（环境科学专业论文）人工湿地生态功能强化研究.pdf

东南大学硕十学位论文 r e v i e wo nt h ei n t e n s i f i c a t i o nf o re c o l o g i c a l f u n c t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s o u t h e a s tu n i v e r s i t y p o s t g r a d u a t e ：j i nq i u s u p e r v i s o r ：p r o f l ix i a n n i n g a bs t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n di sae c o t y p i cw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw h i c hh a sd e v e l o p e da1 0 ti nr e c e n ty e a r s i t h a sp r e v a l e n t l ye x i s t e dp o l l u t a n tr e m o v a le 硒c i e n c yn e e d st ob er a i s e d ，l a n dh a dal o wu t i l i z a t i o nr a t e 1 0 n g t e r mo p e r a t i o np r o n et op l u g ，a n do t h e ri s s u e s b a s e do l lt h ee c o l o g yt h e o r y 。t h i ss t u d yw a n t st oi m p r o v et h ew e t l a n de c o l o g i e a ls y s t e mf o ri d e a s i n t r o d u c e dt h e 肪e l l i af o e t i d at oa d dt h ef o o dc h a i n sl i n k s t r e n g t h e nt h el i n ko fa q u a t i ca n i m a l s ；c o n t r o l t h ee f f e c t i v e1 l e i g h to fw e t l a n ds u b s t r a t et op r o m o t ep l a n tr o o t sd e v e l o p e da sab r e a k t h r o u g hp o i n t i no r d e r t oe n h a n c ep u r i f i c a t i o no fb i o l o g i c a ls y n e r g ye f f e c ta st h ec o r e , b u i l dt h ee i s e n i af o e t i d ac o n s t r u c t e d w e t l a n dt oi n s p e c tt h ep u r i f y i n ge f f e c to ft h ec o u n t r yw a s t ew a t e ，d r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 肠e t l i af o e t i d ac a l le f f e c t i v e l ye n h a n c et h ew e t l a n dp u r i f y i n ge f f e c to fp o l l u t a n t s m l e l lt h ed e n s i t yo f t h ee i s 朋i af o e t i d ai s3p i e c ep e rd m s , t h ep u r i f y i n ge f f e c ti sb e s t a tt h es a n l et i m e t h e 尻，e n i af o e t i d ah a s c e r t a i ne f f e c ti nd e l a yo re l i m i n a t et h ep l u gp h e n o m e n ai nw e t l a n d 、e l lt h ed e p t ho fc i n d e r s u b s t r a t ei sd i f f e r e n t t h ep u r i f i c a t i o na b i l i t yo ft h ei n s t a l l m e n ti s d i s s i m i l a r w h e nt h ed e p t hi s3 0 c mo r4 0 e r a ，t h es e w a g ep u r i f i c a t i o na b i l i t yi