（环境工程专业论文）人工湿地基质酶活性及污水净化机制研究.pdf

摘要 本文系统研究了温度、p h 、土壤水饱和度、好氧、厌氧环境以及植物种类 对湿地土壤脲酶、磷酸酶活性大小的影响，并借助人工湿地小试和中试试验，比 较研究了不同月份、不同水力负荷、有无植物等因素对湿地脲酶、磷酸酶活性大 小的影响，借助统计分析手段，分析了湿地脲酶、磷酸酶活性大小与污水中t n 、 t p 、n 0 2 - n 、n h 3 - n 、c o d 的去除率之间的相关性。具体研究结果如下： ( 1 ) 不同温度、p h 、土壤水饱和度、d o 等对清安河湿地土壤中的脲酶、磷 酸酶活性影响结果表明：不同温度下磷酸酶、脲酶活性从大到小为3 0 1 5 5 ；酸碱度对脲酶的活性影响结果为p h = 9 p h = 7 p h ：4 ，对磷酸酶的活性影 响正好与此相反；土壤水饱和度对两种酶活性影响为5 0 o 1 0 0 ；好氧条件 下湿地土壤中脲酶、磷酸酶活性普遍比厌氧条件下高。 ( 2 ) 不同植物根际土壤中磷酸酶活性大小表现为：芦苇 香蒲 美人蕉，脲 酶活性大小则为：芦苇 美人蕉 香蒲。 ( 3 ) 通过对运行中的人工中试湿地中土壤酶的活性检测，发现采样月份、进 水流量、采样深度对湿地酶活性产生较大影响。酶活性最高点出现在5 月份，而 最低点则在1 月份；复合流湿地中的上层酶活性是其中下层酶的两倍多；进水流 量在4 0 m 3 l l 时的湿地脲酶、磷酸酶活性明显高于进水流量为7 5 m 3 1 1 时的。 ( 4 ) 通过对湿地中的土壤有机质、总氮、总磷的检测及相关分析，发现湿地 土壤对污水中的有机质、总氮、总磷有很好的吸附累积作用，且与酶活性相关性 较高。 ( 5 ) 通过相关分析得出：湿地土壤中脲酶、磷酸酶活性与污水及湿地土壤中 的t p 、t n 、c o d m i l 、n 0 2 - n 、n h 3 - n 和有机质均表现出较好的相关性( r 0 7 5 4 ， p 1 5 - 5 ；t 1 1 ep he 恐c tt oa c t i v i t ) ，o f u r e a s es h o 、v e dt 1 1 a t ：p h = 9 p h = 7 p h = 4 ，p h o s p h a t a s ew 嬲q u i t en l ec o n t r a 巧；t 1 1 ee f r e c to fw a t e rs a t u r a t i o no fs o i lt 0 a c t i v i 够o fb o t l le n z ) r m e ss h o w e dn l a t ：5 0 0 lo o ；u n d e rt h e r o b i cc o n d i t i o n s ， u r e 缎ea 1 1 dp h o s p h a t a s ea c t i v i 锣g e n e r a l l yl l i 曲e rm a nu n d e r 删b i cc o n d 主t i o n si n t h e 、e ts o i l ( 2 ) a c t i v 毋o fp h o s p h a t a s ei 1 1s o i lu n d e rm ed i 彘r e 】吐p l 锄td ：l i z o s p h e r e ss h o w e d t l l a t ：r e e d c 删l c a 埘1 a ；a c t i v i 够s i z eo fp h o s p h a t a s es l l o w e dt 1 1 a t ：r e e d c a r m a c 删1 ( 3 ) ，1 1 - o u g ht 1 1 eo p e r a t i o no ft 1 1 ec o n s 旬n j c t e dw e t l a i l d si n l ep i l o tt e s t i l l go fs o i l ， f o u i l di nd i 彘r e n tm o m h s ，d i 岱孙弧tw a t e rl o a d ，d i f r e r e n ts 锄1 p l i n gd 印t h ，w e ts o i l p h o s p l 砒略ea 1 1 du r e a u s ea c t i v 匆s h o w e dg r e a td i 位r e n c e s t h e1 1 i 曲e s tp o 血o f e n 巧m ea c t i v i t ) ，w 舔i i lm a y ，n l el o 、e s tw a l si nj 锄成旺y ；e n z y m ea c t i v i t ) ，i n 廿1 eu p p e r o fi 1 1 t e 黜dn o ww e t l 锄d sw a sm o r e 廿1 a nt w i c ei n 1 e1 1 1 i d d l ea n d1 0 w e r1 a y e r s ； a c t i v 时o fu 】_ e a s e 锄dp h o s p h a t a s ei nt 1 