（环境工程专业论文）土壤渗滤法工艺运行中土壤酶海性研究.pdf

复日大学硕士学位论文土壤渗滤法t 艺运行中土壤酶活性研究 摘要 liyqllllllll96ltlllllllllllllll711111螋 土壤渗滤系统是一种充分利用土壤微生物植物系统的自我调控机制的生 态型污水就地处理工艺。本课题通过实验室模拟运行的方式，研究不同工况条件 下系统的运行效果以及土壤酶活性的分布变化情况，分析土壤酶与工况条件以及 污水净化效果之间的关系，探讨利用土壤酶活性作为评价土壤渗滤系统净化效果 的可行性。 人工配水和实际生活污水的实验结果表明，土壤渗滤系统对c o d 、n h 3 - n 和耶有良好的去除效率，复合土壤组成、进水有机负荷、c o d t n 比例的改变、 硝化抑制剂d c d 对它们的去除效率影响很小( p 0 0 5 ) 。但水力负荷的提升会 引起系统水质净化效率的下降，高水力负荷工况下出水水质恶化，危害地下水安 全。 通过考察不同实验参数，结果发现，同废水性质相比，系统复合土壤的c n 比对系统脱氮效果的影响更大。高土壤c n 系统( c 1 、c 2 和c 4 ) 的脱氦效果要明 显好于低土壤c n 系统( c 3 ，p 0 0 5 ) 。而过氧化氢酶在 不同工况间波动明显( p 0 0 5 ) ，水力负荷的提 升会增强其活性。土壤系统间脲酶活性有明显差异( p 0 0 5 ) 。低温环境会抑制土壤酶活性的表达。硝化抑制剂d c d 会抑制系统过氧化 氢酶和脲酶活性的表达，但对n a r 、n i r 活性的影响则因土壤组成的不同表现 出抑制或促进作用。 土壤酶活性与污水净化之间的相关性分析表明，进水有机负荷、水力负荷的 大小与土壤酶活性的相关性并不显著( p o 0 5o 而进水c o d t n 比与系统n a r 、 n i r 活性之间则存在一定的正相关关系，尤其在某些土壤系统( c 2 和c 3 ) 的部 分土层，这种正相关性是显著的( p 0 0 5 ) 。脲酶活性与污水脱氮效率有着明显 的关联( 如c 1 ，c 2 和c 3 ，p 0 0 5 ) 。 关键词：土壤渗滤法( s i t ) ；水质净化；土壤酶活性；多糖 中图分类号：x 7 0 3 1 ：x 5 3 n 复旦大学硕士学位论文 土壤渗滤法工艺运行中十壤酶活性研究 a b s t r a c t s o i li n f i l t r a t i o nt r e a t m e n t ( s i t ) i sa l le c o l o g i c a l l yi n s i r ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y d u r i n g s i tp r o c e s s ，p o l l u t a n t sa r e p u r i f i e dt h r o u g hi n t e g r a t e d s e l f - r e g u l a t i o nm e c h a n i s m s o ft h e s o i l - m i c r o o r g a n i s m - p l a n ts y s t e m t h i ss t u d y f o c u s e do nt h ep u r i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea n ds o i le n z y m ea c t i v i t i e st h r o u g hl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s a n dt h ee f f e c t so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ns o i le n z y m e sw e r ea l s o c a r r i e do u t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o l l u t a n tr e m o v a l sa n de n z y m ea c t i v i t i e s ，a n d t h ef e a s i b i l i t yo fs o i le n z y m e sb e i n gu s e da si n d i c a t o r sf o rp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw e r e f i n a l l yd i s c u s s e d s 1 te x h i b i t e de x c e l l e n tr e m o v a le f f i c i e n c i e sf o rc o d ，n h 3 - na n