（水生生物学专业论文）湿地植物根际微生物处理生活污水的模型研究.pdf

硕士擘位论文 l a s t e r st h e s i s 中文摘要 随着城镇污水排放量的逐年增长，对当地造成了严重的环境污染，小城镇污水处 理已刻不容缓。人工湿地系统处理污水是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种污水处理 技术。由于具有净化效果好、工艺设备简单、运转维护管理方便、能耗低、对负荷 变化适应性强、工程基建和运行费用低、可实现废水的资源化等特点，得到了广泛 的发展与应用。人工湿地对污水净化处理的机理十分复杂。是利用基质一微生物植 物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用净化污水的。人工湿地可 分为表面流湿地、潜流湿地、立式流湿地。潜流湿地卫生条件好，占地小，处理效 果较好，是目前研究和应用最为广泛的湿地系统。美人蕉具有一定的观赏效果，广 泛用于各地栽培。有较好的耐污能力，能净化受污染的水体。 本研究采用了潜流美人蕉湿地模型，研究了人为增加湿地植物根际微生物对生 活污水中c o d 的降解效果。将两株从湿地分离的根际微生物扩增培养( 分别用于 模型1 与模型2 ) ，与一定比例的生活污水混合后注入到湿地模型中，在模型间歇运 行和连续运行期间测定污水中c o d 的去除率。间歇运行的结果表明：加菌模型对 c o d 的去除率显著高于空白模型( p 放线菌【3 7 】。由于根系分泌物的选择作用，通常根际微生 物的种类较少，并且大多以简单的有机物为养料【4 “4 7 】。 6 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 根系分泌物不仅有糖、有机酸、氨基酸等初生代谢产物，还有酮酚和胺等次生 代谢产物以及一些不知名的代谢物，为土壤微生物提供大量的营养和能源物质，能 影响根际微生物代谢，加快根际有机磷、有机氮的分解及其他矿质元素的活化【3 7 1 。 风眼莲根分泌物对根际细菌的降酚酶活性有积极影响，从而促进了根际细菌的降酚 效率 4 8 】。研究根际微生物的特性对于从微生物的角度研究人工湿地系统内物质的变 化和污染物的去处机理具有重要意义。 根际环境一根际微生物污染物相互作用构成了水生植物净化水体机理的重要组 成部分，它们三者之间相互作用，成为根区有别于非根区的原因【4 9 1 。植物种类、土 壤类型不同，植物的根际效应不同，土壤各种微生物受根际效应的影响也不同，其 中受影响程度为：细菌 真菌 放线菌【37 1 。 土壤是微生物的载体和生存环境，植物的根系分泌物影响系统中微生物的特 性。土壤和植物任何变化都可能引起和改变微生物的结构。 土壤类型、土壤处理及土壤条件的变化对根际微生物均有影响【4 2 1 。土壤肥力 不同，根际微生物的区系也会不同。土壤微生物数量和多样性可以作为表征土壤肥 力状况的重要生物学指标。总体上，根际微生物以及细菌的数量与土壤肥沃程度呈 正相关，真菌和放线菌的数量与土壤肥沃程度成负相关h 4 。有研究表明：土壤中的 施肥量对根际微生物的数量也有影响。细菌、放线菌、真菌数量随着尿素施用量的 增加成先上升后下降的趋势【5 0 1 。张新慧等f5 1 】研究当归正茬、迎茬、重茬、三茬4 个 不同茬口对根际微生物类群影响时发现：细菌数量、微生物多样性指数和当归总产 量均比正茬时降低，随连作年限的增加下降趋势越明显。细菌受影响程度大于放线 菌。真菌数量却均比正茬有所增加，随连作年限的增加上升趋势越明显。连作会造 成根际细菌类群的显著变化，使某些特定的微生物类群得到富集，特别是植物病原 真菌州。 电场会在一定程度上也会改变土壤的性质。电场对根际土壤微生物群落也有影 响。合适的电场条件增加土壤微生物群落的多样性【5 刭。 植物种类、生育期及生长情况的影响。根分泌物直接影响根际微生物的种类 和数量分布，不同植物或同一植物在不同发育时期和营养状态下根分泌物的种类和 数量不同，从而有选择性地影响着根际微生物，使其根际微生物的数量级种类有具 有十分显著地差异1 5 0 j 。 在植物整个生育过程中，外部形态和内部生理特征要发生若干次变化，在外部 形态表现为出苗、发枝、开花、结果等生育时期。植物在不同的生育期，其根际微 生物的种类及数量在不同生育期具有一定的动态变化【矧。