1 e4 0m 3 hw a so b v i o u s l y1 1 i 曲e rt l l a ni nm e 7 5m 3 h ( 4 ) t l l l o u 曲廿l e r e l 砷e d a 1 1 a l y s i s a n dt e s t i n go fo 培a n i c m a t t e r ，i l i 仃o g e n ， p h o s p h o r u s i 1 1t l l es o i lo fw e t l a i l d s ，f o u n d 也a tw e t l a n d sh a dag o o da b s o 哦i o n c 啪u l a t i v ee 丘e c tt oo r g a 血cm a _ t t e r ，i l i t r o g e n ，p h o s p h o m s ，a n dh a dal l i 曲r e l a t i v i t ) ， 晰t he n z y m ea c t i v i 吼 l i ( 5 ) w 色c a nc o n c l u d e dt l l a t ：e f 眨e y m ea c t i v i 够o fu r e a s ea n dp h o s p h a ：t a s ei nw 甙【a i l d s h a dal l i 曲r e l a t i v i 够晰t l lt p ，t n ，c o d ，n 0 2 - 】叮，n h 3 - ni nw e t l a n d sa n ds 刖吼g e ( r o 7 5 4 ，p 1 5 一5 。 ( 2 ) 随着培养时间的延长，好氧条件下土壤中的脲酶、磷酸酶活性在3 0 、 1 5 时其活性是逐渐升高的，而5 时其活性是逐渐降低的。在厌氧条件下，3 0 时土壤脲酶的活性在p h = 9 、p h = 7 、p h = 4 三种情况下随时间延长都有所增加，在 1 5 时土壤脲酶的活性在p h = 9 的条件下是增加的，在其它两个p h 值是减少的； 土壤磷酸酶的活性在三个温度、三个p h 值下都是减少的。 ( 3 ) 土壤脲酶在不同p h 值下的活性大小依次为p h = 9 p h = 7 p h _ 4 ，说明 在碱性条件下其活性增加比较快；土壤磷酸酶在不同p h 值下的活性大小依次为 p h = 7 p h - 4 p h = 9 ，说明其活性在中性、酸性条件下比碱性要高。 扩扩 嗍 秽 3 5 2 5 l 5 0 v 3蛐2。 ( 4 ) 土壤脲酶、磷酸酶在不同饱和度下的活性大小依次为5 0 o 1 0 0 。 上述研究结果为中试人工湿地更有效的运行提供了以下几点帮助： ( 1 ) 通过调整污水的酸碱度可以提高湿地酶活性； ( 2 ) 冬季运行时可采取一些措施，保持湿地的温度，来提高湿地酶的活性， 比如在湿地表面覆盖玉米杆，麦桔等； ( 3 ) 两组系统可以交替运行，系统暂时停止时，可以先排空系统中的水， 保证系统处于好氧状态，有利于提高湿地酶活性。 第三章不同植物人工湿地中土壤脲酶、磷酸酶活性变化规律研究 第三章人工湿地中植物对土壤脲酶、磷酸酶活性影响研究 3 1 植物选择 3 1 1 人工湿地植物的选择原则 水生植物能直接吸收利用污水中的营养物质，供其生长发育。废水中的有机 氮被微生物分解与转化，而无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物直 接摄取，合成蛋白质与有机氮，最后转化成生物量，再通过植物的收割而从废水 和湿地系统中除去【9 1 1 。无机磷也是植物必需的营养元素，废水中的无机磷在植 物吸收及同化作用下可转化成植物的a t p 、d n a 、r n a 等有机成分，然后通过 植物的收割而移去嗍。生根植物直接从砂土中去除氮磷等营养物质，而浮水植 物则在水中去除营养物质。许多根系不发达的沉水植物，例如金鱼藻属也能直接 从水中吸收营养物质【9 3 1 。大型挺水植物的茎和叶以及浮水植物的根还可以用来 减缓水流速度，以达到过滤和沉淀颗粒物质的作用。有人在城镇污水处理试验中 发现，种植水烛和灯芯草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18 也8 和2 0 3l ，可见水烛和灯芯草吸收利用了污水中部分 的氮和磷物质【舛1 。 由于湿地植物在污水的净化中具有如此重要的作用，而且在不同季节中，不 同植物种类对污染物质的吸收能力不同，s 锄e c k a - c y m e 肌a 1 1 a 等p 5 1 指出，柳属 ( s a l i x ) 对铁、镉、锌去除效率高；芦苇对铝、钡、铅、锶，去除率高；杨属( p o p u l u s ) 对铜、镍可以高效去除。各种植物的不同部位( 如根、茎、叶等) 对营养物质或重 金属物质的富集程度也不同【9 6 】。所以，筛选合适的植物种类也就成为了建造人 工湿地过程中至关重要的部分。 根据国内外研究经验，人工湿地中植物的选取可以遵循以下原则【1 4 】：要 遵循当地气候特征和植被的分布状况，最好是本土植物；应选择移栽后成活率 高，能较长时间耐水浸并且耐污能力强，对于北方地区还要具有较强的耐寒能力； 尽量选择根系发达，而且生物量大的植物种类；另外，最好有比较广泛的用途， 或者是有一定经济价值的种类。 