 1 9 9 5 ) 对湿地基质酶的时空分布与酶活性做了研究。 1 4 3 人工湿地基质微生物和酶的研究尚存在的问题 人工湿地的发展，能在很大程度上解决人类水资源短缺和水体污水日益严重 的问题。为了更好地利用人工湿地，就要对湿地基质微生物和酶作更进一步的研 究，解决目前存在的问题： ( 1 ) 对湿地微生物和酶的筛选； ( 2 ) 污水处理过程中微生物和酶的适应性机制与影响因素问题研究； ( 3 ) 污染物的浓度与人工湿地处理污水对微生物和酶的影响问题； ( 4 ) 人工湿地结构对微生物生长、繁殖和酶活性增强的的影响研究； 6 广西大学硕士掌位论文复合垂直淀 工湿地基质微生物和酶的研究 ( 5 ) 微生物和酶对重金属废水的解毒机理问题； ( 6 ) 微生物和酶在处理污水过程中效率问题。 1 5 本研究的目的和意义 应用人工湿地处理生活污水的研究已经较多，也有了些实例。但是，在应用 人工湿地处理重金属废水的研究相对落后( s h e o me ta 1 ，2 0 0 6 ) ，特别是在我国， 目前的相关报道还鲜见。本研究从两种不同湿地构型、不同的植物配置出发，探 讨人工湿地处理污水、废水基质微生物和酶对污水净化影响及其变化规律，阐明 微生物和酶对人工湿地净化污水、废水效果的影响，初步揭示基质微生物和酶在 人工湿地处理污、废水中的作用，为人工湿地处理污水的机理研究提供理论依据。 i 6 。本课题研究的主要内容 ( 1 ) 相同植物组合，两种构型的垂直流人工湿地处理生活污水中基质的微 生物和酶变化规律及其与净化效果的相关性研究： 【2 ) 不同植物组合，相同构型的垂直流人工湿地处理生活污水中基质的微 生物和酶的变化规律及其与净化效果的相关性研究； ( 3 ) 相同植物组合，不同构型的垂直流人工湿地处理无机镉废水过程中基 质的微生物和酶的变化规律及其与镉去除效果的相关性研究； ( 4 ) 不同植物组合，相同构型的垂直流人工湿地处理无机镉废水过程中对 基质微生物和酶的变化规律及其与镉去除效果的相关性研究； ( 5 ) 复合垂直流人工湿地处理无机镉废水的基质微生物和酶动态变化。 7 广西大掌硕士学位论文复合垂直浚 、工湿地基质微生物和酶的研究 2 材料与方法 2 1 复合垂直流人工湿地处理生活污水的材料和方法 2 1 1 供试人工湿地构型 在广西大学农业资源与环境科学系教学实习基地上建立池子( 1 2 0 x 8 3 x 7 0 c m ) 共1 2 个，每2 个池子组成一套复合垂直流人工湿地小试系统( 分别称a 单 元和b 单元，且a 单元基质厚度比b 单元多1 0c i l l ) ，传统型( w c w ) 和改进型 ( i i v c w ，改进型人工湿地系统由我们自主设计) 人工湿地系统各3 套，如图 2 1 和2 2 。 进水 图2 1 传统型人工湿地系统结构 f i g 2 一lt r a d i t i o n a li n t e 蓼a t e dc o n t m c t 。dw e t l 锄d ss y s t 锄( w c w ) 备注：箭头方向为水流方向，下同 n o r a ：t h ea l t o wm e a n sw a t e r f l o wd 碱f i o n t h es 锄ea sb e l l o w 进水 出水 图2 2 改进型人工湿地系统结构 f i g 2 2i m p r o v i n gh l t e g m t e dc o n t n l c t e dw e t l a i l d ss y s t 锄( i w c w ) 8 广西大学硕士学位论文复合垂直漶 、工湿地基质微生物和酶的研究 2 1 2 基质种类 本试验中采用了四种基质：细砂( 0 4m m ) 、粗砂( o 6r n m ) 、豆石( 8 1 6m m ) 和砾石( 1 6 3 2m m ) 。人工湿地系统基质种类与设计情况见表2 1 。 