孙晓棠等【5 3 j 在笳栽番茄的 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 研究中表明：整个生育期内，细菌的数量在初花期和初果期时最多：放线菌数量从 出苗期到末期逐渐减少：真菌数量逐渐增多。马冬云等1 5 2 】在实验中发现，微生物数 量在小麦生育时期的不同阶段呈现规律性交化，微生物总量在拔节期和抽穗期时数 量较多。到开花时期数量有所下降。陈雪丽等【5 4 】研究表明，对于黄瓜，根际真菌群落 结构受采样时期的影响大于细菌群落结构；对于番茄，结果相反。由此推测，细菌和真 菌群落结构在土壤中的演替可能存在相反的趋势。 在c 0 2 浓度升高的条件下，根系统对高浓度c 0 2 的动态响应过程直接影响微生 物的代谢底物及活性垆引。 微生物的活性和数量也对植物和土壤有影响，根际微生物能促进植物对重金属 的吸收，陈文清等【5 6 】研究表明根际微生物促进鱼腥草对土壤镉的富集，鱼腥草对镉 的吸收量可达到培养前自身镉浓度的2 0 0 倍。培养初期放线菌对镉的耐性很强，较高 浓度镉可能刺激了放线菌的大量生长，在鱼腥草根系和微生物的联合作用下，土壤微 生态系统能够保持较好的稳定性。小麦根际土壤微生物的种群数量直接关系到麦田 土壤中有机质的分解和矿质元素的转化，影响小麦对营养元素的吸收和利用【5 7 1 。 微生物的数量在湿地的运行过程中并不是无限增殖的，付融冰等【58 j 报道，湿地 未排入污水时，基质中细菌的数量为1 0 4 1 0 5 个儋数量级，随着时间的运行，稳定 在1 0 6 1 0 8 的数量级上，形成较为稳定的生物群落。 3 人工湿地系统的类型 3 1 人工湿地系统的结构类型 人工湿地污水处理系统一般由预处理单元和人工湿地单元2 部分组成。预处理 单元主要去除悬浮物，其构筑物有初沉池、双层沉淀池、稳定塘【l 】；人工湿地可按 水( 污水) 在湿地床中流动的方式分为3 种结构类型：表面流湿地( s u r f a c e f l o w w e t l a n d ，s f w ) 、潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o w w e t la n d ，s s f w ) 和垂直流湿地 ( v e r t i c a lf l o w w e t l a n d ，v f w1 【i o | 1 4 1 。 1 ) 表面流湿地s f w 。也称水面湿地系统。在地表流湿地系统中，水位较浅， 多在o 1 0 6 m 之问，废水水平流过基质表面，处理单元具有4 一5 的坡度。水面 与大气直接接触，氧气来源主要是空气中氧气扩散，湿地植物根也能传输部分氧气。 有机污染物去除主要是依靠水下部分的植物茎杆上的生物膜来完成的。难以充分利 用填料表面的生物膜和植物根系对污染物的降解作用，处理能力较低。与s s f w 系 统相比，其优点是投资省，缺点是负荷低、夏季滋生蚊蝇、散发臭味、北方地区冬 季表面会结冰，故目前采用较少。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 ) 潜流湿地系统s s f w 。也称渗滤湿地系统。污水湿地床内部流动。充分利用 填料表面的生物膜、植物根系及表土层和填料截留等作用，处理效果和能力较好； 同时水流在地表下流动，具有保温性好、卫生条件好等特点。是目前研究和应用比 较多的一种湿地系统，但其投资略高。 3 ) 垂直流湿地系统v f w 。综合了s f w 和s s f w 的特性，污水在重力作用下垂 直地透过基质表面并在下部沿一定方向集中于一收集管排除。垂直流湿地具有较高 的净化效率和相对较小的土地要求。吴振斌等通过试验，表明垂直流湿地在冬季仍 能保证较好的出水水质，是一种有效的水处理技术”8 1 。 3 2 人工湿地系统的流态 人工湿地单元中的流态采用推流式、阶梯进水式、回流式和综合式【l4 1 。 阶梯进水式：避免填料床前部的堵塞问题，有利于床后部的硝化脱氮反应； 出水回流式：稀释进水中的c o d 、b o d 5 和s s ，提高水中的溶解氧，减少臭味， 促进硝化、反硝化脱氮作用； 综合式：不但设置了出水回流，还将进水分布到湿地床体中部，减轻了床体前 端的负荷。