dt p , w h i c h w e r el i t t l ea f f e c t e db ya r t i f i c i a ls o i lc o m p o s i t i o n s ，i n f l u e n to r g a n i cl o a d i n g sa n d c o d t nr a t i o s ，a n dn i t r i f i c a t i o ni n h i b i t o ra d d i t i o n ( d i c y a n d i a m i d e ，d c d ) p 0 0 5 ) t h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cl o a d i n gr a t e sw a sn o tt h ec a s e u n d e rt h ec o n d i t i o n so f h i g h e r h y d r a u l i cl o a d i n gr a t e , t h ee f f l u e n tq u a l i t yf r o ms i tt e n d e dt ob ew o r s e n , w h i c hi sn o tf a v o r a b l ef o rt h ec o n s i d e r a t i o no fg r o u n d w a t e rs a f e t y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta r t i f i c i a ls o i lc nr a t i o sh a dg r e a t e ri n f l u e n c eo n n i t r o g e nr e m o v a lo fs i t , c o m p a r e dw i t l lo t h e ri n f l u e n tc h a r a c t e r i s t i c s h i g h e rn i t r o g e n r e m o v a l sc o u l db eo b s e r v e di nt h es y s t e m sw i mh i g l lc nr a t i o s ( c1 ，c 2 ，a n dc 4 ) p 0 0 5 ) c a t a l a s ea c t i v i t i e s h a dn os i g n i f i c a n t s p a t i a l d i f f e r e n c ep 0 0 5 ) ，a n di n c r e a s e dw i t ht h ee l e v a t i o no fh y d r a u l i cl o a d i n g s w h i l e u r e a s ev a r i e di nq u i t ead i f f e r e n tw a yp 0 0 5 ) s o i l e n z y m ea c t i v i t i e sw e r ed e p r e s s e du n d e rl o w e rt e m p e r a t u r e s d c dh a di n h i b i t i o n e f f e c t so nc a t a l a s ea n du e a s ea c t i v i t i e s ，a n ds h o w e ds t i m u l a t i o no ri n h i b i t i o ne f f e c t s o nn a p , a n dn i ra c t i v i t i e so ft h es o i ls y s t e m s ，d e p e n d i n go ns o i lc o m p o s i t o n s 1 1 1 复旦大学硕士学位论文 土壤渗滤法工艺运行中十壤酶活性研究 t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e ns o i l e n z y m ea c t i v i t i e sa n dp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c i e s w e r ea l s oa n a l y z e d s o i le n z y m ea c t i v i t i e sh a dn os i g n i f i c a n t r e l a t i o n s h i pw i t h i n f l u e n t o r g a n i c a n d h y d r a u l i cl o a d i n g sp 0 0 5 ) h o w e v e