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作者：高鋒楊朝暉李晨金衛(wèi)紅張力單位：浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)學(xué)院湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

材料和方法

1試驗裝置

試驗所用人工濕地裝置由PVC材料制成，構(gòu)造如圖1所示。每個人工濕地試驗裝置的大小均為0.84m（長）×0.65m（寬）×0.32m（高），并分割成3部分，進水區(qū)（0.15m×0.65m×0.32m），處理區(qū)（0.59m×0.65m×0.32m），出水區(qū)（0.10m×0.65m×0.32m）。進水區(qū)和出水區(qū)填充直徑為1.2～2.8cm的礫石，處理區(qū)填充參入少量細砂和粉煤灰的土壤作為植物生長的基質(zhì)。試驗中設(shè)置3個相同的人工濕地試驗裝置，種植采自于浙江樂清市西門島紅樹林保護區(qū)的紅樹植物秋茄（Kandeliacandel），種植密度為每個試驗裝置6株。另設(shè)3個無植物人工濕地試驗裝置作為對照。

2廢水水樣

取海水養(yǎng)蝦池污水作為待處理廢水由高位水箱投配入人工濕地進行處理，試驗所用廢水水質(zhì)見表1，鹽度為28.5‰。

3試驗方法

試驗開始階段為適應(yīng)性培養(yǎng)階段，將秋茄種植于人工濕地裝置后，每天用鹽度為30‰的人工海水對其進行澆灌。持續(xù)1個月時間，觀察到秋茄長勢良好后進入廢水處理研究階段。在此階段，人工濕地采用間歇進水方式運行，每天連續(xù)進水10h，其余時間閑置，定期對進出水水質(zhì)進行分析測定。

4分析測試方法

4.1水質(zhì)指標(biāo)測定方法

試驗中水質(zhì)指標(biāo)的測定均按國家標(biāo)準(zhǔn)方法進行。由于鹽度的干擾，污水中COD的測定采用高錳酸鉀法。

4.2基質(zhì)脲酶與磷酸酶活性測定

基質(zhì)酶活性可反映人工濕地中植物根系與微生物的互作強度，是基質(zhì)微生物、基質(zhì)動物和植物根系生命活動的結(jié)果。試驗過程中比較了秋茄人工濕地和無植物人工濕地基質(zhì)層脲酶與磷酸酶的活性，選擇人工濕地試驗裝置對角線上的5個代表性位點分3層采集基質(zhì)樣品（圖2），深度分別為距表面0～5、10～15和20～25cm，其中秋茄人工濕地基質(zhì)取自植物根區(qū)，測定方法參見文獻。基質(zhì)脲酶活性（以每克土樣24h產(chǎn)生的NH4+-N量計）用μg/(g•24h)表示，磷酸酶活性（以每克土樣1h產(chǎn)生的對硝基苯酚量計）用μg/(g•h)表示1.5數(shù)據(jù)分析處理數(shù)據(jù)分析采用SPSS16.0軟件，采用配對樣本t檢驗分析試驗數(shù)據(jù)的顯著性差異。