sb e t t e r , s i m u l t a n e o u s l y ，t h es i d e o fr o o ti sa l s om o r ed e v e l o p e d , t h et o t a lb i o m a s so fr o o ta n dt h er a t i os u r f a c ea r e aa r c1 0 1 7 9a n d 6l2 6 m 2 h 1 3r e s p e c t i v e l y 一 一 1 1 l e 正泌e t l i af o e t i d ac o n s t r u c t e dw e t l a n dc a nr c l l l o v e6 4 2l o fc o d ，6 3 6 3 o fn h 4 + n ，6 8 9 5 o f t na n d7 9 01 o ft p ，w h i c ha r el5 。21 ，l9 a n d16 h i g h e rt h a nc o m p a r e dw e t l a n du n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e 、t h ee 话e n i af o e t i d ac a ni m p r o v et h ec o n d i t i o no fd i s s o l v e do x y g e ni nt h e w e t l a n d w h e l lh y d r a u l i cl o a di so 3 m ( m z d ) ，t h ea v e r a g ee m u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d , n i - h n ，t na n d t pa 托4 1 0 2 r a g l , 4 5 9 m g l 。1 2 5 8 m g la n d0 4 4 m g lr e s p e c t i v e l y ，t h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t ys a t i s f yt h ei al e v e lo f d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l h t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g bl8 918 2 0 0 2 ) a saw h o l e t h eu p p e ro ft h ee i s e n i af o e t i d ac o n s t r u c t e dw e t l a n dh a sm o r eb a c t e r i aa n dn i t r i f y i n g b a c t e r i at h a nt h el o w e ra sar e s u l to fa b u n d a n td i s s o l v e do x y g e n 。d e n s ep l a n tr o o ta n dm o r ee i s e n i a f o e t i d a ；b u tt h en u m b e ro fd e n i t r i l y i n gb a c t e r i ai nt h el o w e ro ft h ew e t l a n di sm o r et h a nt h eu p p e r t h e a v e r a g en u m b e ro fa l lk i n d so fb a c t e r i aa r e2t o2 7 9t i m e si nt h eu p p e ra n d1 1t 01 3t i m e si nt h ei o w e ro f t h ee i s e n i af o e t i d ac o n s t r u c t e dw e t l a n dt i l a nt h ec o m p a r e dw e t l a n d u g ht h ew e t l a n dp l a n t st oa b s o r b ，s t o r ea c c o u n t sf o rl1 3 o ft h et nr e m o v a l 黯e t l f c if o e t i d a a s s i m i l a t i o no ft h et nr e m o v a lo f4 2 m i c r o b i a ln i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ni st h em a i nf o r mo fr e m o r a l n i t r o g e ni nc o n s t r u c t e dw e t l a n d 。t h er e m o v a lo ft h et na c c o u n t sf o r5 3 6 h o w e v e r 。