见图1 一 固瘾 1 1 1 雄巍遴 | 卜+ l ll +w 一h - - - i pr _ | 卜pt | b 。剃菠式 也阶梯避承波也缘合玻 图1 人工湿地中的基本流态【1 4 1 f i g 1b a s i cf l o ws t a t ei nt h ea r t i f i c i a lw e t l a n d 4 其他影响因素 人工湿地是一个以太阳能为动力的生态系统，如温度、太阳辐射、湿度、降水、 水力停留时间、水力负荷、污水流态、污染物浓度和植被等参数，都会引起生态系 统内营养物质、化学物质、微生物和植物活性等方面的改变，进而影响净化效率。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 如：夏季较高的蒸发率也会影响其净化效果【5 9 1 ；生物去污的效果在2 0 - - - 2 5 1 2 范围 内较好，低于1 0 时，效果会明显下降，夏天的处理效果好于冬天。细菌的反硝化 作用受温度影响，在l o 3 0 范围内，高温有利于反硝化作用，但高于3 0 ，则 会抑制硝化反硝化作用 6 0 l 。 廖新佛等【6 i 】发现，人工湿地对猪场废水主要污染物的净化效率随着季节、水力 停留时间和进水污染物浓度而变化。不同的季节处理率有高低差异。夏季c o d 去 除率最高，接近9 0 ；春季和冬季次之，秋季最低为5 0 6 0 。在定迸水浓 度范围内，停留时间延长，去除率提高。水力停留时间为1 2 天时可达到7 0 ；停 留3 天时在8 5 以上。当水力停留时间相同时，出水污染物浓度随进水污染物浓度而 变化，其回归关系遵从直线方程规律。 修春海等【6 2 】采用不同人工湿地对微污染原水处理效果的研究表明：推流式和 往复式人工湿地对总氮和硝态氮的去除率无明显差别，但处理效率低于表流人工湿 地。二者对c o d 的去除效果比较稳定，去除率在3 0 - - - 6 5 之间。蒲草床表流 人工湿地对总氮和硝态氮的平均去除率效果优于芦苇床表流人工湿地。 影响湿地运行效果的因素有很多，在实际应用中我们要考虑地区的气候条件、 植被类型、地理情况等，经小试或中试取得有关数据后进行人工湿地的设计1 3 1 。 5 人工湿地的应用 采用人工湿地技术净化污水始于19 5 3 年德国的m a xp l a n c k 研究所，到现在已 发展成为极具特色的新型污水处理技术。它适用于我国广大中小城镇和乡村地区的 废水处理。它不仅具有良好的有机物去除能力，而且具有较高的除磷和脱氮效果。 此外，它还具有运行管理方便、工程造价低、保护野生动物、提高地区景观的美学 价值等优良特性【6 3 】。国外资料报道，人工湿地的工程造价和运行费用仅为传统工艺 的1 0 。5 0 i 川。因此，开发人工湿地污水处理技术，对我国水环境污染的治理具有 重大的意义，在我国，湿地用于农村污水处理、矿山废水处理、造纸废水处理、城 市小区污水处理有很多成功的案例。 5 1 在农村中的应用 随着新农村的建设，人口的逐渐集中、农村经济的不断发展，带来的农村生活 污水出路问题及由此产生的公共卫生安全问题逐渐突出1 6 5 】。农村生活污水包括生 活污水和生产污水两个方面。生活污水指居民生活过程中厕所排放污水、沈浴、洗 衣服和厨房污水等。生活污水中含大量的氮、磷，会使水体富营养化。生产污水是 1 0 硕士学位论文 m a s t e r l st h e s i s 指畜禽养殖业、农产品加工等产生的高浓度有机废水。由于畜禽养殖业从分散的农 户养殖转向集约化、工厂化养殖，禽畜粪便污染大幅度增加，成为一个重要的污染 源。据调查，北京近郊禽畜养殖场排放的有机物污染，相当于全市工农业生产污水 和生产废水中所含的有机污染物的2 3 倍酬。 由于经济承受能力和村落规模限制，村落污水处理以生态处理方法为首选。农 村污水常见的污水处理技术模式有沼气池、化粪池、污水净化池、人工湿地、地埋 式污水处理等。人工湿地污水生态处理技术具有工程基建和运行费用低、管理维护 简单、可实现废水的资源化等诸多优点，成为农村污水处理的首选。 刘超翔等【6 7 j 在滇池流域农村进行了人工湿地处理生活污水的试验和生态处理 系统设计。工艺流程为：污水一污水收集系统格栅布水沉淀池表面流人工湿地潜 流式人工复合生态床综合生态塘一出水。沉淀池尺寸：2 0 m 2 m x 0 8 m ，水力负荷 为4c m d ；潜流湿地面积为3 0 0m 2 ，水力负荷为3 0c m d 。