植物的选用还要根据构建湿地用途的不同选择不同的植物组成。就废水处理 湿地而言，常用的一些植物有芦苇属( p r a g m i t e s ) 、香蒲属( t y p h a ) 、蔗草属( s c i 甲u s ) 、 睡莲( n y m p h a e at e 仃a g o n a ) 等【9 7 1 。同时在湿地运行过程中，还经常有一些杂草的干 扰，可能会对湿地植物的生长有重要的影响，甚至可能会影响处理效果。大量的 实践已经证明，人工湿地在最初设计中，所引种的植物种类随着运行过程的进行 可能会有很大的变化。所以，为了保证湿地植物功能的正常发挥，需要进行长期 的监测和人为控制。 3 1 2 植物的初步选择 综合考虑以上人工湿地植物选择原则，人工湿地植物应具有较强的净化能 力，一定的抗冻抗热能力、抗病虫害能力、对周围环境的适应能力，美化景观等 特点。根据湿地植物选型原则，参考国内外应用实例、人工湿地研究成果及本土 适宜植物，选择水葱、香蒲、美人蕉，所选植物见表3 1 。首先通过室内小试试 验对这三种植物进行研究。 表3 1 所选湿地植物一览表 植物名称生态习性经济价值 美人蕉 多年生草本，花期6 1 0 月药用植物、观赏植物 香蒲多年生草本，花期5 1 0 月编织材料 芦苇 多年生草本，花期5 1 0 月 编织材料 3 2 材料与方法 3 2 1 供试土样 在湿地的不同部位，各取部分土样，充分混合，分别放到四个相同的器皿里， 四个器皿里分别种上芦苇，香蒲，美人蕉以及空白，每天往器皿中倒入少量清安 河的污水，培养两周后，植物完全成活，然后保持器皿中污水高于土面5 c m ，培 养两周后，植物仍然完全成活，然后开始准备试验。 试验分为两个阶段，第一阶段为植物适应性试验，试验历时1 5 d ，目的是使 试验植物逐渐适应污染严重的清安河水，主要考察试验植物的耐污性，观察植物 在不同污水情况下的存活率，得出其致死耐污阈值：第二阶段开始测量土壤中脲 酶、磷酸酶在不同植物影响下活性的大小，找出其变化规律，为中试人工湿地选 择合适的植物提供理论支持。 3 2 2 试验方法 ( 1 ) 植物适应性试验 植物在稀释2 倍的原水中培养两周后，所有植物均能成活，且植物开始长出 第三章不同植物人工湿地中土壤脲酶、磷酸酶活性变化规律研究 新根；在原水中培养两周后，所有植物也均能成活所有植物也均能成活，且植物 根系更加发达。植物适应性试验结果表明，芦苇、香蒲、美人蕉三种植物对清安 河河水均有较强的适应能力。 ( 2 ) 脲酶、磷酸酶在不同植物影响下活性变化规律研究 植物根区磷酸酶和脲酶活性测定参照本论文2 1 2 酶活性的测定方法。在四个 器皿中分别选择对角线上的5 个代表性位点，在植物根区附近( 5 c m ) 取样，然后把 这些基质样品充分混匀，从中称取5 9 新鲜样品，土壤脲酶在3 7 下培养2 4 h ，再 经过滤、显色，在波长5 7 8 n m 处测量光吸收值，再与标准曲线对照，计算酶活性； 土壤磷酸酶在3 7 下培养2 h ，再经过滤、显色，在波长5 1 0 i 皿处测量光吸收值， 再与标准曲线对照，计算酶活性。 3 3 结果与分析 植物根区脲酶( m gn h 3 - 1 w 1 0 0 9 2 4 h ) 、磷酸酶活性( m gp 2 0 5 1 0 0 9 2 h ) 变化 规律如图3 1 、图3 2 。 磊 乙 8 之 z 星 旨 图3 1 不同植物对土壤脲酶活性的影响 4 日 蠢 ：o g 星 旨 1 0 月1 0 日1 0 月1 7 日l o 月2 4 日1 0 月3 1 日1 1 月7 日1 1 月1 4 日 日期 图3 2 不同植物对土壤磷酸酶活性的影响 不同植物对湿地基质脲酶、磷酸酶活性的影响分别见图3 1 、图3 2 。可以看 出相同处理条件下，基质中的脲酶、磷酸酶不管是在空白土壤中还是在有植物的 土壤中，随着时间的推移，脲酶、磷酸酶活性都是增加的。这说明脲酶、磷酸酶 活性在水分充足，温度适宜( 当时培养土壤的温度在2 7 左右) 的土壤中是可以 增加的，增加原因可能是在特定培养条件下两种酶有持续的来源( 如生物分泌或 污水引入) 或者有激活剂的存在。 另一方面，从图3 1 、3 2 还可以看出，种有植物的土壤脲酶、磷酸酶活性比 空白土壤脲酶、磷酸酶活性增加的要快，其中脲酶活性增加的顺序为芦苇 美人 蕉 香蒲 空白；磷酸酶活性增加的顺序为芦苇 香蒲 美人蕉 空白。芦苇根 际的脲酶活性是空白土壤的3 倍，美人蕉根际的脲酶活性是空白土壤的2 倍多，香 蒲根际的脲酶活性是空白土壤的2 倍；芦苇、香蒲、美人蕉根际的磷酸酶活性也 比空白土壤要增加的多。这说明植物根系来源的脲酶和磷酸酶对整个湿地两种酶 活性具有较大的贡献；此外，植物根系的泌氧能力及对根际区疏松度改变能力也 会对酶的活性产生影响，其作用原理主要是通过植物对根际区好氧环境的营造来 调控酶或能够分泌酶的微生物的活性。植物经光合作用产生的氧气，一部分通过 组织和根毛输送并释放到湿地环境中，并在根区或根际周围形成了一个好氧环 境，这一环境能促进有机物质的分解和硝化细菌的生长。