r , s o m ep o s i t i v e r e l a t i o n s h i pc o u l db ef o u n db e t w e e ni n f l u e n tc o d t na n dn a r a n dn i ra c t i v i t i e s ， w h i c hw a ss i g n i f i c a n ta tt h em i d d l es o i ll a y e ro fc 2a n dt h eb o t t o ms o i ll a y e ro fc 3p 0 0 5 ) s o m es i g n i f i c a n tr e l a t i o n sw e r eo b t a i n e db e t w e e nl l r e a s ea c t i v i t i e sa n d n i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c e sf o rt h es y s t e m sc o m p o s e do fc a m p u ss o i lp o 0 5 ) k e yw o r d s ：s o i li n f i l t r a t i o nt r e a t m e n t ( s i t ) ； a c t i v i t i e s ；p o l y s a c c h a r i d e c l cn u m b e r ：x 7 0 3 1 ；x 5 3 i v 墨呈盔堂堡圭堂垡垒塞 - 墨望鎏鲨三苎垩堡! _ 苎堕适堡婴壅 缩略语 茎銮笪兰墓塞全整生銮登墨 - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ l - - _ _ - _ _ _ l _ - _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l _ l _ _ _ _ _ _ - - l o o o o 。一 b o db i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d生化需氧量 c o d c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d化学需氧量 d c d d i c y a n d i a m i d e 双氰胺 d m p p 3 ，4 - d i m e t h y l p y r a z o l ep h o s p h a t e 3 ，4 _ 二甲基吡唑磷酸盐 d o cd i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n溶解性有机碳 n h 3 - 4 a m m o n i an i t r o g e n氨氮 n 0 2 - n n i t r i t en i t r o g e n亚硝态氮 n 0 3 - n n i t r a t en i t r o g e n硝态氮 n a r n i t r a t er e d u e t a s e硝酸盐还原酶 n i rn i t r i t er e d u c t a s e亚硝酸盐还原酶 o n e - w a ya n o v ao n e - w a ya n m y s i so f v a r i a n c e 单因素方差分析 o r p o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l氧化还原电位 p a m p o l y a c r y l a m i d e 聚丙烯酰胺 s a t s o i la q u i f e rt r e a t m e n t土壤含水层处理法 s i ts o i li n f i t r a t i o nt r e a t m e n t土壤渗滤法 t nt o t a ln i t r o g e n 总氮 t o c t o t a lo r g a n i cc a r b o n总有机碳 t p t o t a lp h o s p h o r u s总磷 v 复且大学硕士学位论文 土壤渗滤法| t 艺运行中土壤酶活性研究 第一章绪论 近年来，随着人口增长和社会经济的飞速发展，人类对水的需求量和品质的 要求越来越高，但与此同时水污染问题却日趋严重，水资源形势十分严峻。这已 经成为了制约我国社会与经济发展、危害生态环境以及影响人民生活和身体健康 的突出问题。水污染防治的迫切性日益突出。 长期以来，生活污水的治理主要集中在人口密集且污水收集管网所及的城市 地区。而在人口不太密集的旅游点、疗养院、高速公路服务区、铁路中小站及广 大农村地区，污水源较分散，无污水集中处理设施，且下水道并未与市政污水管 网相连。