i n 鼢e v i i af o e t i d a c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h ea b s o r p t i o no fp l a n ta n da n i m a li sn o tt h em a i nf o r mo fr e m o v a ln i t r o g e n ，m a i n l y t h r o u g he i s e n i af o e t i d a t o a c c e l e r a t em i c r o b i a lm e t a b o l i z a t i o na n dp l a n tg r o w t h m o r e o v e r ，t h e b i o - e x m p e r a t i v ep u r i f i c a t i o no fm i c r o o r g a n i s m ，a q u a t i ca n i m a la n dh y d r o p h t ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fr e m o v a ln i t r o g e n m e a n w h i l e ，吐i ei n f r a s t r u c t u r ec o s to f 肪e n i af o e t i d aw e t l a n di sl o w ，m a n a g e m e n t ，m a i n t e n a n c e s i m p l e t h e r ei ss t i l lav e r m i no u t p u to ft h ee i s e n i af o e t i d at oa c q u i r ee c o n o m i cv a l u e k e y w o r d s ：e i s e n i a f o e t i d a ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d , c o u n 时w a s t ew a t e r ，s u b s t r a t e ，n i t r o b a c t e r i a n 缩略词 文中采用的主要缩略词注释表 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 金熟 e l 期：。孑j 1 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：金熟导师签名：e l 期：够。z 7 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 太湖流域是我国著名的水网地区，境内河道纵横交错。河道总长1 2 万公里，每平方公里河道平 均长度3 2 公里，与广大平原区构成网络状，称为“江南水网”，是太湖流域自古以来的水利基础。 近年来，随着人们生活水平的提高和经济的快速发展，太湖流域特别是太湖和周围河网区水体 污染日益严重。而相应的环境保护和治理措施滞后，造成入湖主要河道和湖区的水质污染加剧，特 别是水体的富营养化，已成为太湖水环境的主要问题。太湖水质的恶化，严重破坏了湖区的生态环 境，给整个地区的发展带来极其不利的影响。 太湖流域的农村人口密集，大多数村落没有收集系统，污水肆意流淌；有收集系统的村落，也 仅是不完整的无盖明渠，且渠道淤积堵塞严重，每逢雨季污水则四处流淌。由于农村生活污水不能 有效地收集，难以得到有效的控制，且该地区雨水丰沛、河网密布，农村生活污水所含的氮、磷污 染物经径流汇入水体，是造成水体污染和富营养化的重要污染源之一。对农村生活污水进行有效 治理，是环境保护的需要，也是建设社会主义新农村的必然要求。但是目前普遍采用的传统二级处 理工艺存在投资高、能耗大、运行管理要求高等缺点，我国农村经济发展水平不高，能源短缺，缺 乏具有一定操作管理和技术水平的人员。因此在我国大力开发具有高效、简易、低耗的污水处理技 术，具有很大意义。 根据农村的居民分散居住的特点及小流量、高浓度的农村生活污水类型，可以采用人工湿地来 进行处理。 人工湿地是近年来得到较大发展的一种生态水处理工艺。它由人工基质和生长在其上的植物组 成，通过人工构建的由土壤( 或其它基质) 、植物、微生物形成的独特生态系统，高效去除污染物， 净化水质。具有低成本、低能耗和维护管理简便的特点。人丁湿地处理对象广泛，如生活污水、城 镇污水深度处理和富营养化水体等，是一项比较适合于我国国情、具有较好的开发和应用前景的水 质净化技术，尤其适合于在我国农村地区推广使用。 1 2 人工湿地的处理原理、目前存在的问题及国内外研究现状 1 2 1 人工湿地的处理原理 湿地是指天然或人工、长久或暂时性沼泽地、湿原、泥碳地或水域地带等有静止或流动淡水、 半咸水、咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 米的海域【2 】。