整个系统的处理水量 8 0 m 3 d ，出水中c o d 、t n 、t p 去除率达到8 0 。该工程的运行成本小，仅为o 0 3 元m 3 。 针对太湖流域的面源污染和水体富营养化问题，有许多学者进行了人工湿地处 理太湖流域农村生活污水的试验研究，帖靖玺等【6 8 j 采用二级串联潜流式芦苇人工湿 地系统，进行了强化脱氮除磷的试验研究。人工湿地尺寸为：4 9 0 m 1 4 2 m x o 8 0 m 。 试验分为两个阶段，第一阶段在夏季，进水负荷为4 0 0l d ，系统对n h 4 + - n 、 i n 和t p 的去除率达到8 0 以上：第二阶段在冬季，考虑到温度影响，进水负荷降为 2 4 0 l d ，系统对三者的去除率达到9 0 以上。该系统出水水质较好，对太湖水体富 营养化程度的缓解起到积极的作用。孙亚兵等1 6 9 l 采用人工配水，设置潜流人工湿地 床，床体前2 3 段种植芦苇，后1 3 段种植茭白，湿地床有效污水容积为2 0 0 l 。通 过在湿地中铺设三层p v c 穿孔管，对潜流人工湿地进行了改进，提高了床体中氧 浓度。实验结果表明：当污水进水中c o d 、n h 4 + 悄、t p 的去除率均在9 0 左右， 保证了较好的出水水质。 5 2 在工业废水中的应用 在我国北方，矿山由于水资源短缺制约着采矿工业的发展。矿山废水主要指采 掘工程、矿山围岩、矿石被长期浸泡溶解含有大量可溶性矿物的孔隙水、裂隙水或 溶洞水；露天矿坑或废石场受雨水的淋滤、渗透而溶解矿物中可溶成分的废水；选 矿过程中为了选别矿物而加人大量的有机药剂而形成的尾矿水等【7 叭。通常，矿山废 水p h 值在7 8 之间，属弱碱性。但是含硫的矿井水含有硫化矿物大都是酸性水。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 废水中主要污染物：有机污染物、油类污染物、酸碱的污染、氧化物。 人工湿地应用于矿山废水处理始于2 0 世纪8 0 年代初，最早是由h u n t s m a n 在 俄亥俄和西弗吉尼亚州2 个地方采用天然的泥炭鲜沼泽地处理矿山酸性废水。此后， 人工湿地系统被广泛用于处理矿山废水【7 l j 。 在国外，典型的人工湿地处理矿山废水的案例是英国c o m w e l l 对锡矿矿山废水 的处理1 7 2 1 。锡矿井关闭后，流出的废水含有c d ，z n ，a s 和f e 等金属物质，对矿 区造成了严重的水污染。国家河流管理局对此提出了一个解决方案，利用c a r n o n 河谷建设人工湿地以去除矿井水中的金属离子。我国广东省韶关市仁化县境内的凡 口铅锌矿，在1 9 8 4 年修建了人工湿地，以香蒲作为湿地主要植物，经过十几年的 发展与完善，日处理污水能力达2 9 8 万吨。总悬浮物去除率达9 9 ，p b ，z n 和c d 去除率达8 4 9 0 ，达到工业废水排放标准【7 3 】。 造纸工业是能耗、物耗高，对环境污染严重的行业之一，废水中还带有一些致 癌、致畸、致突变的有毒有害物质，污染地面水和地下水源。钱钟书等【7 4 】人研究的 用芦苇湿地处理造纸厂废水，利用芦苇湿地处理造纸废水取得了良好的净化效果： c o d 去除率达到7 0 ，b o d 5 达到8 3 ，挥发酚达到6 0 。同时芦苇产量增加了 1 0 ，可回用于造纸，具有一定的经济效益。王庆九等【7 5 1 人也采用了芦苇人工湿地 处理造纸厂废水，湿地系统中包括氧化塘系统、芦苇田系统、灌排系统。氧化塘系 统后的出水经过清水稀释来浇灌芦苇田系统，灌溉后出水再回水至芦苇田系统中进 行处理，如此循环处理。使最终废水的c o d 去除率达到9 5 ，满足造纸废水排放 标准。 5 3 在城市小区中的应用 某小区利用复合垂直流人工湿地处理生活污水，人工湿地建于某小区绿化带 上，用于处理该小区3 1 1 户的生活污水，湿地占地面积为1 6 0 0 m 2 。其结构和传统的 垂直流湿地不同，由上池和下池两部分组成上池和下池均以砂和砾石为基质。砂粒 径为4 0 7 0 m m ，砂土厚度为4 0 c m ；砾石粒径为4 0 7 0 m m ，砾石层厚度为1 0 c m 。 湿地上池和下池种植美人蕉和黑麦草。