这与r o s s 和s p e i r 等人的 研究相一致。说明这三种植物都可以使基质脲酶、磷酸酶的活性增强，适合在中 试湿地中大规模种植。 d u l l l l b a b i n 等人的研究也为这一理论提供了充分的依据，d u i l l l b a b i n 等测试了 4 5 3 5 2 5 1 5 o 3 2 l o 第三章不同植物人工湿地中土壤脲酶、磷酸酶活性交化规律研究 小型湿地根区的氧浓度、p h 值及氧化能力，发现三者在有植物系统中皆高于无 植物系统，即使在人工湿地中补充碳量加大耗氧量的情况下，无植物系统中氧浓 度大量下降，而有植物系统根区仍然能保持良好氧化状态。表明植物具有输送氧 气至根区的功能1 9 8 1 。a c b j n 锣a 等在研究芦苇根区氧含量的过程中也证明了芦苇在 湿地中的输氧作用例。 还有研究指出【1 删，有植物与无植物系统基质中细菌群落有明显差异，而不 同植物的系统基质中细菌群落并没有明显差异，这也可以说明植物的输氧功能为 根区微生物的生长提供了必要条件，研究还发现离根毛较远的区域呈现缺氧状 态，更远的区域则完全处于厌氧状态，厌氧区里富含枯枝碎屑及底质层，其中含 有大量可利用的碳源，这又提供了反硝化条件【1 0 1 1 。从而硝化细菌、反硝化细菌 就可以通过硝化作用、反硝化作用将有机氮磷等营养物转化为铵离子、硝酸根离 子、磷酸根离子等无机盐形式被植物吸收或生成沉淀【1 0 2 】，这也是有植物系统土 壤酶优于无植物系统的重要因素。 植物的根系或根孔是湿地生态系统中物质传输不为人见的“高速公路”【1 0 3 】， 系统中部分水分和氧分的变化会很快地通过根系或根孔影响到系统的其它部分。 植物根孔是土壤大孔隙的一个重要类型，在土壤优先水流，溶质运输，环境污染 物迁移与降解等方面具有重要的作用，而植物根孔还可以看作植物根系同土壤之 间的一个重要界面，同时也增加了基质中的空气界面，在根际微生态系统中扮演 着重要的角色，这也是有植物系统土壤酶优于无植物系统的重要因素。 3 4 本章小结 通过对不同植物根系磷酸酶、脲酶活性大小的测定，得出以下结论： ( 1 ) 相同条件下在种有芦苇、香蒲、美人蕉的土壤中脲酶活性均大于无植 物的空白土壤，顺序为芦苇 美人蕉 香蒲 空白。其中芦苇根系的脲酶活性是 空白土壤的3 倍，美人蕉根系的脲酶活性是空白土壤的2 倍多，香蒲根系的脲酶活 性是空白土壤的2 倍。 ( 2 ) 相同条件下在种有芦苇、香蒲、美人蕉的土壤中磷酸酶活性均大于无 植物的空白土壤，顺序为芦苇 香蒲 美人蕉 空白，且增加效果明显。 此结论为中试人工湿地更有效的运行提供了以下几点帮助： 芦苇、香蒲、美人蕉对清安河的污水均有较强的适应能力，并能够增加土壤 中脲酶、磷酸酶的含量，为中试人工湿地植物的选择提供理论依据。 第四章清安河湿地现场中试试验 第四章清安河湿地现场中试试验酶活性特征研究 4 1 清安河湿地工程概况 清安河位于淮安市，处于京杭运河及里运河包围的市区三角形地带，是1 9 5 9 年市区段里运河改道时调整排灌水系而人工开挖的。清安河市区段长9 4 k m ，该 河走向自淮海南路船舶修理厂，由西向东渡过淮安市区南部，经清安河地下涵洞 穿过里运河，在楚州南门桥西侧与入海水道南偏泓( 原排水渠) 汇合，总长2 2 0 4 k m ，现状径流量约1 5 m 3 s ，是入海水道主要的入河排污口之一。该处气候温和， 雨水充沛，四季分明，年平均气温1 4 1 ，年均降水量9 2 8 2i i l i n ，年无霜期平均 达2 2 0 天。 4 1 1 场地选择 在综合考虑了该地区建设实际工程的可能性、进水的水质状况、洪水期工程 的安全性、试验监测的便利性和充分利用地形的可能性等方面因素，该项目的人 工湿地处置工程布置在截污导流尾水进入淮河入海水道南泓的源头一淮安段南 北泓之间的滩地上。 4 1 2 工程规模 根据淮河入海水道的战略地位、清安河的污染状况、入海口及近岸海域现状 环境污染现状以及南水北调东线治污规划要求，该项目工程是作为整个淮河入海 水道治理工程的前期工程，进行工程规模研究。本工程所涉及的工程内容包括： 复合流人工湿地工程、表面流人工湿地、地下潜流人工湿地、生态塘和生态河道。 其工程规模如表4 1 。 表4 1 湿地规模 湿地类型数量( 块)每块面积( m 2 )总面积( m 2 ) 复合流 28 0 0】6 0 0 表面流 87 0 05 6 0 0 潜流 27 0 01 4 0 0 生态塘68 7 55 2 5 0 生态河道 16 06 0 4 1 3 布置形式 清安河人工湿地平面布置图、高程布置图见图4 1 、图4 2 。两组并联，每组 包括复合流人工湿地、表面流人工湿地、潜流湿地、生态塘等，最后每组湿地系 统的出水在生态河道汇集，共同排入淮河入海水道。 图4 。1 湿地平面布置图 提升泵坑复合垂直流湿地表面流湿地 潜流湿地 生态塘 图4 - 2 湿地高程布置图 4 1 3 湿地植物配置 湿地植物的配置情况见图4 3 端 屯 去潜流湿地 4 1 4 湿地运行条件 图4 3 湿地植物分布图 - 3 2 第四章清安河湿地现场中试试验 清安河湿地工程于2 0 0 7 年1 1 月建成并开始运行，由于是在冬季，植物无法生 存，故在2 0 0 7 年1 1 月到2 0 0 8 年3 月这段时间先裸床运行。