对这类分散型污水的处理通常只是简单、临时性的，有的甚至未经处理 就直接排入水体，导致水体发黑发臭，自然生态环境和饮用水安全受到严重的威 胁 1 】。因此必须采取合理的工程措施来解决这一类水污染问题。另外，传统的 污水处理厂投资大、耗能、成本高、还需配套管网，且对n 、p 的去除效果还有 待提高。将这种集中处理模式用于处理分散型污水时，容易造成资源和投入的极 大浪费。而经济有效的小规模污水原位处理技术土壤渗滤法则是一种有效的 替代方案，具有广阔的发展应用前景。 1 1 土壤渗滤法概述 1 1 1 土壤渗滤法简介 土壤渗滤法( s i t , s o i li n f i l t r a t i o nt r e a t m e n t ) 又称土壤含水层处理法( s a t , s o i la q u i f e rt r e a t m e n t ) ，起源于古老的污灌，是一种生态型污水就地处理技术。 它充分利用土壤微生物植物系统的自我调控机制，在有效去除c o d ( 化学需氧 量，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 的同时，也能够去除氮、磷等营养素及病原体等， 具有净化效果好、基建投资低、无需曝气、低能耗、对周围环境影响小等优点【l 3 】； 同时还能够利用污水中的水肥资源，把污水处理与绿化相结合，美化和改善区域 生态环境，从而实现污水的无害化和资源化 4 】。因此，它可以作为解决水污染 和污水回用的一种有效手段，在旅游点、疗养院和广大农村地区大力推广。近年 来关于垃圾渗滤液的土地处理工艺的研究试验也逐渐展开，这个垃圾处理中的一 大难题也有望得到很好地解决 5 7 】。 土壤渗滤法工艺可以分为地下渗滤沟、地下毛管渗滤沟以及人工净化与土壤 渗滤的复合工艺 1 】。其中，地下渗滤沟和地下毛管渗滤沟工艺近年来最为常见。 本课题就是模拟地下渗滤沟进行土壤渗滤法处理污水工艺的运行和土壤生化性 质的研究。 复口人学硕士学位论文 土壤渗滤法工艺运行中土壤酶活性研究 1 1 2 土壤渗滤法净化原理与效果 在土壤渗滤系统中，污染物的净化是一个十分复杂的综合过程，总的可以分 为生物机制和非生物机制过程 8 】。系统在刚开始投入运行时非生物机制占主导， 病原微生物和化学物质通过过滤沉淀、吸附分解、离子交换、氧化还原反应等在 土壤表层被去除；当系统运行成熟后，土壤中的微生物大大增加，土壤酶的活性 大大增强，微生物吸收降解和土壤酶催化降解等生物机制也随之占主导作用 9 】。 ( 一) 有机污染物 土壤渗滤系统对有机污染物的去除主要集中在表层 1 0 】，而且极为有效， c o d 的去除率超过了7 0 ，而b o d ( 生化需氧量，b i o e h e m i e a lo x y g e nd e m a n d ) 的去除率可达8 0 以上【3 ，4 ，1 2 1 9 】。其净化机制包括土壤过滤、吸附、微生物分 解和植物根系吸收等，其中以富含微生物的土壤表层生物膜的吸收降解为主 1 2 】。有研究表明，二级和三级出水经过土壤渗滤系统处理后，出水的有机物浓 度基本一致 2 0 】；这说明了土壤渗滤系统抗有机负荷冲击的能力很强。也有研究 发现，c o d 的净化效果与系统的氧化还原电位( o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l ， o r p ) 有关，o r p 值越高，系统通气性越好，c o d 的去除率越高 2 1 1 。采用淹 水期和落干期交替运行的方式，保持表层土壤的好氧状态，不仅有利于有机物的 快速吸附降解，而且有效解决了由颗粒c o d 造成的土壤堵塞问题，保证了系统 的长期稳定运行 2 2 1 。 ( 二) 氮 一般情况下，生活污水中的氮主要以有机氮和铵态氮的形式存在。相比于有 机物，土壤渗滤系统去除氮的过程是十分复杂的，主要有微生物的转化脱氮、土 壤的吸附和植物根系的吸收等作用机理。其作用过程 2 3 】为：有机氮首先被土壤 截留，并在氨化细菌的作用下转化为极易被土壤颗粒吸附的铵态氮；而后通过硝 化作用氧化为n 0 2 。、n 0 3 。，土壤恢复对铵态氮的吸附能力。在各种土壤渗滤系 统中，硝化都是十分有效的，因此氨氮的去除率极高 3 ，1 1 】。由于土壤胶体带负 电荷，n 0 2 、n 0 3 不能被土壤吸附截留，易随水流动而淋失。在厌氧条件下，可 发生反硝化过程，将n 0 3 - 转化为气态的n 2 0 和n 2 ，从而脱出土壤进入大气。在 上述过程中，在土壤的水力停留时间之内，各种形态的氮都可以被植物根系吸收 而从污水中去除。 相比于有机污染物和磷的高效去除，不同系统对t n 的去除效率差别较大。 一些系统的脱氮效果不太理想【3 ，1 3 ，1 4 ，2 4 2 7 1 ，而也有一些系统t n 的去除率能达 2 复旦大学硕士学位论文十壤渗滤法工艺运行中土壤酶活性研究 到6 0 8 0 f 1 2 ，1 5 ，1 7 ，2 8 3 0 。