c o d 、b o d 、t p 、浊度去除率达到9 0 以 上。n h 4 + - n 、s s 、细菌总数的去除率达到8 0 以上【7 6 j 。 上海首用“人工湿地 技术日处理生活污水3 0 吨，利用1 5 0 平方米的人工湿 地处理园区综合管理楼的污水，处理后的污水能达到排放标准，用来浇灌绿地以及 洗车、冲厕所。据计算，一年可节水1 2 0 0 0 吨。其建设成本是常规技术的一般，运 行维护成本也只有常规技术的十分之，每吨污水处理仅需7 分钱，使用年限在2 0 1 2 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 年以上【7 7 1 。 综上所述，人工湿地处理生活污水是有效的，对c o d 、t n 、n i g + - n 和t p 有 较高的去除率，出水水质较好。人工湿地处理系统投资费、运行费均较低，管理方 便。但人工湿地的设计参数有待更详细的研究，来指导工程实践。应用中存在占地 面积大、处理效率受限、对污染物的降解动力学研究等嘲。 6 湿地存在问题 6 1 湿地植物的衰退问题 湿地植物衰退的问题已经引起人们的关注。人工湿地应用较早的欧洲，湿地植 物芦苇大都出现了衰退现象【7 9 】。引起芦苇衰退的因素很多，如废水的有机物浓度、 重金属浓度、基质的种类、废水水量、气候等，如：a m s t r o n g 等认为植物体腐烂、 水力负荷过高、富营养化引起的植物毒素( 如有机酸、硫化物等) 等是引起芦苇衰 退的主因f 8 0 1 。 6 2 湿地基质的堵塞问题 系统基质的堵塞是湿地中出现的另一个严重问题。堵塞影响因素分析1 8 1 名2 】： 1 基质材料的影响 基质材料的粒径直接影响湿地床体的空隙大小和水容量，是发生堵塞的决定 性因素。石灰石砾石层分解的钙和废水中的硅会发生化学反应，产生无机凝胶体， 造成土壤堵塞。 2 进水污染物负荷 悬浮物的影响：进水中的悬浮物，特别是不可生物降解的悬浮物负荷是湿地堵 塞的重要因素，需要对进水进行预处理，降低悬浮物。 有机负荷的影响：有机负荷过高是堵塞的主要影响因素，并且有机负荷比进水 有机物浓度的影响更大。 3 有机物积累负荷 湿地中累积的有机物总量一般要超过出水所带走的有机物总量，因此会引起湿 地堵塞。湿地植物地上部分衰落时的残留物、根系及根系分泌物、微生物大量繁殖 都会使系统中有机物增加。 4 温度的影响 温度高促进生物活动，提高生长率。一方面导致填料间的有机质加速分解，另 一方面，增加的生物量会填充填料i h j 的间隙。哪方面起主导作用还有争议。 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 系统堵塞会造成填料中的有效渗透体积减少，水力停留时间短，诱发表面流和 短流。床体表面的积水层会阻碍空气中氧气进入基质层，系统的耗氧微生物活性降 低，导致有机物去除率下降。同时，床体表面的积水，滋生蚊蝇使卫生条件恶化 8 3 1 。 詹德吴等【2 1 l 通过示踪剂研究复合垂直流人工湿地小试和中试系统堵塞前后的水力 特征。发现堵塞后湿地床出水流量减小，实际停留时间小试系统由堵塞前2 1 3 h 延 长至3 2 5 h ，中试系统从1 9 4 h 延长至2 6 8 h 。 目前预防堵塞的对策是，在湿地处理工艺的前端增加预处理设施，如沉淀池、 氧化塘等来降低污水中的固体悬浮物浓度；采用较粗粒径的填料；选择合适的水力 负荷和有机负荷等；人工湿地堵塞后解决办法为：更换合适的填料( 多孔质轻不易 板结的便宜材料) ；采用合适的操作工艺；停床休作( 期问无法进行污水处理) 或轮 作来恢复湿地的渗透速率【6 3 1 1 。鉴于湿地植物的根际微生物所具有的强大代谢能 力，通过工程措施提高其碳代谢水平对于提高湿地的c o d 去除率和减缓湿地的堵 塞将具有重要意义。 7 研究目的及意义 本论文的研究目的：文献中有一些对湿地植物根际微生物的筛选报道【3 0 1 ，但 还未查到有关筛选的菌株应用到湿地模型的报道。本实验借助湿地模型研究了人为 添加湿地植物根际微生物菌对生活污水中c o d 的降解效果。研究模型短期间歇运 行、连续运行时的c o d 去除效果；模型冬季运行、春季运行时的c o d 去除效果； 看能否形成成熟的生物膜减少菌的用量；分析温度对去除率是否有影响；测定根际 细菌的数量变化；研究人为添加微生物是否缓解湿地的堵塞状况。