試驗結(jié)果與討論

1人工濕地的處理效果

廢水處理階段，秋茄人工濕地與無植物的對照人工濕地的運行效果如圖3所示。

1.1有機物去除率

人工濕地在運行過程中，基質(zhì)及植物根系表面通過吸附生長微生物，形成一定厚度的生物膜，污水流經(jīng)時，有機物被生物膜吸附、吸收，并經(jīng)同化、異化作用得到去除。圖3a中的試驗數(shù)據(jù)表明，在試驗裝置的啟動階段，秋茄人工濕地和無植物人工濕地對COD的去除率都較低，原因可能在于此時發(fā)揮生物代謝活性的微生物膜還處于形成過程中。運行一段時間以后，由圖3a可見秋茄人工濕地和無植物人工濕地的COD去除率均明顯上升，17d后試驗裝置對COD的去除率達到較高水平，此后進入穩(wěn)定運行階段，標(biāo)志著人工濕地試驗裝置啟動的完成。在穩(wěn)定運行階段，秋茄人工濕地對COD的去除效在66.4%～73.8%，無植物人工濕地對COD的去除率在56.7%～62.4%。秋茄人工濕地對有機物去除效率顯著高于無植物人工濕地（P<0.05），這和許多其他學(xué)者的研究結(jié)果一致。雖然，在人工濕地系統(tǒng)中有機物等污染物主要是通過微生物而不是植物的作用去除的。但是，植物通過根部供氧、為微生物的吸附生長提供媒介等過程可明顯增強人工濕地的去污能力。人工濕地植物的根區(qū)也被認(rèn)為是系統(tǒng)中反應(yīng)活性最高的區(qū)域。

1.2氮、磷去除率

人工濕地對污水中氮的去除途徑主要是通過基質(zhì)層微生物的硝化、反硝化作用。這與其對有機物去除的途徑相似，同為微生物過程。因此，試驗過程中NH4+-N的去除規(guī)律與COD的也較為相似（圖3b）。經(jīng)過前面17d的啟動階段后，裝置進入穩(wěn)定運行階段，在此階段秋茄人工濕地和無植物人工濕地對NH4+-N的去除率分別在64.3%～72.4%和51.2%～57.5%。秋茄人工濕地的脫氮效率顯著高于無植物人工濕地（P<0.05）。在磷的去除方面，秋茄人工濕地和無植物人工濕地的處理效果接近，穩(wěn)定運行階段對TP的去除率分別在55.7%～61.7%和54.3%～60.4%（圖3c）。

兩者無顯著差異（P>0.05）。原因在于，污水中的磷主要是通過與人工濕地基質(zhì)中的鐵、鋁、鈣等金屬離子形成磷酸鹽的沉淀而去除，人工濕地除磷的關(guān)鍵在于基質(zhì)層的組成，而與植物和微生物作用的關(guān)系較小。

2人工濕地基質(zhì)酶活性分析

穩(wěn)定運行階段，在監(jiān)測進出水水質(zhì)的同時，對秋茄人工濕地和無植物人工濕地基質(zhì)床距表面0～5、10～15和20～25cm處的基質(zhì)脲酶和磷酸酶活性進行測試分析，結(jié)果見圖4。脲酶和磷酸酶活性隨著基質(zhì)層深度的增加而遞減（圖4），基質(zhì)床中秋茄根系的分布也存在類似的情況，在0～5cm的表層根系較為豐富，在距表層10～15cm的區(qū)域根系已較為稀少，距表層20～25cm的區(qū)域則只有部分采樣點存在少量的根系。已有研究表明，人工濕地中植物根系能形成特殊的根際區(qū)，具有獨特的根際效應(yīng)，表現(xiàn)出不同于非根際區(qū)的物理、化學(xué)和微生物學(xué)特性，植物根系能通過泌氧、分泌營養(yǎng)成分、脫落腐爛等過程能促進根系微生物的生長及活性[25-29]。這說明了，本研究中秋茄根系的垂直分布特征是導(dǎo)致基質(zhì)酶活性隨基質(zhì)層深度遞減的重要原因。同時，從圖4可見，秋茄人工濕地的基質(zhì)脲酶活性和磷酸酶活性均高于無植物人工濕地，該現(xiàn)象與有機物等污染物的去除規(guī)律（圖3）相一致。表明秋茄植物的根部對于改善人工濕地的運行效果發(fā)揮了重要的作用。