2 1 3 供试植物 根据陈秀娟等( 2 0 0 7 ) 的研究结果，采用美人蕉c a n n ag ，口l | c 口、彩叶草c d 鼬 b 胁m e i6 绷历、风车草c 功p 九，口抛删加玩，、大水剑彳c d 船c 口肠m 船为人工湿地植物。 供试植物的种类与配置、供试植物的基本情况分别见表2 2 和2 3 。 2 1 4 供试生活污水 试验污水来自广西大学东校园博导园住户排放的生活污水，由于氧化塘内污 水t n 、c o d 盯等的浓度不是很高，我们在氧化塘的生活污水进入布水系统之前 投加了定数量的尿素、氯化铵、葡萄糖、磷酸二氢钾等以提高t n 、c o d = 、 t p 的浓度，进水t n 、c o d m t p 浓度分别约为4 0 7 - 5 7 3m gl - 1 、3 0 3 5 6 1m g l 1 、 1 1 2 1 5 5m gl 一。 表2 1 人工湿地系统基质种类 t a b l e2 1s u b s 仃a t ek i n d si nm ec w s 注：传统型与改进型人工湿地基质种类及总深度相同。 n o t e ：s u b s t m t e l 【i i l d s 锄d d e p t l l 眦s 锄e i i l m e w c w 锄d i c w 9 广西大掌硕士掌位论文 复合垂直匐1 人工湿地基质微生物和酶的研究 表2 - 2 供试植物的种类及配置 t a b l e2 2p l a l l tk i n d si nt l l ec w s 1 0 广西大掌硕士掌位论文 复合垂j 【瀛 工湿地基质微生物和酶的研究 表2 - 3 供试植物的基本状况 t a b l e2 - 3b a s i cc o m p l e x i o n so fp l a n t si nt h ei n i t i a ls t a g e so fc w s 2 1 5 两种复合垂直流人工湿地系统的工艺流程 整个系统由进水部分( 水泵等组成) 、预处理系统及人工湿地单元构成。将 氧化塘的污水通过水泵泵入水箱进行预处理后进入布水系统，再进入人工湿地单 元，净化后排放。系统的工艺流程如下： 2 1 6 两种复合垂直流人工湿地的运行与管理 人工湿地的进水方式基本上有二种：连续进水、间歇进水。间歇流进水方式 能够充分利用大气复氧，提高床体内的含氧量，有利于微生物的好氧代谢和硝化 反应的进行。宋铁红等( 2 0 0 5 ) 研究表明人工湿地分别采用间歇流与连续流进水 方式处理生活污水，间歇流的c o d 去除率比连续流高2 4 ；氨氮去除率比连续 广西大掌硕士爿研赴论文复合垂j l 蠢 王湿地基质微生物和酶的研究 流高1 6 ；总磷去除率与连续流相当，去除率在5 0 6 0 。崔玉波等( 2 0 0 3 ) 研究表明：人工湿地系统稳定运行后，间歇流人工湿地可以有效地利用大气复氧。 在周期为2 4h ，水力停留时间4d 时，c o d 平均去除率为8 3 ；氨氮平均去除 率为7 5 ，总磷的平均去除率为4 0 。 中国科学院水生生物研究所运行i v c w 所采用的水力负荷多是6 0 0r n l nd - 1 ( 周巧红等，2 0 0 5 ；梁威等，2 0 0 4 ) 或8 0 0r n l nd - 1 ( 梁威等，2 0 0 2 ；吴振斌等， 2 0 0 4 ) 。参考他们的研究成果，本研究所采用的进水方式为问歇流进水方式，上 午和下午各进水一次，进水负荷为6 0 0m md 。 2 1 7 水样采集、分析项目及方法 待系统稳定后运行人工湿地，每个月运行一次，处理时间为2 4h ，分别采集 进、出水水样测定( 每次采样基本都在上午8 ：3 0 左右采集，出口水流2m i n 后 采集水样) 。 本研究分析项目测定方法均采用国家环保总局推荐的方法( 中国国家环保总 局，2 0 0 2 ) 。c o d 。r _ 重铬酸钾氧化法；t n 一碱性过硫酸钾消解，紫外分光光度 法；t p 一过硫酸钾消解，钼锑抗比色法；p h 值一酸度计测定。 