湿地工程由两套完全相 同的系统并列组成，见图4 1 。为了比较在不同进水负荷下土壤酶活性与污水去 除率之间关系以及土壤酶活性与土壤中理性指标之间的关系，1 群系统的进水流量 为4 5 m 3 l l ，2 拌系统进水流量为7 5 m 3 h 。每天进水时间为8 h ，停留时间为1 2 h 。 2 0 0 8 年3 月，天气变暖，在1 群系统种植了不同的植物，2 群系统继续空床运行， 为了在相同条件下比较湿地中种有植物后，土壤酶与污水去除率之间关系以及土 壤酶活性与土壤中理性指标之间关系发生的变化，把1 撑系统和2 撑系统的进水流量 改为一致，都为4 5 m 3 l l 。 4 2 试验材料与方法 4 2 1 试验材料 中试试验的频率为每周一次，然以月为单位，取其平均值，对比土壤酶与污 水去除率之间关系以及土壤酶活性与土壤中理性指标之间关系。 水质检测指标包括：t n 、t p 、n h 3 - n 、n 0 2 n 和c o d m i l ；酶检测指标包括： 基质磷酸酶和基质脲酶；土壤的理性指标包括：土壤中总氮、总磷、有机质。 水样的采集：每次在系统中各湿地池的进水口和出水口处取水，取水后立即 在试验室内进行各项水质指标的检测。 土样的采集：用取样器把湿地中的基质采集上岸后，轻轻倒掉上覆水，用镊 子轻轻把样品放置于采样前准备好的封口袋中，排掉空气，封装后置于黑色样品 袋中，闭光放置。采集的土壤样品带回试验室后，挑去其中的碎石等杂物，按照 一定的顺序排列，风干。试验时用研钵捣碎研细，过1 0 0 孔筛。 4 2 2 试验方法 主要仪器：硬质凯氏烧瓶，半微量定氮蒸馏装置，半微量滴定管，锥形瓶， 分光光度计；容量瓶，三角瓶，量筒，滴定管，土壤筛，分析天平，电炉等。 主要试剂：硫酸，氢氧化钠，硼酸，溴甲酚绿，甲基红，硫酸钾，五水合硫 酸铜，硒粉，高锰酸钾，还原铁粉，辛醇，柠檬酸，苯酚，磷酸苯二钠，钼酸铵， 浓高氯酸，浓硫酸，2 ，4 二硝基酚指示剂，钼锑储存液；钼锑抗显色剂；5 m g l 磷标准液，邻啡罗啉指示剂等。 4 2 3 试验方法 ( 1 ) 土壤脲酶、磷酸酶的测定方法同第二章2 1 2 酶活性的测定。 ( 2 ) 水样中c o d m l i 、总氮( n d 、总磷( t p ) 、n h 3 - n ，n 0 2 n 等按照文献水 和废水监测分析方法进行测定。 ( 3 ) 土壤有机质含量( 0 m ) 测定，采用重铬酸钾氧化稀释热法；土壤 全氮的测定，采用半微量开氏法；土壤全磷的测定，采用酸溶钼锑抗比色法， 具体可参考土壤理化分析与剖面描述。 ( 4 ) 所有数据均在s p s s l 3 o 支持下进行处理。 4 3 结果与分析 4 3 1 运行期问不同进水负荷、植物对土壤酶活性影响 运行期间不同进水负荷、植物对基质脲酶( m gn h 3 d w l o o g 2 4 h ) 、磷酸酶活 性( m gp 2 0 5 1 0 0 9 2 h ) 影响如图4 4 图4 - 1 5 。其中从1 2 月1 0 日到3 月9 日这段时间 1 群系统的进水流量为4 5m 3 l l ，2 撑系统的进水流量为7 5m 3 h ；3 月2 5 日到5 月2 3 日 这段时间两个系统的流量一致都为4 5m 3 h ，1 群系统种有植物，2 群系统仍旧裸床 运行。复合流上层、中层、下层三处取样点的高度分别为o 1 0 c m ，1 5 - 2 5c m ，3 0 - 4 5 c m ，在复合流的上下行流池中分别选择几个代表性的位点，然后把这些基质充 分混匀。表面流四个池子中分别在池底表面5c m 取土，每个池子。潜流的上层、 中层、下层三处取样点的高度分别为o 1 0 c m ，1 5 2 5c m ，3 0 4 5c m ，每层选五处 代表性的点取样，然后均匀混合。 母上层 日中层 下层 1 # l2 # i1 # l2 # l1 # l2 # l1 # i2 # l1 # i2 # 1 2 月1 0 日i1 2 月2 5 日l1 月1 0 日l 1 月2 0 日i2 月2 5 日 1 # i2 # 3 月9 日 日期 图4 4 进水流量对复合流磷酸酶活性的影响 8 7 6 5 4 3 2 1 0 lln凹ooh8n钆凹目 第四章清安河湿地现场中试试验 日期 图4 5 植物对复合流磷酸酶活性的影响 从图4 4 和图4 5 可以看出，复合流人工湿地基质中磷酸酶活性( 以p 2 0 5 计算) 在o 1 1 1 2 7 m 1 0 0 9 2 h 之间。在复合流上层磷酸酶活性较大为o 8 8 3 1 1 1 1 2 7 m 1o o g 2 h ，复合流下层磷酸酶活性最低。可见，在复合流不同深度基质中磷酸 酶的活性有明显差异，随深度增加，土壤中磷酸酶的活性逐渐减弱。 基质中磷酸酶的活性也因月份的不同有差异，1 2 月1 月份这段时间淮安地区 温度在零下，水面全天有冰，其酶活性很低，到了2 月底，随温度上升，基质中 磷酸酶的活性也逐渐升高，到5 月份其活性是一月份的8 倍多，可见，温度对酶的 活性具有重要的影响。 