对于慢速渗滤系统，植物根系的吸收是脱氮的主 要过程1 2 3 , 而对于快速渗滤和地下渗滤系统，硝化和反硝化是脱氮的主要机制， 因为通过植物吸收形成的t n 去除率只占2 0 左右 1 7 ，3 0 。因此靠提高植物吸收 的氮总量以提高这两种系统的t n 去除率的上升空间不大，为系统提供良好的硝 化、反硝化条件才是提高系统脱氮效率的根本出路。 ( - - ) 磷 土壤是磷的巨大储存库。在土壤渗滤系统里，污水中9 9 的磷可以通过土壤 吸附、进而与金属离子形成化学沉淀得到固定去除 2 】。土壤的化学固磷与土壤 中的c a 、a i 、f e 等物质的含量d a g t 土壤的氧化还原状况和p h 值等相关。一般 来说，含有矿物质多的土壤，在还原条件和较高p h 值情况下有利于土壤固磷 1 】。 此外，植物根系吸收和土壤微生物的生物同化也会去除少量的磷。 ( 四) 难生物降解有机物 近年来，人们对难生物降解有机物在环境中的生态行为以及对人类健康的影 响日益关注。而各种土壤渗滤系统对氯苯、苯酚、邻苯二甲酸酯类、烷基酚聚氧 乙烯醚、芳烃化合物和三卤甲烷前体物等难生物降解有机物均有很高而且稳定的 净化效果 2 7 ，3 1 3 6 ，主要通过挥发、光解、吸附和生物降解的途径去除 2 ，l o 。 但是此类物质在系统中的累积可能会对系统的长期安全运行造成一定的不利影 响，应尽量避免它们进入土壤渗滤系统中。 ( 五) 病原体 城市污水中大量的病原微生物( 包括细菌和病毒) 在土壤渗滤系统中主要通 过吸附、干燥、辐射、过滤、生物吞噬等作用实现 1 】。土壤渗滤系统出水的卫 生学指标良好，总大肠杆菌、粪大肠杆菌和包括噬茵体在内的病毒的去除率接近 1 0 0 【3 ，3 7 - 4 5 。一些研究发现，病原微生物的去除率与系统的渗滤速率以及运 行的水力负荷之间还存在一定的负相关关系 4 4 ，4 5 。 1 1 3 土壤渗滤法应用和研究现状 ( 一) 工程实例 土壤渗滤法工艺在国外发展比较成熟，欧美发达国家有许多成功的工程实 例。我国的土壤渗滤法试验研究开始于1 9 8 1 年，是在总结多年污灌经验的基础 上，引进吸收国外先进技术发展起来的。自上世纪9 0 年代以来，其在污水处理、 复旦大学硕f 二学位论文 土壤渗滤法工艺运行中土壤酶活性研究 特别是在分散生活污水处理中的应用研究受到越来越多的关注。大量的工程实例 ( 表1 1 ) 表明，土壤渗滤法作为城市污水处理的一种有效辅助方式具有广阔的 应用前景，是实现污水资源化再利用的一个重要途径。 表1 - 1 国内外土壤渗滤法的工程实例 t a b 1 - 1p r o j e c te x a m p l e so fs o i li n f i l t r a t i o ni nc h i n aa n da b r o a d ( 二) 理论研究 近年来，国内外对地下系统的研究主要集中在填充介质、土壤层高度、污染 物净化机理、水力负荷等方面，目前已取得了不少成果，如表1 2 示。随着生物 学技术的发展，有关土壤渗滤系统生化性质方面的研究也在逐步兴起，将成为未 来理论研究的重点。本课题也主要侧重这一方面。 ( 三) 存在的问题 土壤渗滤系统运行过程出现的主要问题有土壤系统堵塞、系统脱氮效果不明 显等方面。增设预处理设施、改善土壤系统环境是有效的缓解措施，从而确保系 统长期稳定运行。 ( 1 ) 土壤系统堵塞 土壤的堵塞会降低土壤的水力传导性能，阻碍土壤的传氧过程，造成系统内 部供氧不足，有机物降解和硝化过程不完全，严重影响系统的净化效果。土壤堵 塞产生的主要原因有：悬浮物堵塞土壤空隙，这个过程比较迅速，而且无法 恢复。因此，污水在进入系统之前应经过过滤等预处理工艺，降低进水中悬浮物 1 土壤渗滤百度百科( h t t p ：b a i k e b a i d u c o m v i e w 1 3 6 3 1 5 1 h t m l ? f r o m t a g l i s t ) 4 复且大学硕士学位论文土壤渗滤法工艺运行中十壤酶活性研究 含量，使系统能够长期稳定运行1 6 2 ，6 3 】。污水中的某些物质在进入土壤系统 后与土壤发生化学反应产生的难溶物沉积也会堵塞土壤空隙，这一过程同样无法 恢复【6 2 】。系统运行成熟后微生物细胞的大量积累以及在代谢过程中产生的 胞外聚合物( 主要是胞外多糖) 同样也会引起系统水力传导速率的下降，堵塞系 统 6 2 6 6 。但与前两种情况不同的是，它可以通过系统休灌落干的方式使聚合物 降解、微生物量减少而恢复，这个过程大概需要2 3 5 0 天【6 6 】。系统重新运行后 可以通过控制进水量、进水c n 比或者投加生物抑制剂( 硝化抑制剂、多糖酶 等) 来缓解这种堵塞的发生 6 2 ，6 7 。土壤生化反应过程中产生的c 0 2 、c h 4 、 n 2 、n 2 0 等气体如果不能从土层中及时排出，也会造成土壤空隙的堵塞。通过干 湿交替、间歇投配的布水方式，可以有效地防止这种堵塞的发生【2 】。 