它是陆地与水体之间的过度地带，是 一种高功能的生态系统，具有独特的生态结构和功能，对于保护生物多样性，改善自然环境具有重 要的作用。由于人类的不合理开发，湿地资源在我国受到很大的破坏。在特殊的时期和环境条件下， 研究和建立人工湿地生态系统是对自然湿地生态系统的适度补充，也是对其功能退化的恢复性建设。 人工湿地是一种人工建造和监督控制的湿地系统，它充分利用了天然湿地系统净化污水的特点 和自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物 吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化i 引。 人工湿地面积可视情况而言，可在市郊结合部，也可在污水处理厂出水的附近建造。一些人工 湿地属预处理型，在那些目前还不具备建造污水处理厂的城乡结合部建造人工湿地，将生活污水捧 入，利用所种植物对其进行处理，然后再排入自然水系，保护水体；还有些湿地属于深度处理型， 在污水处理厂附近建造人工湿地，将污水处理厂处理过的水引入，再经过人工湿地的加强处理，提 高其水质，然后排入自然水系，作为其补充水源。 同时，针对经济相对发达地区分散农户生活处理的实际要求，应用人工湿地处理技术。具有运 行及建设费用低廉、管理维护简便的特点，可以达到农村生活污水经简易厌氧处理后进入该人工湿 地进行污水处理的目的。 朱南太学硕l 学位论 1 2 2 人工湿地的分类 人i 湿地根据汪地中污水水面位置的不同可以分为两人类一表面流人i 。湿地和辩流式人t 泓 地。 1 ) 表面流人j 进地( s u r f a c e f l o w c o n s t r u c t c d w e t l a n d s ) 表面流人i 。湿地污水在填料表面攫流，与自然湿地虽为相似。这种类型的湿地具有投资少、操 作简单、远行费i h 低菩优点，但；1 地面积较大水力负荷鞍小占污能力有限。该湿地中氧的米源 主要括水体表面扩散，植物根系的传输和植物的光台作川，但传输能力十分有阻，湿地系统的运 j 受气候影响较大，夏季宵孽生蚁蝇的现象，绝人多数有机物的去除是由植物根、革上的生物膜完成 的，因此这种湿地不能完全利填料年丰富盼植物根系。 2 ) 滑流式人上湿地( s u b s u r f a c e n o w c o m t m e t e d w d l 虮d s ) 崭流式人 二湿地系统根据水流方向技方式的不同x 可分为水平流人j ：湿地系统、乖直流 i 栏 地系统( 上行流或r 行流) 和潮汐流人工湿地。 a ) 水平流清流式人i 湿地( h o r l z o m a ls u b s u r f a c f l o w c o n s t l u e t e d w e t l a n d s ) 围1 - 1 术早流潜漉式人工湿地 这类湿地田污东肌一瑞水平流过填料床而得名。它由一个或多个填料床纽成床体填充基质 床底设有防渗层防l p 污染地f 水。水住填料袭面f 渗流，因而可充分利h j 填料表面录f 植物根系的 乍物膜及其他备种作用来处理污水。该湿地的水力负荷平污染负荷比表面流人上湿地人c o d c , 、 b o d ，、s s 及重金属污染物质的上除效果较盯卫生基忭较好。但缺点就是一o i 地呵积大相对于表 面流人i ：湿地而青，控制技术较为复泉，而脱n 除p 效果不如垂直流 l 漫地。水平流i f f 流式人工 湿地见酗1 - i 。 b ) 难直流潜流式人工温地( v e r d c a lh o wc o n s t r u c t e dw e f l a n d s ) 污水从泓地表面纵向流向填料床的底部床体处丁不饱和状态，氧可以通过人气扩 孜利植物传 输进入人【泓地系统。琏直流人i 湿地的硝化能力高r 水平游流湿地，可h j 丁处理氨氮古_ i l 较高的 污水水流状况集台了表面流人i 湿地和淆流式人1 湿地的优点，但其缺点就是对有机物的击除能 力不如水平滞流式人t j 娃地系统，尽管建造成本低于级生物址理i 。艺，但与其他湿地i ：艺相比， 控制相对复杂建造要求较高。畦商流潜流式人上湿地见幽1 - 2 。 第一# 绪论 圉1 0 垂直流潜漉武人工埕地 c ) 期秽沉人i 湿地( t i d a l h o w c o n s t r u c t e d v e t l 衄d s ) 潮汐流湿地系统是近年来由伯明翰太学提出的他们利用芦苇床进行r 该试验”j 。在这种湿地 系统中，芦苇床交替地被充满水和排干，在向床内充水的过程中空气被挤出，床的基底材料逐渐被 淹没。当芦苇床完全被水所饱和以后，水就全部被排 l ：。在排康过稗中新鲜的宅气被带入床内伯 明翰 学的摄新研究成果袭明，当水被捧出芦苇床有机污染物留在基底内时是氧消耗量最太的时 刘。因此，住排水过程中进入的新鲜空气可咀看作是击除污染物的氧源。通过这种交替的进水和空 气运动，氧的传速速率和消耗量人= 提高，极人地提高r 芦苇床的处理效果。但崖潮汐流攫地运 行一段时间肝床体可能会被大量的生物所堵塞，限制了水和空气在床体内的流动，降低了娃理效 果。因此，设计中考虑有备用床交替运行，以便利川闲置翊进行生物降解。 