为根际微生物菌 在污水处理工程中的实际应用提供基础数据。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章根际微生物处理生活污水的模型规模研究 人工湿地的使用已有多年的历史，人工湿地利用基质一微生物一植物这个复合生态 系统的物理、化学和生物的三重协调，来实现对废水的净化。有关研究表明，在进水 浓度较低的情况下，人工湿地对b o d 5 的去除率可达9 0 ，对c o d 的去除率可达 8 0 1 8 4 1 。微生物是对污染物降解的主要承担者，在整个系统中起着核心作用8 销6 1 。 本实验所使用的美人蕉在国内分布广泛，并有以下优点：对温度适应性强、 具有良好的污染物净化功能、抗逆性强、生长量小、易管理、综合利用价值高、具 有一定的经济、景观效益。本研究的美人蕉人工湿地模型主要由三部分组成：1 ) 具有透水性的基质( 如土壤、砂、砾石) ，为植物提供物理支持，为各种复杂离子、 化合物提供反应界面，为微生物提供附着：2 ) 适于在饱和水和厌氧基质中生长的 植物美人蕉，对污水中污染物质的吸收利用、富集作用；3 ) 生物种群，对污水中 的污染物质的吸收利用、吸附和富集作用1 8 n 。 关于基质、植物、微生物都有大量的研究【j 6 , 3 9 , 8 8 ，对于微生物的研究主要侧重 在菌株的筛选与分离。本实验借助湿地模型研究了人为添加湿地植物根际微生物菌 对生活污水中c o d 的降解效果。通过对c o d 去除率、温度、根际细菌的数量、湿 地的堵塞状况的监测，为将根际细菌应用到实际工程提供基础的数据。 1 材料与方法 1 1 实验材料 1 1 1 选取的植物和填料 美人蕉：学名c a n n a g e n e r a l i s 属单子叶植物纲美人蕉科美人蕉属。又名红艳蕉， 俗名苞米花、昙花，多年生草本。具有一定的观赏效果，广泛用于各地栽培。美人 蕉能有效吸收水中的n 、p 、c 等引起水体富营养化的物质，能净化河水水质和净化 受污染的水体，对污染浓度高的水体有较好的耐污能力，同时能改良盐碱地。 试验所用的美人蕉采自华中师范大学南湖校区的生物园，采样时间为2 0 0 8 年9 月。选取生长状态一致的美人蕉多株作为实验材料，在实验室用蒸馏水洗净。实验 所用的碎石、沙土均采自华中师范大学的办公楼施工现场。 1 1 2 人工湿地模型 人工湿地的深度一般是按水生植物根系自然扩展的深度来设计的。多数为0 6 0 7 m ，但有些湿地植物根系不能达到基质的底部，主要集中在上面2 5 c m 的基质区 1 5 域【l q 。因此，本研究的潜流人工湿地模型深度采用2 5 c m ，并以美人蕉作为湿地植 物，人工湿她的剖面如图所示，长度为4 0 c m ，宽度为2 6 c m ，高2 5 c m ，由整理箱 改装而成。湿地内底层填充直径3 - 5 c m 的碎石1 0 c m ，上层为1 5 c m 厚的沙土，湿 地床上种植4 株美人蕉，分两行栽种，试验在温室内进行。湿地进水通过进水箱重 力流入湿地模型，从另一端出水口处取水样，模型底部装有泄水阀门。模型总计三个： 空白模型处理污水( 不加菌) ；模型1 处理污水+ 菌l ；模型2 处理污水+ 菌2 。 ， 圈2 湿地模型结构罔 f i g 2s t r u c t u r e 【l f w e t l a n dm o d e l 圈3 空白模型 f i g 3t h eb l a n km o d a l 图4 宴验模型( 模型1 ，模型2 ) f i g 4t h ee x p e r i m e n tm o d e l ( m o d e l l m o d e l 2 ) 11 3 生化试剂及仪器设备 液体培养基配方为：牛肉膏5 9 ，蛋白胨1 0 9 ，氯化钠5 蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 值 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 7 2 7 4 。1 2 1 下灭菌2 0 m i n 。 固体培养基配方为：牛肉膏5 岛蛋白胨l o g , 氯化钠5 9 ，琼脂2 0 9 ，蒸馏水 1 0 0 0 m l ，p h 值7 2 , - - , 7 4 。