表1 - 2 国内外土壤渗滤系统的理论研究成果 t a b 1 - 2t h e o r yr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fs o i li n f i l t r a t i o ni nc h i n aa n da b r o a d 复_ 口大学硕士学位论文土壤渗滤法工艺运行中十壤酶活性研究 ( 2 ) 系统脱氮效果不明显 相比于有机物和磷的高效去除率，许多土壤渗滤系统对t n 的去除效率不高 【3 ，1 3 ，1 4 ，2 4 - 2 7 。土壤渗滤系统的脱氮效率受多种因素的影响：温度：污水温 度下降，脱氮效率降低，一般的临界温度是7 c 2 3 。氧化还原条件：反硝化 过程只有在缺氧状态下才会发生( 氧化还原电位o r p = 3 5 0 1 0 0 m v ) 1 7 】；通过 采用淹水期和落干期交替运行的方式使土壤处于好氧与厌氧交替变化的状态，或 者增加系统土层深度也可以创造出适合反硝化的氧化还原条件【6 8 】。碳源： 反硝化过程需要污水和土壤提供充足的碳源。合适的污水c n 比是保证脱氮高 效进行的关键所在【2 9 】，而提高土壤c n 比也同样有利于系统反硝化过程的进行 【6 9 。水力负荷：水力负荷的提高，系统的脱氮效果会有所降低 7 0 】。一些快 速渗滤系统的脱氮效果往往不及地下渗滤系统。 1 2 土壤酶学概述 1 2 1 土壤酶简介 在土壤渗滤系统污水净化过程中，土壤中的一类活性物质土壤酶起到了 关键作用，它能催化这些化学反应的进行。土壤中的酶类主要来自于微生物和植 物根系的分泌，此外土壤生物( 蚯蚓、蚂蚁等) 和动植物残体( 如腐烂的树叶、 秸秆等) 也能向土壤中释放少量酶类 7 1 】。 土壤酶按照催化反应的类型可以分为水解酶、氧化还原酶、转移酶( 催化有 机官能团的转移) 和裂合酶( 如氨基酸的脱羧基酶) 四大类 7 1 】。目前研究最多 的是前两种酶类，其中氧化还原酶在土壤中最为活跃，许多酶都与污染物的去除 密切相关，还可以作为反映土壤质量的指标【7 2 】。 土壤中的酶促反应主要在土壤颗粒、土壤溶液、植物根系和微生物细胞表面 进行。在这样的多相介质中，很多因素都能够影响到土壤酶的催化活性。其中最 主要的就是土壤的理化性质，如土壤的温度、水分、p h 值、空气、粒径分布、 有机质和矿物质含量都能深刻影响酶的活性和稳定性【7 3 】。不同的土壤类型，理 化性质也不尽相同，土壤酶活性也有一定的差异。其次，作为土壤酶的一个重要 来源，土壤微生物的种类和数量即生物多样性也会影响到土壤酶系的组成和活性 变化。不同的微生物种群，释放的酶种类也不一样。有研究发现，真菌占优势时， 酸性磷酸酶活性高；细菌占优势时，中性磷酸酶活性强 7 1 】。目前，微生物与土 壤酶活性之间关系的研究成果还未形成系统的理论，这将是未来土壤酶研究的一 大热点。此外，外部的人为因素也会干扰酶的活性。不同的土地利用方式，土壤 6 复旦人学硕士学位论文 十壤渗滤法t 艺运行中土壤酶活性研究 环境不同，酶的活性也不同。a c o s t a - m a r t i n e z 等人【7 4 】对同一地区的牧场、森林、 农田的土壤酶进行了研究，发现牧场的一些水解酶活性要大于森林和农田的，而 农田的酶活性是三种土地利用类型中最低的。采用稻草秸秆、禽畜粪便和城市垃 圾堆肥改良后的土壤脱氢酶、p - 葡萄糖苷酶、脲酶、硝酸盐还原酶和磷酸酶活性 都获得了一定的增强 7 5 ，7 6 。 1 2 2 土地处理系统酶学研究现状 土地处理系统中的土壤酶能够催化、促进多种污染物的去除。其中纤维素酶 能酶促纤维素中的i 3 1 , 4 葡聚键的水解，可将纤维素分解成为葡萄糖分子；磷 酸酶能酶促磷酸酯的水解并释放出正磷酸盐；蛋白酶能酶解蛋白质和肽类等大分 子氮化物，生成氨基酸；脲酶是一种酰胺酶，能酶促有机质分子中肽键的水解； 过氧化氢酶几乎存在于所有生物体内，它能促进过氧化氢的分解，降低其对生物 体的毒害；脱氢酶则是土壤微生物活性的重要指标，能酶促有机物的脱氢氧化反 应，起着氢的中间传递体的作用；而与氮素循环密切相关的( 亚) 硝酸盐还原酶 则是反硝化脱氮过程重要的催化剂 7 1 】。 近年来，人工湿地、土壤渗滤系统等污水土地处理技术逐渐兴起，有关系统 中土壤酶的时空分布特征及其与污水净化关系的研究也逐步展开，并取得了一定 的成果( 如表1 3 示) 。 正是由于土壤酶与污水净化之间存在着密不可分的关系，很多学者把土壤酶 活性的高低作为判断去除污染物能力的一项指标 9 5 】。这些研究成果有助于我们 进一步了解污染物的降解机制和优化设计土地处理系统。但是，总体而言，土地 处理系统酶学方面的研究刚刚兴起，远未形成系统理论，不同研究者的成果也有 矛盾之处，如岳春雷等人发现磷酸酶与污水t p 去除率有显著的正相关关系 8 6 】， 而吴振斌等人的研究却并无此项发现 8 9 ，9 0 】；靖玉明等人发现人工湿地的脱氢酶 活性与水温有一定的正相关关系【8 8 】，而吴振斌等人却发现湿地基质脱氢酶活性 在夏冬季节要显著高于春秋两季【8 4 】；吴振斌等人关于人工湿地基质磷酸酶的空 间分布特性在不同阶段的研究成果也有所不同 8 0 ，8 5 。