2 1 8 基质的采集、分析项目及方法 每次采集水样后排空所有单元中的水，分别采集a 、b 单元中的基质m 5c m ， 5 1 5 锄，1 5 2 0c l i l 三层的样品及0 2 0 锄的混合样，采用梅花点法取样。样品 采集后过2t o n i 筛，充分混匀，分两部分，一部分鲜样用来测定细菌、真菌、放 线菌的数量；另一部分风干，用于测定脲酶和蔗糖酶。 ( 1 ) 微生物的测定方法( 许光辉等，1 9 8 6 ) 称取过2r n r n 筛1 0 0g 的鲜样，放入装有9 0m l 的无菌水的三角瓶中，振荡 2 0 分钟后在无菌条件下做不同的稀释度进行接种。用平板计数法进行细菌、真 菌、放线菌的测定。其所用的培养基如下： 细菌的计数一培养基为牛肉膏蛋白胨琼脂；真菌的计数一培养基为改良 马丁氏培养基；放线菌的计数一培养基为淀粉铵盐培养基； ( 2 ) 酶的测定方法( 许光辉等，1 9 8 6 ) 脲酶一奈氏试剂比色法 称取3 0g 风干土置于1 0 0m l 三角瓶中，加入l om lp h6 7 磷酸缓冲液及o 5 m l 甲苯。混合处理1 5m i n 后，加入1 0m l1 0 尿素溶液( 对照以水代替) ，置于 1 2 广西大掌硕士掌位论文 复合垂直浚 、工浸地基质微生物和酶的研究 3 7 恒温箱中培养4 8h 。培养结束后，取出加入2 0m l1m o ll - 1k c i ，充分摇匀 1 0m i n 。将滤液用致密滤纸过滤，吸取经过稀释的滤液0 3m l 置于5 0m l 容量瓶 中。用水稀释至约2 0m l ，摇匀。加入2m l 酒石酸钾钠溶液，1 6m l 奈氏试剂， 摇匀。慢慢加入8m l lm o ll - 1 n a o h 溶液，显色，稀释至刻度。1 0m i n 后，以空 白作对照，在波长4 6 0n l n 处比色测定。根据光密度值由标准曲线查出其氮含量。 湿地的脲酶活性常用1 0g 土， lh 释放出来的n i - 1 4 + _ n 的微克数来表示。 蔗糖酶3 ，5 二硝基水杨酸比色法( 姚槐应等，2 0 0 6 ) 称取5 0g 风干土，置于5 0m l 三角瓶中，注入1 5m l8 的蔗糖溶液，5m lp h 值为5 5 磷酸缓冲液和5 滴甲苯。摇匀混合物后，放入恒温箱，在3 7 下培养 2 4 h ，到时取出，迅速过滤。从中吸取滤液lm l ，注入5 0 m l 容量瓶中，加3m l 3 ，5 二硝基水杨酸，并在沸腾的水浴锅中加热5m i n ，随即将容量瓶移至自来水流 下冷却3m i n 。溶液因生成3 氨基5 硝基水杨酸而呈橙黄色，最后用蒸馏水稀释 到5 0m l ，并在分光光度计上于波长5 0 8n n l 处进行比色，为了消除土壤中原有的 蔗糖、葡萄糖引起的误差，每一个土壤需要做无基质对照，整个实验做无土壤对 照。在分析样品的同时做标准曲线，结果以培养2 4h 后1 0g 土壤中葡萄糖的质 量( m g ) 表示( s u c ) ：s u c = a v n m 2 2 复合垂直流人工湿地处理镉废水的材料和方法 2 2 1 试验材料 供试植物根据陈文慧( 2 0 0 8 ) 试验筛选的结果：美人蕉c a n n ag l 口u c a 、红蛋 e c h i n o d o r u so s i r i s 、风车草c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s 、彩叶草c o l e u sb l u m e ih e n t h 四种植 物；基质同2 1 2 ；供试人工湿地构型如图2 1 ，每一种构型也是各3 套。 2 2 2 含镉无机废水配制 称取质量为3 6 5 4g 的c d c l 2 2 5 h 2 0 溶入6 0 0l 的自来水中，配成镉浓度为 3 0m gl - 1 的镉废水，并且用5m o ll 1 盐酸调节溶液的p h 值在6 0 6 5 之间。 