不同的进水流量对磷酸酶活性的影响是不同的。从图4 4 可以看出，相同条 件下1 撑池磷酸酶活性明显高于2 拌池的。可能是因为进水流量小的池子其基质周围 营养物质较多，有利于微生物的生长与挂膜，从而导致酶活性升高。 图4 5 可以看出植物对复合流基质中磷酸酶活性影响不大。主要原因是中试 现场植物种植时间比较短，新的根系还没有完全长出来，部分植物( 如麦冬草、 葱兰) 适应污水的能力比较差，植物根系周围的微生物活动较少，导致基质中磷 酸酶活性变化不大。 2 0 8 6 4 2 o l l 臼上 蓁 目咩 j 国l氢藿 囝_ f j羽匡匡i 垦l量 1 # | 2 #1 # l2 # 1 # l2 #1 # i2 #1 # i2 #1 # l2 # 1 2 月l o 日1 2 月2 5 日1 月1 0 日1 月2 0 日2 月2 5 日 3 月9 日 日期 图4 6 水力负荷对复合流脲酶活性的影响 日期 图4 7 植物对复合流脲酶活性的影响 从图4 6 、4 7 可看出，复合流人工湿地基质中脲酶活性( 以n h 3 - n 计算) 在o 3 8 5 3 2 m gn h 3 - n 1 0 0 9 2 4 h 之间。在复合流上层脲酶活性较大为5 8 9 2 3 8 5 3 2 m g n h 3 - n 1 0 0g 2 4 h ，复合流中、下层脲酶活性较低，上层酶活性相当于中、下层 的两倍。中下层酶之间没有明显差异，变化不是太大，这可能与能够产生脲酶和 磷酸酶的微生物主要分布于溶氧环境较好的复合流上层有关，从氮的去除主要集 中于复合流上层也可以对此提供证明。 弘 沥 加 坫 加 5 0 辱n8_【n-c受置 钙 踮 筋 加 坫加 5 o ii吖n。o【，i_乞e 第四章清安河湿地现场中试试验 基质中脲酶的活性也因月份的不同有差异。湿地运行初期，基质脲酶活性相 对较高，随着温度的降低，其活性也逐渐减少，尤其是中下层脲酶活性，在二月 初，基本上丧失了活性。三月以后，随着气温的增高，其酶活性也逐渐升高，说 明温度对脲酶活性影响比较大。 在不同的水力负荷下，1 襻池脲酶活性明显高于2 撑池的，这是因为1 群池的流量 小，污水在池中的停留时间相对就长，水中的营养物质，悬浮物等在基质上沉积 比较充分，有利于微生物的生长，从而1 拌池脲酶活性比较高。 图4 7 可以看出植物对复合流上层基质中脲酶的活性有一定影响。对中下层 脲酶活性的影响不大，主要因为刚种植的植物( 如麦冬草、葱兰) 适应污水的能 力比较差，植物根系还不是很发达，根系还没有长到湿地基质下层，所以植物的 影响主要表现在上层。 日期 图4 - 8 水力负荷对表面流磷酸酶活性的影响 7 6 5 4 3 2 l 0 inoo【on山暑 图君：西 雾 1 1 日君：西：2 口君：西：3 n 葶：西：4 ：l ：l ： ；： ；： i ： 三： 三： 三：二 8 霪ii ：ll雾蓁 1 一 ； 囊 ： 重 ： ： ： ： ： ： 1 #2 #1 #2 #1 #2 #l # 2 #l #2 # 3 月2 5 日4 月1 9 日5 月7 日5 月1 5 日5 月2 3 日 日期 图4 9 植物对表面流磷酸酶活性的影响 图4 8 、图4 9 可以看出表面流中磷酸酶活性在不同的月份变化范围很大，在 0 1 9 2 6 1 6 8 7 2 5 m g p 2 0 5 1 0 0 9 2 h 之间，从图4 5 可以看出，1 撑系统土壤磷酸酶的 活性明显大于2 群系统的，这是因为1 j 5 系统进水流量为4 5 m 3 1 1 ，2 拌系统进水流量为 7 5 i n 3 h ，不同流量对系统磷酸酶的活性也不相同，1 群系统水力停留时间比较长， 有机质沉淀效果相对较好，有利于土壤中微生物的繁殖，相应酶活性也就较高。 从图4 8 、图4 9 可以看出，1 2 月下旬到2 月初，温度较低，常伴有雨雪天气，有 时水面会结冰，两套系统中磷酸酶的活性普遍减少，到了2 月中旬，随着温度的 升高，酶活性也明显增高，温度过低导致土壤中磷酸酶的活性降低，温度升高其 活性也上升，说明温度是影响磷酸酶活性的一个主要因素，这和小试试验的结果 是一致的。 从图4 9 可以看出，种有植物的1 捍系统其磷酸酶活性明显大于相同流量下空 床运行的2 群系统，湿地中的植物通过光合作用给系统提供一定的氧气，植物发达 的根系，可以给微生物提供良好的栖息场所，有利于酶活性的增强。植物残体在 土壤中分解时，c 0 2 的释放量增加，微生物的数量可以维持在较高的水平，这些 也可以导致湿地中磷酸酶活性的增强。说明植物对磷酸酶活性的影响也是显著 的。 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 1 1 1 1 1 第四章清安河湿地现场中试试验 日期 图4 1 0 水力负荷对表面流脲酶活性的影响 日期 图4 1 1 植物对表面流脲酶活性的影响 从图4 1 0 、图4 1 l 可以看出，脲酶活性在季节上的变化和磷酸酶活性一样， 在1 2 月中旬到2 月初这段时间，其活性是减少的，到了2 月中旬左右，其活性才随 着温度的升高，逐渐的增强。