另外，從圖4中還可以看出，秋茄人工濕地和無植物人工濕地基質(zhì)酶活性的差異與基質(zhì)層深度密切相關(guān)。對于表面0～5cm基質(zhì)，秋茄人工濕地基質(zhì)磷酸酶活性和脲酶活性均顯著高于無植物人工濕地（P<0.05）；距表面10～15cm的基質(zhì)，秋茄人工濕地與無植物人工濕地的磷酸酶活性差異達到顯著性水平（P<0.05），而脲酶活性未達到顯著性水平（P>0.05）。對于距表面20～25cm的基質(zhì)，秋茄人工濕地與無植物人工濕地的磷酸酶活性和脲酶活性差異均未達到顯著性水平（P>0.05）。分析其原因，在秋茄人工濕地中，距表層較遠的地方植物根系逐漸減少，植物根系分泌的氧氣、營養(yǎng)成分等能促進根系微生物生長的物質(zhì)也相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致在這些區(qū)域秋茄人工濕地與無植物人工濕地基質(zhì)酶活性的差異明顯減小。

3表面水力負(fù)荷對秋茄人工濕地運行效果的影響

表面水力負(fù)荷（HLR）是水平潛流人工濕地設(shè)計的重要參數(shù)，試驗中通過改變每日進水水量的方法研究了秋茄人工濕地在0.05、0.1、0.2m3/(m2•d)水力負(fù)荷條件下的處理效果，試驗處于穩(wěn)定運行階段的平均數(shù)據(jù)見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，秋茄人工濕地對懸浮物質(zhì)（suspendedsolid,SS）有很好的去除效果，并且去除率受系統(tǒng)表面水力負(fù)荷的影響很小，當(dāng)表面水力負(fù)荷增加至0.2m3/(m2•d)時，系統(tǒng)仍然取得了82.8%的SS去除率。表明系統(tǒng)中植物的根區(qū)及基質(zhì)填料能有效吸附攔截去除養(yǎng)殖廢水中的懸浮雜質(zhì)。

對于有機物及氮的去除，表面水力負(fù)荷對有機物和氮的去除效果有較大的影響，總體上秋茄人工濕地對污染物的去除率均隨著表面水力負(fù)荷的增大而逐漸下降。尤其當(dāng)人工濕地的表面水力負(fù)荷增大到0.2m3/(m2•d)時，其對COD、BOD5、NH4+-N、TN等指標(biāo)的去除率均出現(xiàn)顯著下降（P<0.05）。究其原因，當(dāng)表面水力負(fù)荷增大時，污水在人工濕地基質(zhì)床中的停留時間相應(yīng)縮短，此時基質(zhì)床中的微生物降解、基質(zhì)過濾、植物吸收等過程均因接觸時間過短而無法完全發(fā)揮其功效，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)處理能力的下降。另外，從表2中數(shù)據(jù)可以看出，相對于COD和BOD5，NH4+-N和TN的去除率受表面水力負(fù)荷增大的影響更大。推測其原因可能在于，硝化細菌為自養(yǎng)菌，其生長速率及代謝活性均顯著低于異養(yǎng)型細菌，在較短的與污水接觸時間下，其反應(yīng)活性更容易受到抑制。

對于TP的去除，類似于系統(tǒng)對SS的去除，在較高的表面水力負(fù)荷下仍然取得了較好的去除效果，表明在試驗所采用的3種表面水力負(fù)荷下，污水在人工濕地基質(zhì)床中有足夠的停留時間與基質(zhì)中的鐵、鋁、鈣等金屬離子形成磷酸鹽的沉淀而達到較好的除磷效果。

討論

1人工濕地中的植物功能

植物是人工濕地污水處理系統(tǒng)中的重要組成部分，有較多的研究表明，有植物人工濕地系統(tǒng)凈化污水的效果明顯好于無植物人工濕地系統(tǒng)。一方面植物對水中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收可幫助系統(tǒng)提高對氮、磷等物質(zhì)的去除效果；另一方面，更為重要的是，植物的根部通過分泌大量氧氣、氨基酸、糖類、脂多糖、化感物質(zhì)、酶類等成分增強了根區(qū)生物凈化的活力；另外，植物根系在防止人工濕地基質(zhì)層堵塞，改善系統(tǒng)水力條件方面也有明顯的作用。本試驗研究的結(jié)果也證明了這一點，秋茄人工濕地系統(tǒng)的污染物去除率、基質(zhì)酶活性等均明顯高于無植物人工濕地系統(tǒng)。