此外，前人主要研究了人 工湿地基质的酶活性，关于土壤渗滤系统的酶学研究还鲜有报道，有关反硝化酶 类的研究几乎是一片空白，有待于进一步深入研究。 7 复旦大学硕士学位论文土壤渗滤法工艺运行中土壤酶活性研究 表1 - 3 国内外土地处理系统酶学研究现状 t a b 1 - 3c u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fs o i le n z y m eo fl a n dt r e a t m e n ts y s t e m si nc h i n aa n da b r o a d 8 复旦大学硕十学位论文 土壤渗滤法t 艺运行中土壤酶活性研究 1 3 研究目的和意义 通过文献收集和调研可知，土壤渗滤法是一种极具发展潜力的分散型污水净 化和回用工艺，有关的研究和应用越来越受到重视。但是在工艺的运行控制方面 仍存在系统堵塞、脱氮效果不理想等问题，而且有关土壤生物学方面的研究较少， 特别是系统土壤酶活性与污水净化效率关系的研究几乎是空白。 本课题以实验室模拟土壤渗滤系统为研究对象，从复合土壤配比、污水性质 等方面设计实验，通过对系统污水净化效率和土壤酶活性的分析，寻找系统土壤 酶活性的分布变化规律，探讨土壤酶与污水净化之间的关系，为进一步研究和揭 示土壤渗滤法工艺净化原理，以及研究利用酶活性作为评价土壤渗滤系统净化效 果指标的可行性进行了有益的尝试。 9 复旦大学硕上学位论文土壤渗滤法- t 艺运行中土壤酶活性研究 2 1 试验设计 第二章试验设计和研究方法 本课题以实验室模拟土壤渗滤系统为研究对象，从复合土壤组成、污水性质 等方面设计试验，以碳、氮、磷的净化效率监测和土壤酶活性分析为核心，研究 和揭示系统土壤酶活性的分布变化，探讨土壤酶与污水净化之间的关系以及利用 土壤酶活性作为评价土壤渗滤系统净化效果指标的可行性。其基本路线如图2 1 所示。 设计参数g 复合土壤组成 有机负荷 进水c o d 厂i n 水力负荷 模拟土壤渗滤污水净化系统实验 人工配水l 一一 i 实际生活污水 土壤生化性质( 土壤 酶活性、多糖) 监测 硝化抑制剂双氰 胺( d c d ) 的影响 c 、n 、p 去除 效果监测 土壤酶活性与污水净化相关性分析 污水净化酶学指标的选取、体系建立 图2 - 1 研究路线图 研究内容主要分为以下几个部分： ( 1 ) 以人工配水为基质，考察土壤组成、进水水质、水力负荷对水质净化 效果的影响，同时监测每一工况结束时的土壤酶活性，探究其与水质净化之间的 关系。 ( 2 ) 以实际生活污水为基质，考察添加硝化抑制剂双氰胺( d c d ) 前后土 壤渗滤系统的污水净化效果和土壤酶活性的变化情况。 ( 3 ) 综合以上两部分研究内容，进行土壤酶活性与污水净化效果的相关性 分析，探究污水净化酶学指标的可行性，重点考察氮素循环相关酶类( 脲酶、硝 酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶) 与污水脱氮效果之问的相关性。 1 0 复旦大学硕士学位论文土壤渗滤法工艺运行中十壤酶活性研究 2 2 试验方法 试验采用模拟土壤渗滤系统的土柱进行( 如图2 2 所示) 。土柱内径1 6 锄， 高1 0 0g m ，在4 0c i i l 和7 0g i t i 处设置有法兰盘( 便于拆柱取土样) 。整个渗滤系 统由底部5g m 厚的砾石承托层、8 0 c m 高的复合土壤层( 目前报道的土层高度大 多为0 6 - 1 2 m 3 9 】) 以及2c n l 厚的砂石布水层构成。 进承 移蒜蘑 q 鞠) 砾石晨 塔c - 图2 - 2 试验用土柱剖面示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i co fs o i lc o l u m n 试验共设计4 根土柱系统，记为c 1 c 4 。c 1 为对照实验，c 2 添加稻草秸 秆提高土壤有机质含量；c 3 添加脱水干污泥接种微生物。c 4 土壤配比与c 2 相 同，但土壤的类型不同，c 2 为本校花园土( 黄棕壤) ，c 4 是云南红壤。复合土 壤组成的配比是在参考张之盔的学位论文( 试验条件与本课题相近) 【9 6 后设计 ( 如表2 1 所示) 。 表2 - 1 实验用土柱土壤配比及基本理化性质 t a b 2 - 1c o n s t i t u e n t sa n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f a r t i f i c i a ls o i l s 注：土壤有机碳含量= 有机质含量x 0 5 8 ，其中0 5 8 为b e m m e l e n 换算系数 9 7 】 复旦大学硕士学位论文 + 壤渗滤法工艺运行中土壤酶活性研究 c i 一c 3 土柱系统从2 0 0 7 年4 月中旬启动，每日以低有机负荷的人工配水 ( 葡萄糖：10 0m g 。