l _ 2 3 人工湿地目前存在的问题 人二攫地目前普遍存在 v 染物主除效率有特提高、土地利州率低、k 期运行易发生堵塞等问题。 研究结果9 1 袭明，人丁湿地对氮、磷等污染物的古除效果还相对较低，必须通过扩大湿地面积、减 小负荷等手段米达到一定的出水水质要求。k n i g h t 等”对1 3 0 0 多座人i ：湿地的分析结果也表明： b o d 、t s s 、n i l j + - n 、t n 、t p 平均去陈翠分刖为6 5 、5 3 、4 8 、4 2 利4 2 。 堵塞是在所有高负茴污水处理系统中常见的臼然效应。研究表明当十壤孔弱c t l 0 1 u n 时水不能 从中通过，1 0 4 0 岬的扎隙水可以缓慢通过，而 s 0 l i m 的扎隙水可以正常通过，困此) 1 0 岬的孔隙 - l ，湿地总的孔隙体积的比率可称为有效孔隙苹。自e 地堵牵的过程实质上就是有效孔隙率减少的过程。 1 1 w i n t e r 等认为在湿地堵塞过程中进水的c o d 和悬浮物特别是直径 5 0 u m 的颗粒量起着关键作刚 ”j 。湿地基质孔隙的堵塞的另一个土要原内是难降解有机物的积累，n g t l y c a 研究”1 表明湿地中积累 的有机物9 0 以上是咀不易降解的有机物形式存在的，在湿地基质的表层和内部，难降解有机物中 有6 3 一9 6 是横殖酸和胡敏素且庄e 层的含量明显高rf 层。另外，堵塞现象产生的原田还与湿 地中积累的祷殖质与细菌分泌的一些胞外多聚物较易形成高禽水啵、低密度的胜状淤泥有芙”q 。 根据美国国家环保局对1 0 0 多个人【湿地的润卉结果有近一节的j 拄地系统在投 使川后的5 年内出现了堵塞，过度的堵塞会导致湿地水山传导系数降低、处理敛粜f 降，运行寿命缩短。因此 提高人】：澎地的污染物上除效率，解次勤堵颦问题，是促进其推r 麻j l 的芙键。 东南大学硕士学位论文 1 2 4 人工湿地的国内外研究应用现状 在国外，运用人工湿地处理污水可追朔到1 9 0 3 年，建在英国约克郡e a r b y 的被认作世界上第一 处用于处理污水的人工湿地连续运行直到1 9 9 2 年。而人工湿地生态系统在世界各地逐渐受到重视并 被运用。还是在2 0 世纪7 0 年代德国学者k i c h u t h 提出根区法( t h er o o t - z o n em e t h o d ) 理论之后开 始的。虽然人工湿地技术提出于2 0 世纪7 0 年代，但在8 0 年代就得了到迅速发展。8 0 年代末9 0 年 代初，美国和英国相继召开了人工湿地研讨会，提出了人工湿地的有关机理和一些可供参考的设计 规范和数据，标志着人工湿地系统作为一种独特的污水处理技术正式进入环境科学技术领域。 国外人工湿地污水处理系统的应用始于2 0 世纪7 0 年代初，近1 0 年来发展十分迅速，目前，美 国、加拿大已有3 0 0 多个人工湿地污水处理系统，欧洲有5 0 0 多个，其规模小自4 0 m 2 ，大至1 0 0 0 多公顷。 在国内，对人工湿地研究开始较晚。我国自“六五”开始开展了人工湿地小试、中试到实用规模 的试验，取得了人工湿地工艺特征、技术要点及工程参数等研究成果。天津市环保所在1 9 8 7 年建成 了我国第一个占地6 h m 2 、处理规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程；北京市环保所在北京昌平县建成 了处理规模为5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地处理系统示范工程；国家环保局华南环保所于1 9 9 0 年在深圳白泥 坑建立了处理7 0 0 0 人的乡镇小区综合污水的人工湿地示范工程，占地面积为1 2 6 h m 2 ，处理规模为 3 1 0 0 m 3 d ，其出水达到了二级处理水平。由于我国人工湿地模型化尚属应用研究，9 0 年代以来，我 国研究者开始引进国外成熟的人工湿地模型用于水污染治理工作。 国内外对人工湿地的相关研究，目前主要集中在基质、负荷、植物、微生物以及对污染物质去 除性能分析等方面【l 。在湿地基质方面主要研究基质的优选【l 刁；在湿地植物方面，主要研究植物筛 选与搭配、种植方式、植物的吸收作用掣】；在湿地微生物方面，主要研究微生物与净化效果的关 系【1 4 1 。 另外，在缓解湿地堵塞方面所做的研裂7 j 主要有： 1 降低水力负荷、间歇运行、合理的配水策略。人工湿地特别是潜流型湿地采取间歇进水的形 式可以保证湿地的复氧，改善微生物的生存环境，提高微生物活性，加速有机物的分解。若进水时 间过长，随着基质中的溶解氧和电子受体的减少，湿地的净化效果反而会下降，有机物积累量增加， 加速堵塞。由于堵塞总是发生在高水力负荷的系统中，由于人工湿地的水力负荷在很大程度上决定 着其污染负荷，一般来说垂直流湿地的s s 负荷不应超过5 9 ( m 2 d 1 ，c o d 负荷不应超过2 0 - - 2 5 9 ( m 2 d ) 。因此合理选择每天的进水次数，每次进水的进水量以及每两次进水之间的时间间隔，可有效 的防止湿地的堵塞。 2 增大基质间隙，选择合适的填料粒径及级配。