1 2 1 下灭菌2 0 m i n 。 仪器：无菌操作台，高压灭菌锅，h q 4 5 恒温摇床，电子分析天平，t d 5 一i i 离心 机，l o v i b o n dc o d 测量仪器和试剂，秒表，烘箱，容量瓶。 1 1 4 污水和菌株来源 污水来源：生活污水水样来自武汉市沙湖污水处理厂，自然污水c o d 值为8 5 - - 1 3 0 m g l ，灭菌污水c o d 值为2 3 2 - - 3 8 6 m g l 。 菌种来源：本实验室从南湖人工湿地筛选出的对生活污水c o d 具有较高去除 率的菌株，共2 株1 4 。 1 1 5 数据处理和统计分析 用s p s s 、g r a p h p a dp r i s m4 软件进行统计分析。 1 2 实验方法 1 2 1 模型间隔运行 1 ) 将一8 0 度冰箱中的两株菌( 菌l 和菌2 ) 取出，各吸取0 0 5 m l 至5 0 m l 液体培养 基中，在1 2 0 r m i n ，2 8 。c 摇床中扩增培养约4 8 小时。 2 ) 将扩增培养的菌株和培养基混合液，在无菌操作台中分装入5 0 m l 离心管中， 第一次离心4 0 0 0 r p m ，2 0 m i n 。倒掉上清液，加生理盐水，第二次离心4 0 0 0 r p m ，2 0 m i n ， 倒掉上清液，将沉淀( 菌体) 定容至5 m l ，振荡混匀。 3 ) 取3 m l 菌液加到3 l 生活污水中。试验前一天，在模型中加入污水，试验时， 将所存污水排空，注入3 l 污水和菌的混合液，在停留时间为1 2 h ，2 4 h ，3 6 h ，4 8 h 时分 别取出水水样，采用标准重铬酸钾法测定出水中的c o d 浓度并计算c o d 去除率。 对照组不加菌液。 1 2 2 模型连续运行 本实验在冬季和春季分别做了为期两个月的长期实验。模型中污水停留时间为 2 天，添加的菌量为2 9 1 0 6 3 5 1 0 6 个n i l 。 1 ) 将8 0 度冰箱中的菌l 取出，吸取o 0 5 m l 至5 0 m l 液体培养基中，在1 2 0 r m i i l ，2 8 摇床中扩增培养约4 8 小时。 2 ) 将扩增培养的菌株和培养基混合液，在无菌操作台中分装入5 0 m l 离心管中， 第一次离心4 0 0 0 r p m ，2 0 m i n 。倒掉上清液，加生理盐水，第二次离心4 0 0 0 r p m ，2 0 r a i n ， 倒掉上清液，将沉淀( 菌体) 定容至5 m l ，振荡混匀。 1 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 ) 在前一次污水停留时间为4 8 h 时取出水水样，采用标准重铬酸钾法测定出 水中的c o d 浓度并计算c o d 去除率。同时将所存污水排空，取3 m l 茵液加到3 l 生活污水中。在实验模型中注入3 l 污水和菌的混合液，对照组不加菌液，使模型保 持连续运行状态。 1 2 3 温度的测定 将温度计悬挂在温室，每次取水样时，记录温度计读数。 1 2 4 细菌数量的测定 湿地上层土壤的采集：采集时用d n 5 0 的u p v c 管垂直插入土壤中大约1 0 c m ， 轻轻转动管子并取出，在管子的下端取出土样。将其余的土壤还原。 土壤样品的稀释分离：称取土壤样品1g ，放入盛9 9 m l 无菌水并带玻璃珠的三 角烧瓶中，振荡2 0 m i n ，使土壤与水充分混合，将菌分散。用1 支l m l 无菌吸管吸 取l m l 土壤悬液，注入另一盛有9 m l 无菌水的试管中，制成1 0 d 的土壤悬液，同理 制成1 0 4 ，1 0 ，1 0 击各种稀释度的土壤溶液。 土壤微生物数量的测定方法：细菌的计数采用稀释平板计数法。在无菌室内取 融化的上述固体培养基，倒入无菌培养皿中，制成牛肉膏蛋白胨培养基平板，放置 在平台上，待其充分凝固，备用。再取上述各稀释度的稀释液o 1 m l ，分别接入相 应标号的平皿中，每组样品的每个稀释度做3 个重复。细菌菌落数的测定取1 0 4 ， 1 0 巧的稀释液进行接种。将接好菌的平板倒置，置于3 7 恒温培养箱中培养2 4 2 6 h 后记数，记录土壤稀释分离结果。 实验模型出水的稀释：用1 支l m l 无菌吸管吸取l m l 水样，注入另一盛有9 m l 无菌水的试管中，制成l o j 的水溶液，同理制成1 0 。