全 文 ：第 0 1卷 第 l期
1 9 98年 3月
湖 泊 科 学
J( ) UR N AL OF I
J
A K E S CN IE C E S
V ol
.
0 1
.
N o
.
18 9 9
香蒲 、 灯心草人工湿地的研究
— n. 净化污水的空间 ’
成水平 夏宜睁
( 中国科学院水生生物研究所 , 武汉 4 3 0 0 7 2)
提 要 从人工湿地水生植物根系实际生长深度 、 微生物及酶的空间分布以及不同深度人
工湿地对污水的净化效果比较出发 , 研究了人工湿地污水处理系统的净化空间 . 以种植香蒲
了沙户丙a a1I gt’ st iof “ a 和灯心草 lJ’ ” cu : 代所 ,s u : 的人工湿地为例 , 水 生植物根系主要分布在湿地基质
上层 25 c m 区域 ;微生物的数量随深度增加而递减 , 且 3c5 m 层的数量远远的低于上层 ; 5 一 10 cm 层
的磷酸酶 、 纤维素酶和 蛋白酶活性亦大于 2 0 c m 层 ; 6c0 m 深的人工湿地与 2 0 c m 深的人工 湿地对污
水中污染物的净化效果基本一致 . 可以推断 , 人工湿地在净化污水的过程中 , 其上层 存在一 个较佳
的净化空间 .
关键词 人工湿地 污水处理 净化空间
分类号 9Q 4 8 . 8 X 5 2
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 一
0
.
7m[
’ · ’ 〕 , 例如藤草根系可以达到 0 . 76 m , 故以 o . 76 m 的深度来设计人工湿地 〔’ ] , 而芦苇床推
荐深度为 0 . 6 一 0 . 7 m , 茬芷 、 席草和灯心草等湿地 以 0 . 45 一 o . 6 m 为宜 [’] , 但有研究表明经两
个生长季节后 , 水生植物的根系远未达到人工湿地的底部 5[] , 而有些试验人工湿地深度小于水
生植物根系自然扩展深度 , 仍能表现出很好的污水净化能 力0[] . 香蒲 与hP 。 。 ,啥。 ist /。 i/ 。 和灯
心草 J “ , ; 。 “ 、 efj 砒“ 、 人工湿地净化污水的效果已有另文报导 {’ 〕 , 本文从水生植物根系实际生长
深度 、 微生物 及酶的空间分布以及湿地深度对净化效果的影响等出发 , 探讨人工湿地的较佳净
化空 间 .
1 材料与方法
材料与方法 见另文川 .
2 结果与讨论
2
.
1 水生植物根系在人工湿地中扩展的深度
经过一个生长周期 (一年 ) , 19 9 6 年 3 月检测 工型人工湿地 中香蒲和灯心草根 系发展状
况 . 香蒲 、 灯心草根系主要集 中在上面 2 c5 m 厚的基质 中 , 下层则极 为稀少 . n 型 人工湿地中 ,
由于总深度为 2 c0 m , 植物的根布满整个湿地基质一般地 , 在不同的基质结构 、 环境因子等情况下 , 植物根系的扩展深度及发达程度有所 变化 . 有文献报道 , 在 0 . 76 m 深的人工湿地 中 , 两
个生长季节以后 , 蕉草根系主要分布在 人工湿地 0 . 12 一 0 . 巧 m 深度以上的基质中 , 只占据了
收稿 日期 : 19 9 6 一 1 一 18 ; 收到修改稿 日期 : I Q 9 7 一 () 7 一 1 4 .成 水平 , 男 , 19 6 9 年生 , 助理研究 员
。一 1期 成水平等 :香蒲 、 灯心草人工湿地的研究— 且 .净 化污水的空间 5 %的湿地基质 〔 5 ].可 见 , 在人工湿地中水生植物的根系未能达到基质的底部 , 至 少底部根系稀
疏 . 水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附富集一些有毒有害物质外 , 还有输送氧
气至根区和维持水 力传输的作用8[] . 而按水生植物根系 自然扩展深度设计的人工湿地 , 根系实
际没有扩展至底部 , 氧气则无法输入 , 水力传输也受到影响 , 从而底部净化效果差 , 影响到整个
人工湿地的污水净化能力 . 1 型 人工湿地植物根系主要集 中在上面 25 Cm 的基质区域 , 则氧气
的输送也基本到此为止 .