1 一，n h 4 c l ：5 0m g l 一，k h 2 p 0 4 ：7 5m g l 1 ) 间歇投配驯化至 6 月中旬，系统出水基本稳定。而土柱表层土壤的好氧细菌数量大量增加，系统 驯化基本成熟。从2 0 0 7 年6 月中旬开始至2 0 0 8 年4 月下旬以模拟生活污水( 主 要成分：葡萄糖、尿素、n h 4 c l 和k h 2 p 0 4 ) 完成7 个工况的运行，分别考察进 水有机负荷和c o d t n 比两个设计参数的影响。每个工况运行4 周，水力负荷 保持0 0 1 m 3 m - 2 d - 1 ( 目前较典型的水力负荷为0 0 1 o 0 5m 3 m - 2 d - 1 3 9 】) 。为了 考察实际情况下土壤渗滤系统的运行效果，从2 0 0 8 年4 月下旬至6 月下旬，以 曲阳水质净化厂的曝气沉砂池生活污水投配，水力负荷先维持o 0 11 1 1 3 m2 d - 1 ， 运行近1 个月后观察到系统渗滤性有所改善，便将水力负荷提升至0 0 2 m 3 m - 2 d - 1 。7 月至8 月，以曝气沉砂池生活污水添加硝化作用抑制剂双氰胺 ( d i c y a n d i a m i d e ，d c d ) 投配，考察系统脱氮效率的变化，水力负荷维持0 0 2 1 1 1 3 1 1 1 - 2 d - 1 。试验添加的d c d 浓度为1 5m g l 。1 ( 折算后n 的浓度为1m g l ，约 为生活污水t n 浓度的5 ，5 为一般氮肥中添加d c d 的比例) 。土柱进水水质 参数如表2 2 所示。 表2 - 2c 1 c 3 土柱进水水质参数 1 a b 2 2i n f l u e n tc h a r a e t e r i s t i e sf o rc1 c 3 注：水力负荷0 0 1m 3 m - 2 d - 1 时的有机负荷为2 3 3gc o d m ? d 1 ，水力负荷0 0 2m 3 n l - 2 d _ 1 时的有机负荷为4 6 6gc o d - l n - 2 d - 1 c 4 云南红壤土柱从2 0 0 7 年1 2 月上旬启动，每日以低有机负荷的人工配水 ( 水质情况同c 1 一c 3 系统驯化时配水) 间歇投配驯化至2 0 0 8 年1 月初，系统 出水基本稳定且净化效果良好，视为土柱驯化成熟。从2 0 0 8 年1 月开始至2 0 0 8 年6 月以模拟生活污水( 主要成分：葡萄糖、尿素、n h 4 c l 和k h 2 p 0 4 ) 完成4 1 2 复口大学硕上学位论文 土壤渗滤法t 艺运行中土壤酶活性研究 个工况的运行，每个工况运行4 周，维持进水水质不变，考察不同水力负荷的影 响，其工况运行条件如表2 3 示。 表2 - 30 4 土柱进水水质参数 t a b 2 3i n f l u e n tc h a r a c t e r i s t i c sf o rc 4 实验土柱采用干湿交替运行的方式以维持和恢复土壤的好氧状态，避免因体 系内部缺氧可能引起的土壤微生物和酶活性受抑制现象的出现。相邻工况之间有 4 - 5 天的休灌期，以便采集分析土样和恢复土壤的渗透能力。 在两个工况间的休灌期，采用梅花点阵法，在土柱中心和四周各设一采样点， 对每一点位，分别在表层( o 1 0 锄) 、中层( 2 0 - - 3 0c m ) 、底层( 5 0 - , 。6 0c m ) 分层取 样，均匀混合相应土层各采样点的土样，于室内自然风干后用于土壤生化指标的 测定。 本课题研究的土壤生化指标主要有与污水净化相关联的土壤酶：过氧化氢 酶、脲酶、硝酸盐还原酶( n i t r a t er e d u c t a s e ，n 肽) 、亚硝酸盐还原酶( n i t r i t e r e d u c t a s e n 取) ，以及可能与土壤渗滤性有关的胞外多糖。此外还定期监测土壤 总氮、总磷含量的变化情况。 2 3 试验器材与分析方法 2 3 1 主要仪器 ( 1 ) w t wp h o t o l a b $ 12 ，w i s s e n s c h a f l l i c h t e c h n i s c h ew e r k s t a n e n ，g e r m a n y ： ( 2 ) 7 2 1 分光光度计，上海精密科学仪器有限公司； ( 3 ) 紫外分光光度计( s p e c t r u m l a b5 2 ) ，上海棱光技术有限公司； ( 4 ) 数显型酸度计( p h s 2 c ) ，上海宇隆仪器有限公司； ( 5 ) 电子天平( b s 2 1 0 s ) ，s a r t o r i u s ； ( 6 ) 恒温干燥箱( 1 0 1 1 ) ，上海路达实验仪器有限公司； ( 7 )电热恒温培养箱，上海跃进医疗器械厂 ( 8 ) 电炉，广州越秀日用电器厂； (