粒径较大的基质可以有效地防止堵塞的发生， 但过大的粒径会缩短水力停留时间，进而影响净化效果。因此需要在保证净化效果和防止堵塞两者 之间选择一个最佳平衡点；对于有多层填料的垂直流人工湿地，除填料粒径，不同粒径填料之间配 比的选择也十分重要。 3 前置预处理如采用格栅，沉淀池，沉砂池，厌氧调节池等，或者将人工湿地与一些工艺组合 使用，将湿地作为后续的深度处理。 4 选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物作为湿地植物。 这些研究取得了一定的效果，但也带来微生物量减少、处理能力下降及占地增大等缺点。 同时上述研究缺乏从生态学的观点出发将人工湿地作为一个生态系统整体进行研究和认识。通 过促进植物根系生长以强化根际效应、引入水生动物健全生态系统，促进生物间协同作用来提高湿 地净化功能的研究还未见报道。 目前对人工湿地处理污水的应用已相对成熟。在全世界范围内，特别是欧美国家，人工湿地及 其改进和组合工艺被广泛用于不同污水的水质净化，包括城镇生活污水、农田废水、工业废水、富 营养化水体等。美国、德国还将其推广应用于垃圾渗滤液的处理。应用人工湿地处理工业废水的研 究主要集中于对淀粉、制糖、奶制品、炼油、造纸和油田开采等废水以及矿山酸性废水的处理。这 些废水的特征污染物主要是有机物、病原菌、油类及重金属离子等。最近发达国家已将重点转移到 利用人工湿地处理特殊t 业废水方面，这也是人工湿地发展的一个新特点和趋向。我国将人工湿地 用于生活污水处理、农业面源污染控制和富营养化水体修复等方面的研究较多，在用湿地处理城市 垃圾渗滤液、采油废水等方面也进行了初步探索。目前人工湿地的研究和应用正方兴未艾。 4 第一章绪论 1 2 5 人工湿地生态功能强化的提出 人工湿地是一项典型的生态工程技术，其污染物净化功能来源于湿地生态系统自身所具有的生 态功能。因此，促进生物间协同作用，健全湿地生态系统，是从根本上提高人工湿地污染净化效果 的重要突破口和关键所在，但这一点恰恰为众多研究者所忽略。 人工湿地发挥其生态功能的主要部分是其生物要素：水生植物、水生动物和微生物。 在水生动物方面： 蚯蚓在促进植物生长，增加植物产量等方面的重要作用已为许多研究所证实。这一作用是通过 其对生态系统中有机质的分解转化，进而促进c 、n 循环，以提高土壤肥力；并通过其在土壤中的 活动对土壤结构的改善来实现的。营养物质，除了一部分被蚯蚓自身吸收同化外，大部分代谢剩余 产物和吞食的土壤密切复合，并最终以蚓粪的形式排泄出来，形成土壤中营养丰富品质优良的团粒 结构。而蚯蚓的这种对有机物质进行降解的作用是在土壤微生物的共同参与下完成的。因此深入研 究蚯蚓与微生物之间的相互作用关系具有重要的科学意义和应用价值。蚯蚓不仅参与和促进有机物 质的分解，增加土壤养分，对土壤化学性质的改善、对土壤腐殖质的富集、蚯蚓与微生物协同分解 有机物、促进c 、n 、p 循环等作用都有利于土壤资源的持续利用，其活动还能在土壤中构成大量纵 横交错的孔道。此外，研究工作还表明，蚯蚓活动所形成的孔道和孔隙有利于土壤中氮的循环【i 。 根据环境生态工程学理论，生态系统中食物链越长，能量消耗也就越大，去除效果越好。将驯 化后的蚯蚓添加到生物滤池中【l6 ，1 7 1 ，可以提高水质净化效果、消除滤池的堵塞，开发的蚯蚓生态滤 池已进入实用化阶段。东南大学环境工程系研究人员在水耕蔬菜型人工湿地中引入螺类，大幅度提 高了总氮去除掣1 8 j 。人工湿地作为人工生态系统，其食物链构成相对简单。研究人员在前期的研究 中发现，在人工湿地中作为食物链重要环节的水生动物无论在生物量和生物种类上十分薄弱，限制 了湿地生态净化功能的发挥。借鉴上述成功经验，应用生态- t 程学“加环”理论，将蚯蚓引入人工湿 地中，可以( 1 ) 延长食物链，健全生态系统：( 2 ) 利用其“清道夫”作用缓解或消除堵塞现象：( 3 ) 松动基 质以利于氧的传递，提高微生物活性和促进植物生长；( 4 ) 通过蚯蚓的代谢改善有机物的可生化性， 利于难降解有机物的去除等；所有这些都能直接或间接地提高人工湿地去除污染物的效率。 在水生植物方面： 国际水协会( i w a ) 研究报告表明，植物吸收对氮、磷等营养物去除的直接贡献率在1 0 左右， 植物更重要的功能表现在其根系为微生物生长提供良好的载体、输送氧气以及分泌物促进根际微生 物生长和提高生物活性等方面l l 们。因此，促进植物根系发达从而提高湿地污染物净化主体微生物的 活性，对提高污染物净化功能将起到更为关键的作用。日本柬北大学环境生态工程研究室的研究中 发现，适当减小湿地基质的有效深度，可显著促进水生植物根系的生长，尤其是比表面积较大的侧 系毛须根的生长。基质有效深度2 5 c m 时植物根系生物总量( 湿重) 为有效深度6 0 c m 时的约3 倍， 湿地的氮、磷去除率得到较大幅度提高，湿地工程造价可有效降低。刘超翔等人【2 0 】的研究也发现减 小基质深度可以促进芦苇的生长和提高氮的去除效果。 在微生物方面： 人工湿地去除的有机物和含氮化合物中近8 0 是依靠附着在植物根系和基质表面的微生物去除 的 2 t l ，微生物是人工湿地的净化主体。健全人工湿地生态系统，其重要目的还在于通过协同作用强 化微生物净化污染物的能力。