由此可見，植物的生長狀況對于人工濕地凈化污水的效果有著重要的影響，而海水養(yǎng)殖廢水較高的鹽度是妨礙人工濕地植物生長的不利條件，在一定進水鹽度條件下，常規(guī)人工濕地植物的生長會受到明顯的抑制，系統(tǒng)凈化效率隨之下降。如王靜等采用蘆葦、香蒲、水蔥、三棱草等植物構(gòu)建人工濕地處理含海水污水的研究表明，當(dāng)進水含海水比例上升至40%時，系統(tǒng)對有機物的去除效果明顯下降。

郭煥曉等采用水培方法研究了香蒲、睡蓮、水蔥、美人蕉、千屈菜、黃花鳶尾等傳統(tǒng)人工濕地植物的耐鹽性能，結(jié)果表明，黃花鳶尾的耐鹽性能較好，但在鹽度超過10‰時，逐漸枯萎死亡[31]。本研究采用鹽生紅樹植物秋茄構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)處理海水養(yǎng)殖廢水，在進水鹽度為30‰左右的高鹽度環(huán)境下，植物長勢良好，并取得了相對于無植物人工濕地系統(tǒng)更好的處理效果，表明秋茄等秋茄植物是構(gòu)建海水養(yǎng)殖廢水人工濕地處理系統(tǒng)的理想選擇。

2人工濕地的凈化效果

海水養(yǎng)殖廢水中的污染物主要來源于投喂飼料的殘渣以及養(yǎng)殖生物的排泄物，主要污染物種類包括懸浮物質(zhì)、有機物及氮磷營養(yǎng)鹽等成分。按照國家漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB11607-89）的要求，漁業(yè)養(yǎng)殖水體的主要水質(zhì)指標(biāo)包括：懸浮物質(zhì)（SS）人為增加的量不得超過10mg/L；生化需氧量（BOD5）不超過5mg/L；非離子氨≤0.02mg/L；溶解氧（DO）連續(xù)24h中，16h以上必須大于5，其余任何時候不得低于3。本試驗采用秋茄人工濕地處理海水養(yǎng)殖廢水，當(dāng)系統(tǒng)在0.1m3/(m2•d)的表面水力負(fù)荷下運行時，出水SS、BOD5等指標(biāo)均達到了漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB11607-89）的要求，可實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用。

結(jié)論

秋茄人工濕地應(yīng)用于循環(huán)海水養(yǎng)殖廢水的處理能取得較好的處理效果，其對COD及NH4+-N的去除率分別在66.4%～73.8%和64.3%～72.4%，去除效果明顯好于無植物人工濕地。對于根系分布最多的表層0～5cm區(qū)域，秋茄人工濕地基質(zhì)磷酸酶活性和脲酶活性均顯著高于無植物人工濕地（P<0.05），對于其他區(qū)域，秋茄人工濕地的基質(zhì)酶活性也高于無植物人工濕地。同時在秋茄人工濕地基質(zhì)床中，表層0～5cm區(qū)域基質(zhì)酶活顯著高于其他區(qū)域（P<0.05），表明秋茄的根部對于提高人工濕地基質(zhì)床的生物活性及其去污能力發(fā)揮了顯著的作用。

采用秋茄人工濕地處理循環(huán)海水養(yǎng)殖廢水時，表面水力負(fù)荷應(yīng)控制在0.1m3/(m2•d)及以下時，出水懸浮物質(zhì)（SS）低于10mg/L，生化需氧量（BOD5）低于5mg/L，達到國家漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB11607-89）的要求，實現(xiàn)循環(huán)利用。