从图4 7 可以看出，在两种不同流量下，1 群系统脲 酶活性比2 撑要高，可能是因为1 群系统的进水流量比较小，水力停留时间长，土壤 基质上的有机物质比较多，导致其脲酶的活性比2 撑系统要高。从图4 1 1 可以看出， 相同流量下，种有植物的1 群系统脲酶活性要比2 撑系统高，可能是由于植物在生长 印加如加加o i甘noo一znlz巨 如 加 加 。 正寸n曲oohz。nz置 过程中，影响到土壤中氧气的含量，尤其是在植物根系周围，在系统运行过程中， 植物还可以拦截污水中大的悬浮物，植物周围的营养物质比较多，也可以导致脲 酶活性的增强。 母上层 日中层 口下层 1 # 2 # l1 #2 # i1 #i 2 #l #2 #1 # 2 # l 1 #2 # 1 2 月1 0 日l1 2 月2 5 日i1 月l o 日i1 月2 0 日i 2 月2 5 日l3 月9 日 日期 图4 1 2 水力负荷对潜流磷酸酶活性影响 日期 图4 1 3 植物对潜流磷酸酶活性的影响 从图4 1 2 、图4 1 3 中可以看出，潜流上层磷酸酶活性基本上没有规律，变化 比较大，尤其是在3 月2 5 日和4 月1 9 日这两次所测的磷酸酶活性比其它几次要高， 这可能是因为所采取上层基质中的水分含量及水中p h 值不同所引起的差异。潜 流中、下层磷酸酶的活性基本上随温度升高而增强，说明温度与磷酸酶的活性是 6 5 4 3 2 1 0 上nmoo一曲on乱曲暑 6 5 4 3 2 1 o inoo【on山吕 第四章清安河湿地现场中试试验 有相关性的。总体来说，潜流上层磷酸酶活性 中层 下层，可能是因为上层氧 气充分，基质比较疏松，含水率也适中的缘故。进水流量的大小也同样影响着潜 流中磷酸酶的活性，从图4 1 2 可以看出，1 拌系统的磷酸酶的活性也比2 撑系统高。 植物对磷酸酶的活性也有一定的影响，植物根系周围的磷酸酶活性要比空床运行 系统中的磷酸酶活性高。 1 4 1 2 辱1 0 n 占8 o 罕6 z z 兽4 2 0 日期 图4 1 4 水力负荷对潜流脲酶活性的影响 日期 图4 1 5 植物对潜流脲酶活性的影响 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 1 1 1 1 l 从图4 1 4 、图4 1 5 可以看出，脲酶的活性受温度的影响也比较大，在最寒冷 的两个季节里，其活性很小，甚至为0 ，说明脲酶的活性在冬季受到抑制，随着 气候转暖，脲酶活性也逐渐升高。与磷酸酶有所不同，其酶活性的大小是下层 中层 上层，可能是因为污水中的有机物被拦截在下层，下层的营养物质最高， 其次是中层；从图4 1 5 还可以看出，1 撑系统的脲酶活性要比2 样系统高，说明植物 对脲酶的影响也是显著的。 4 3 2 运行期间湿地土壤中t n 、口、有机质含量的动态变化规律 不同处理单元土壤中有机质的含量见图4 1 6 、4 1 7 ，总氮含量见图4 1 8 、4 - 1 9 ， 总磷含量见图4 2 0 、4 2 1 。 3 0 2 5 2 0 凹 鼍1 5 昌 1 0 5 0 日期 图4 1 6 水力负荷对表面流土壤中有机质含量的影响 囵表面流1 目表面流2 囝表面流3 日表面流4 日 冈 日表面流3 l i i i 闲 固表面流4 l i ； 戳 圈圜闺圈鋈 l #2 #1 #2 抖1 #j2 # 1 #2 # 1 #j2 # 3 月2 5 日4 月1 9 日5 月7 日5 月1 5 日5 月2 3 日 日期 图4 17 植物对表面流土壤中有机质含量的影响 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 第四章清安河湿地现场中试试验 从图4 1 6 、4 1 7 可以看出，有机质的含量是不断升高的( 1 月、2 月两个月份 因为雨雪天气影响导致有机质含量降低除外) ，说明表面流湿地系统中的土壤对 污水中的有机物有很好的吸附作用。 当湿地接纳的是低含碳量的污水，或是低有机含量的污水时，这时系统中的 微生物需要利用湿地本身的碳作为生命活动能量的来源。如果系统是天然湿地， 在经过多年的植物枯落物的积累等途径，湿地中会有一定量的有机质能给细菌提 供碳源。但是，在新建的人工湿地系统中，常常需要较长时间的积累才能达到天 然湿地的有机质含量水平。因此，建议在建设初期考虑向人工湿地额外添加碳源， 国外很多类似的研究中都添加了甲醇，但是这样会增加一定的建设成本。 m c c 神等【1 叫就利用甲醇为碳源，研究出碳的含量与硝酸盐、亚硝酸盐以及 溶解氧的关系表达式为： c m = 2 4 7 ( n 0 3 却+ 1 5 3 ( n 0 2 却+ o 8 7 ( d o ) 上式认为，当d o 存在时，c ：n 应大于2 4 7 。因为湿地是开放于大气的系统， 会有d o 的存在以造成有机质的好氧分解，因此在这样的系统中碳的需求量应大 于理论的需求量，以获得较好的硝化一反硝化效率。 实际上，在人工湿地基质中添加一些有机物，如草屑、枯枝或收割的湿地植 物等，它们可以代替甲醇成为人工湿地的碳源。 本湿地系统的污水来源主要为造纸厂用水和生活污水，因此污水中的有机物 含量较高，一般c o d 值都在4 5 m 朗左右，因此在每个处理单元的土壤中都会积 累很高的有机质，废水中的有机物经过湿地的沉淀、过滤，可以很快被截留下来， 己备微生物代谢活动所利用。 