因此，有必要研究人工湿地微生物种群的空间分布及生物量变化、生 物活性等特征，从微生物角度优化发挥生物间协同净化作用的策略。由于受分析手段的限制，有关 人工湿地内部微生物的定量研究较少，p c r ( 聚合酶链反应技术) 、f i s h ( 荧光原位杂交技术) 等分 子生物学微生物检测技术具有测定周期短、分析精度高、方法简便等特点，从根本上解决了传统培 养法( 如m p n 法) 无法快速准确鉴别微生物的难题，为本课题研究提供了有力的技术手段保障。 基于以上分析，本研究拟从水生植物、水生动物、微生物三者同时入手，循序渐进，探索有利 于三类生物要素发挥各自生物活性的条件，并使其协同净化效应最大化最终达到健全生态系统、 提高生态净化效能、缓解及消除湿地堵塞的目的。研究通过引入爱胜蚯蚓强化水生动物环节改善湿 地微环境提高净化效果的作用，以及缓解或消除湿地堵塞现象的作用，并研究延长食物链的稳态构 筑方法：研究通过优化设置基质高度促进植物根系发达的方法，以此改善湿地溶解氧等微环境条件， 促进微生物活性及植物吸收作用；研究水生植物、水生动物、微生物等生物要素的优化耦合条件， 并从强化微生物净化功能角度研究优化发挥生物间协同净化作用的策略，最终建立基于生物协同作 用下的人工湿地生态净化功能强化模式并确定工程技术应用参数，开发出高效的浅层人工湿地技术 5 东南大学硕上学位论文 1 3 研究内容 本研究选择当前应用广泛的芦苇人工湿地为主要研究对象，由于通过促进生物协同作用提高湿 地生态净化功能的方法建立较为复杂，影响因子众多，因此在研究的实旋上必须首先分别进行水生 动物生态功能强化及植物根系作用强化这两个方面的研究，在取得大量实验数据掌握其规律的基础 上，才能进行系统耦合的研究，并定量解析其机制。具体研究内容如下： a 水生动物强化人工湿地生态净化功能的研究 在人工湿地中引入赤子爱胜蚯蚓( e i s e n i a f o e t i d a ) ，进行以下研究： 1 ) 蚯蚓引种条件研究：筛选适宜在湿地环境中生存且具有良好生态功能，驯化后适应淹水环境 的赤子爱胜蚯蚓品种，并与水域环境常见的水蚯蚓进行比较，研究其在人工湿地中的引种成活条件、 适宜的生长密度等。 2 ) 赤子爱胜蚯蚓促进生态净化功能研究：研究赤子爱胜蚯蚓摄食有机物碎屑对延缓或消除湿地 堵塞现象的作用。研究赤子爱胜蚯蚓在人工湿地基质深度方向上的空间分布规律。 3 ) 净化效果及应用参数研究：改变水力负荷及水质条件分析引入赤子爱胜蚯蚓后所起到的实际 作用，为系统耦合建立基础。 b 基于基质深度调控下的植物根系作用强化研究 前期研究结果表明，适当减小湿地基质深度，可以促进芦苇根系生长，提高根际微生物活性。 本课题拟开展以下研究： 1 ) 促进根系生长的基质合理深度研究：定量研究湿地基质深度与芦苇根系生物量、比表面积等 的关系，结合芦苇上部茎叶生长情况，探索有利于其根系发达的合理湿地基质深度。 2 ) 促进根系生长对提高微生物活性作用的研究：研究芦苇根系的生物量、密度、比表面积等在 浅层人工湿地中的分布与变化规律。解析根系生物量、比表面积等生长状况与微生物数量及污染物 净化效果的关系。 生态净化功能的强化主要通过植物、水生动物以及微生物的协同作用得以实现，因此依据以上 的研究结论，考察引入蚯蚓强化人工湿地的实际生态净化功能及消除堵塞的效果，研究爱胜蚯蚓活 动对改善水力传导及氧传输的作用。运用f i s h 等技术检测湿地中特别是根际微生物种群结构及细菌 密度，分析其时空变化规律。研究充分发挥其生态净化功能，提出技术应用方案及参数。 1 4 本研究特色及创新之处 1 ) 从生态学理论出发，以健全人工湿地生态系统为思路，以强化水生动物环节、促进植物根系 发达为突破点，以增进生物协同净化效应为核心，最终达到提高湿地生态净化效能、缓解及消除堵 塞、改善湿地溶解氧等微环境的目的。 2 ) 通过促进根系发达提高微生物生物量及生物活性、改善湿地溶解氧等微环境的方法。 3 ) 基于食物链理论，通过引入蚯蚓使食物链“加环”，达到改善污染物净化效果、延缓或消除湿 地堵塞现象的双重效果。 4 ) 充分利用蚯蚓代谢产物的微生物活性促进作用提高湿地中微生物生物量及污染物净化功能。 6 第一章绪论 1 5 技术路线 ，一生物协同作用一、 优化生态型人工湿地 j 1 的设计和运行参数 r 。一- - 最终目标一、 ；匝匦四匿画巫圃i 7 东南大学硕士学位论文 化学需氧量( c o d )重铬酸钾法快速催化氧化法 总磷( t p ) 总氮( t n ) 氨氮( n l - h + n ) 亚硝酸态氮( n 0 2 - n ) 硝酸态氮( n o l 3 - n ) p h 悬浮固体( s s ) 温度( ) 氧化还原电位( o r p ) 细菌总数及硝化细菌计数1 2 4 3 反硝化细菌计数【蚓 溶氧仪法 钼酸铵分光光度法 ( g b l l 8 9 3 8 9 ) 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 纳氏试剂分光光度法 ( g b 7 4 7 9 - 8 7 ) n ( 1 - 萘基) 乙二胺光度法 酚二磺酸分光光度法 ( g b 7 4 8 0 - 8 7 ) p h 计法 重量法 温度计法 膜电极法 荧光原位杂交技术( f i s h ) 最大可能数( m p n ) 法 帆1 2 a 型c o d 仪 德国w t w o x i 3 3 0 便携式溶解氧 测定仪 7 2 1 型分光光度计 7 5 2 型紫外分光光度计 7 2 1 型分光光度计 7 2 1 型分光光度计 7 5 2 型紫外分光光度计 p h 计 有机玻璃微孔滤膜过滤器、 吸滤瓶、真空泵等 温度计 o r p 仪 荧光显微镜( b x 4 2 ) 恒温培养箱等 2 2 荧光原位杂交技术原理及应用 沿用已久的传统培养法( 如平板计数法) 无法快速准确鉴别微生物及测定其生物活性，试验方 法费时耗力、精度差等缺点限制了微生物时空分布及功能解析相关研究的进行。