2 ，1 0 。稀释度的水溶液。 出水中微生物数量测定：同土壤微生物数量的测定方法，接种稀释度采用的是 1 0 - 2 ，1 0 - 3 。 1 2 5 土壤渗透率的测定 孔隙率是填料中孔隙体积与填料的总体积之l l t s g j 。湿地模型系统中的砂质由于处 理污水而截留了大量污染物，孔隙体积较天然状态下有所减少，因而将该砂质在天然 状态下的孔隙率作为总孔隙率n ，在湿地中的实际孔隙率称为有效孔隙率n e 【8 1 1 。 计算公式分别为：n = v ( 册 旦e 2 v e t 式中，v o ：填料在天然状态下的孔隙体积，m 3 ； v t ：填料总体积，m 3 ； v e ：填料在湿地实际具有的孔隙体积，m 3 ； 以上参数可通过水量平衡测量得到，v o 为填料天然状态下能容纳水的总体积， v e 为湿地填料实际能容纳水的体积。 图5 土壤渗透率测试管 f i g 5t e s tt u b eo fs o i li n f i l t r a t i o nr a t i o 2 0 0 9 年4 月1 6 日通过采样测量土壤渗透率，将1 m 长的u p v c 管( d n 5 0 ) 。截成 4 等分，每段长2 5 c m ，标号为0 、0 、1 、l ，将短管分别插入模型中部土壤至底层 砂石处，旋转取出上层土壤，在取样的过程中注意不要挤压土样，保证翅4 试的土样 移出湿地后保持原有形状。土样取好后，将取样管的底部用纱布及橡皮筋绑好，在 短管上部注入3 0 0 m l 自来永，测量自来水全部渗完的时间。 2 结果及分析 2 1 模型间隔运行 本实验的c o d 去陈率分别见图6 和囤7 。 h 目f h 图6 三个模型在不同时间对自然生活污东c o d 的去除率 f i g 6t h ec o dd e g r a d a t i o nr a t i oo f n a t u r a ls a n i t a r yw a s t e w a t e ro f t h e ew e t l a n d m o d e l sa td i f f e r e n tt i m e 1 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从图6 可以看出，该三种模型对自然生活污水c o d 的去除率均随着时间的增 加而增加，不同的模型在不同的时间对c o d 的去除效果也不同。模型2 在4 8 h 的 去除率最高，达7 5 3 。模型l 的去除率为7 3 o ，空白模型的去除率为5 0 6 。 臣蕾空白 窟宣模型1 e 署模型2 1 22 43 6鸲 时问h ) 图7 三个模型在不同时间对灭菌生活污水c o d 的去除率 f i g 7t h ec o dd e g r a d a t i o nr a t i oo fs t e r i l i z e ds a n i t a r yw a s t e w a t e ro ft h r e ew e t l a n d m o d e l sa td i f f e r e n tt i m e 从图7 可以看出，该三种模型对灭菌生活污水c o d 的去除率均随着时问的增 加而增加，不同的模型在不同的时间对c o d 的去除效果也不同。模型2 在4 8 h 的 去除率最高，达8 0 1 。模型1 的去除率为7 6 3 ，空白模型的去除率为5 2 2 。 经过方差分析，无论处理的是自然污水还是灭菌污水，尽管模型1 和模型2 对 c o d 的去除率无显著性差异( p 0 0 5 ) ，但自第2 4 h 后，模型1 和模型2 的去除率 均显著高于空白模型( p 0 0 5 ) ，且试验组( 模型1 与模型2 ) 与空白模型之间的差 异随着时间的延续逐步增大，至4 8 h 时，期间的差异可以高达2 2 4 - 2 7 9 。 在模型的短期实验里，发现菌1 和菌2 的处理效果无显著差异。并且两株菌对 自然污水和灭菌污水处理的效果差异不大。因此在长期试验中，只采用菌1 和自然 污水，因为自然污水和灭菌污水相比，自然污水更接近实际工程状况。 2 2 模型连续运行 2 2 1 冬季实验 模型运行4 2 天( 2 0 0 8 1 2 0 4 2 0 0