理论上，湿地系统中积累的有机物在沿水流方向分布为：废水入口处，有机 物的积累量较大，而且随着距离的增加，有机物积累量逐渐下降。这与c 埘s c t a l l l l e r 等【1 0 5 1 的研究相吻合，在他们的研究中通过在垂直流砂滤床取样分析得出， 种植植物的湿地系统废水入口处有机物积累量最高达9 5 k 卧n 2 ，而在出口处则下 降到2 5 k g m 2 。而在没有种植植物的湿地系统中，有机物积累量在1 4 k g m 2 之间 变动。该研究中还指出有机物积累量在垂直方向上的分布随着床体深度的增加而 呈现减少的趋势。在种植植物的系统中，有机物的积累主要发生在湿地表面和上 面的基层。我们的试验中，有机物的积累也基本符合这一规律，但是由于湿地系 统运行时间尚短，且植物生长状态没有达到最佳，以及每个表面流池子里的原有 植物分布不均，导致了个别处理单元中有机物的积累情况出现差异。 1 2 1 o 8 鼍o 6 鲁 0 4 0 2 o 2 1 8 1 6 1 4 锄1 2 】 凹 昌o 8 o 6 0 4 0 2 o 田 c i 一 睡 融囱由团蕊闺匡 1 # f2 #1 # f2 #1 # f2 #l # f2 #l # l2 # 1 # l2 # i 1 2 月1 0 日1 2 月2 5 日1 月1 0 日1 月2 0 日2 月2 5 日3 月9 日1 日期 图4 1 8 水力负荷对表面流土壤中总氮含量的影响 图l j 一 图表鳓陡 | 萋 黼i 日表面流2 鋈蘩 i 黍 四表面流3 l i 誊 l 萋 口表面流4 l i l | j l 懿 图圈团闺鋈 l #2 # 1 # 2 #1 #2 #1 #2 #1 # 2 # 3 月2 5 日4 月1 9 日5 月7 日5 月1 5 日5 月2 3 日 日期 图4 1 9 植物对表面流土壤中总氮含量的影响 不同处理单元土壤中总氮的含量见图4 1 8 、4 1 9 ，总氮的含量随着湿地的运 行时间延长而升高( 1 月、2 月两个月份因为雨雪天气影响导致总氮含量降低除 外) ，说明人工湿地系统中的土壤对污水中的氮素有很好的吸附作用。 从2 0 0 7 年1 2 月1 0 日到2 0 0 8 年3 月9 日这段期间，土壤中氮的含量先降低然后再 升高，主要是因为在1 月、2 月期间，气候比较寒冷，雨雪天气比较多，为保护水 泵，防止管道冻坏，在结冰的这段时间，湿地没有运行，可能导致土壤中总氮含 量较少，到了二月下旬，水泵正常运行，气候也逐渐变暖，土壤中总氮的含量又 开始增加。 第四章清安河湿地现场中试试验 从图4 1 8 可以看出，相同条件下1 撑系统土壤中总氮的含量略高于相同时期2 撑 系统的。可能是因为1 群系统的进水流量比2 拌系统低，有利于土壤吸附污水中氮素， 而且在相同系统里，第一个池子土壤的含氮量要高于其它三个，说明第一个池子 去除污水中的氮素相对其它三个池子高，沿着水流方向逐渐减少。 从图4 1 9 可以看出，相同条件下1 撑系统土壤中的总氮的含量高于相同时期2 群 系统的。在1 6 系统种植的植物经过一个月的生长，基本已经长出新根，为植物根 区的土壤提供一个好氧环境，也为硝化作用提供了有氧条件，对污水中氮素的去 除发挥着重要的作用；并且l 群系统的进水流量一直都比较稳定，这些都有利于土 壤更充分地吸附污水中的氮元素。到了5 月份，土壤中的总氮含量显著升高，比3 月份要高4 倍左右，可能是因为芦苇、香蒲和水葱生长比较茂盛，存在一定的致 淤效应，能够截流更多的氮污染物，从而导致土壤中总氮含量明显升高。 1 2 1 o 8 鼍o 6 暑 o 4 o 2 0 1 2 l 0 8 鼍o 6 富 o 4 0 2 0 母表面流1 且表面流2 日表面流3 圈表面流4 1 2 月1 0 日 1 # l2 # 1 2 月2 5 日 1 # 1 月1 0 日 l # l2 # 1 月2 0 日 日期 1 #2 # 2 月2 5 日 图4 2 0 水力负荷对表面流土壤总磷含量影响 l #2 # 3 月9 日 一 图o 酬 匿 曩 陲 霾国雾匡匡，雕羹 1 #2 #l #2 ：l ；2 #1 #2 #l # 2 # 3 月2 5 日4 月1 9 日5 月7 日 5 月1 5 日5 月2 3 日 日期 图4 2 1 植物对表面流土壤总磷含量影响 从图4 2 0 、图4 2 1 可以看出，表面流土壤中总磷的含量随着湿地的运行时间 延长而略有升高( 1 月、2 月两个月份因为雨雪天气影响导致总磷含量降低除外) ， 说明人工湿地系统中的土壤对污水中的磷元素有很好的吸附累积作用。 从图4 2 0 可以看出，在不同的进水流量下，l # 系统土壤中总磷的含量要高于 2 群系统的，说明进水流量大的2 拌系统污水中的磷元素去除效果不如进水流量小的 1 群系统。气候的降低也使土壤中总磷的含量减少，说明季节的变化对湿地处理污 水的效果有着显著的影响，这和国内外的许多研究成果相一致。 从图4 2 l 可以看出，1 群系统土壤中总磷的含量要明显高于2 样系统的，说明植 物在人工湿地系统中对磷的去除起着重要作用。这是因为湿地中植物的光合作用