2 2 3 系统内植物配置 人工湿地处理无机镉废水的植物配置如下表2 _ 4 。 广西大掌硕士葺q 盘论文复合垂直滚 工湿地基质微生物和酶的研究 表2 4 人工湿地系统植物种类 t a b l e2 - 4p l a n tk i n d si nt h ec w s 注：每个小区植物的初始密度为：美人蕉2 4 株，红蛋2 4 株，彩叶草2 4 株，风车草8 株 n o t e ：i n i t i a ld e s i t yo f p l a n t si nd i s t r i c t ：c a n n ag l a u c a2 4s t r a i n s ，e c h i n o d o r u so s i r i s2 4s t r a i n s , c o l e u sb l u m e ib e n t h2 4s t r a i n s ，c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s8s t r a i n s 2 2 4 人工湿地处理无机镉废水的运行与管理 待人工湿地系统稳定后运行人工湿地，每月运行一次，共运行6 个月。采用 间歇进水方式，上午、下午各进水( 浓度约为3 0m gl - 1 的无机镉废水) 一次， 总进水量为6 0 0l ，进水负荷为6 0 0n l l l ld ，每1 5 天灌一次营养液，以维护湿地 植物的正常生长，并在每次采基质样前一天记录植株的分株数和株高。 2 2 5 采样时间及方法 ( 1 ) 水样的采集时间及方法： 分别采集进水及运行2 4h 后出水水样( 出口水流2m i n 后开始采集水样) ； ( 2 ) 运行前，湿地基质中有效态镉含量在o 2 2 0m gk g - 1 ，其采集时间、方 法同2 1 8 。 1 4 广西大掌硕士掌位论文复合垂直演 工漫地基质微生物和酶的研究 2 2 6 分析项目及方法 ( 1 ) 基质的分析项目及方法( 鲍士旦，2 0 0 0 ) p h 值：酸度计测定； 有机碳：重铬酸钾容量法- 夕i 、加热法； 有效态镉含量：d 皿a - t e a 浸提原子分光光度法； 全量镉含量：王水高氯酸消煮原子分光光度法； 水分：烘干法； 基质微生物、酶的测定方法同2 1 8 ； 呼吸强度的测定( 许光辉等，1 9 8 6 ) 取具塞的玻璃瓶，内盛2 0m lo 1m o ll 1n a o h 溶液：称取2 0 0g 新鲜土壤， 用砂布包好，用棉线系紧悬挂于玻璃烧瓶内，塞紧胶塞。将玻璃烧瓶置于3 7 恒温培养箱培养2 4h ；取出土壤包，用0 1m o ll - 1 的h c i 溶液滴定玻璃瓶内溶液。 同时，另取同样容积的玻璃瓶，不加土壤。同上处理，作空白对照。根据两者滴 定结果之差，求出吸收土壤所释放c 0 2 消耗的n a o h 量，计算出c 0 2 释放量。 ( 2 ) 水样的项目及方法( 中国国家环保总局，2 0 0 2 ) p h 值：酸度计测定； 电导率：电导仪测定： 含镉量：浓硝酸和高氯酸消煮原子吸收分光光度法。 ( 3 ) 植物样品分析的项目及方法 镉含量：微波消解a a s 法测定( 史啸勇等，2 0 0 3 ) 。 2 3 试验数据统计分析方法 试验所得数据采甩e x c e l 和s p s s16 0 软件分析。 广西大掌硕士掌位论文复合垂直沫人工湿地基赍微生物和酶的研究 3 结果与分析 3 1 复合垂直流人工湿地系统处理生活污水的基质微生物分析 3 1 。1 垂直流人工湿地处理生活污水基质细菌数量 在人工湿地处理生活污水过程中，基质细菌数量极为丰富，一方面生活污水 含有丰富的氮、磷及有机物质等为细菌生长繁殖提供丰富的养分，同时细菌又扮 演分解污水中有机物质的角色。在湿地系统稳定运行的四个月中，细菌数量基本 保持在1 0 7 1 0 8 c f u9 1 的数量级稳定状态上，结果如图3 1 所示。 种植有植物的人工湿地系统细菌数量显著大于无植物系统；在相同的植