近几年来，应用f i s h ( 荧光原位杂交技术) 等分子生物学技术进行环境微生物研究在国际上已成为热点u ，此类技术具 有测定周期短、精度高、方法简便等特点，确保了本研究在试验手段上的可行性和先进性。本课题 应用荧光原位杂交技术对潜流式人工湿地中的微生物进行了种群鉴别、种群时空分布特征及微生物 活性等研究。 硝化细菌是一类革兰氏阴性菌，包括亚硝酸细菌和硝酸细菌。它对氮元素的整个循环以及污水 中氮的去除都有非常重要的意义。因此，检测硝化细菌不仅能监测水质变化情况，还能通过监测环 境中数量的变化，对氨氮去除效率起到指导作用。 检测硝化细菌的传统方法不但费时费力，且细菌计数困难、不准确。随着分子生物学技术的发 展，分子生物学方法已经成为现代环境微生物学的重要手段。荧光原位杂交技术( f l u o r e s c e n c ei ns i t u h y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 是指带有荧光标记的寡核苷酸探针特异地和互补核酸序列在完整的细胞内结合， 是直接杂交的一种，其原理主要是d s d n a 变性后与具有互补序列的同源单链退火配对形成双链结构 口引。试验采厢带有荧光标记的探针与固定在载玻片或纤维膜上组织或细胞中特定的核苷酸序列进行 杂交，探测其中所有的同源核酸序列而无需单独分离d n a 或r n a ，结果直接在荧光显微镜下观察。 该技术特异性和灵敏度极高，具有传统方法不可比拟的优势，使研究环境中那些数量少，培养难度 大的微生物问题得以解决，并可提供环境微生物数量、空间分布等多种信息。国外应用f i s h 技术研 究活性污泥或生物膜中硝化细菌分布的研究较多，通常根据样本中荧光面积相对大小表示细菌存在 8 第二章试验材料与方法 情况，由于对环境样本没有进一步处理，使定量结果有一定的局限性。本研究中重点探讨环境样本 硝化细菌定鼍监测中f i s h 技术的应用，并筛选出f i s h 技术用于环境硝化细菌检测的最佳条件，从 而使环境硝化细菌定量监测更快、更准确、更简便。主要实验步骤如下 2 9 , 3 0 ： 1 ) 玻片预处理 玻片清洗：载玻片与盖玻片用热肥皂水刷洗干净，清水浸泡过夜；1 的盐酸浸泡，清水冲洗后 用蒸馏水浸泡过夜，高压灭菌2 0 r a i n 。 硅化处理：将载玻片和盖玻片用1 的盐酸煮沸1 0 分钟后，用o 1 d e p c 处理的蒸馏水冲洗， 6 0 烘干。盖玻片用锡纸包好4 c 保存备用。 黏附剂涂片制备：载玻片放入a p e s 与丙酮的1 ：5 0 溶液中约l m i n ，取出用灭菌处理过的蒸馏水 清洗后于室温下干燥，然后置4 3 2 保存备用。 2 ) 样品采集和预处理 取样：用经高压灭菌的聚乙烯管子取湿地基质，加灭菌蒸馏水适量振荡混匀，超声波处理使细 菌分散。取清洗下来的悬浊液约l m l 进行后续处理。 样品固定与清洗：悬浊液中按l ：l 加入4 多聚甲醛于4 3 2 固定4 小时；将固定样本用磷酸缓冲 液( p b s ) 1 0 0 0 0 r r a i n 离心漂洗二次，弃去上清液。用p b s 与乙醇的l ：l 溶液稀释定容至l m l 于- 2 0 l 保存备用。 热固定与脱水：取1 0 山样品在载玻片上涂抹2 4 m m x 2 4 m m 大小，3 7 3 2 的烘箱热固定2 h 后依次 用5 0 ，8 0 ，9 6 乙醇室温下脱水3 m i n ，室温干燥。 3 ) 杂交反应 总细菌、亚硝化菌和硝酸菌的探针见表2 2 。探针浓度均为5 0 n g 1 。 表2 2 硝酸菌与亚硝化细菌探针序列3 1 3 2 c n i t 3 为硝酸菌探针n 1 1 r 3 的竞争探针 密闭杂交盒下放高压灭菌处理过的吸水纸，用杂交液湿润，使杂交环境保持一定湿度。每张带 有样品的载玻片上加入2 4 1 t l 的杂交液和1 山探针，加盖硅化盖玻片，放入杂交盒内进行杂交反应。 杂交温度与杂交时间经正交试验确定，保证取得最好的杂交效果【3 3 1 。 4 ) 洗脱 将杂交后的载玻片从杂交盒取出放入4 8 3 2 预热的杂交洗脱液中2 0 分钟，取出后用d d i - 1 2 0 漂洗， 室温下晾干。 5 ) 镜检 载玻片干燥后在荧光显微镜( o l y m p u s b x 4 2 ) 下观察，滤光片为b 光源。阳性为蓝色、绿色， 观测3 0 个视野记录细菌数目。 细菌密度( c e l l s g ) = a