2
.
2 人工湿地微生物的空间分布状况
19 9 5 年 7 月和 12 月 , 对 I 型人工湿地微生物的空间分布状况作了调查 (表 1 ) , 结果如下 :
表 1 1 型 人工湿地微生物空 间分布状况 (个 /克 , 千土 )
T a b
.
1 T h 。 S p a t ia l d i s t r ib u t ion
s o
f m i
e
or
g a n i s m
s in a r t if i
e ia l w
e t l
a n
d ( I ) [
I n d
.
/ g ( dw )」
湿 地 深 度 细菌总数 (
x l 0 6 ) 放线菌 ( x l o s )
对照
519147.763580
19016”282犯训95
香蒲湿地
灯心草湿地
5 一 1 0 e m
2 0 e 。 , 左右
3 5 e m 左右
5 一 1 () e n l
2 0 e n 、 左右
3 5
C, 1、 左右
5 一 1 () c n i
2 (〕c ,、 、 左右
3 5 e , 1 、 左右
1 2 月
1 6
3 7
1 60
2 3
12 月
4
.
5
1 4
1 2
l 8
1 2
真菌 ( x l 0 5 )
7 月 12 月
1 10 5 5
4
,
5 5
·
2
3
.
3
6 1 12 )`
7 0 3 1
5
.
6
19
9
.
8
3
. 《〕
对照中无论是 7 月还是 12 月 , 5 一 10 c m 处的细菌 、放线菌 、 真菌数量 比 20 c m 处的基本上
大一个数量级 , 其平均 比值为 1 l . l( 土 7 . 0 ) ; 而 2 0 c m 处与 3 5 c m 处的数量 比值为 3 . 3( 士 1 . 7) ,
即它们的平均数量在一个数量级之内 , 由此说明 , 对照湿地中的微生物主要集中在表层 下 , 到
2 0 c m 深处则急剧下降 . 香蒲型湿地中 , 5 一 10c m 深处的细菌 、放线菌 、 真菌数量与 ZO c m 深度的
数量平均 比值为 2 . 0 ( 士 1 . 1) , 其数量处于同一数量级 , 只相差一倍 ; 而 5 一 1c0 m 处与 3 c5 m 深
处的数量 比 、 2 0 e m 深处与 3 5 e m 深处的数量比分别是 1 3 . 7 ( 土 4 . 1 )和 5 . 0 ( 士 3 . 5 ) , 即 2 0 e m 深
处以下的微生物数量显著下降 . 灯心草型湿地细菌总数 、 真菌的分布情况类似于香蒲型湿地 ,
只有放线菌数量下降幅度不大 . 可见 , 人工湿地的微生物 数量随着深度的增加而减小 , 水生植
物的存在有利于微生物在人工湿地纵深的扩展 . 水生植物能将光 合作用产生的氧气通过恨系
输送至根区 , 在植物根区的还原性介质中形成了氧化态的微环境 , 这种根区有氧区域和缺氧区
域的共同存在为根区的好氧 、兼性和厌氧微生物提供了不同适宜的小环境 . 因而随着植物根系
在基质中的向下扩展 , 微生物种群也向下延伸 .
2
.
3 1 型人工湿地 中酶活性
19 9 5 年 1 月至 1 9 9 6 年 3 月 , 对 工型人工湿地的对照和香蒲型中的磷酸酶 、 纤维素酶和
蛋白酶活性进行了 4 次调查 , 其平均结果如下 :
香蒲型人工湿地中的磷酸酶 、纤维素酶 、 蛋白酶活性在数值上高于对照 , 但由于数据起伏
较大 , t 检验 ( t < 2 . 7 7) 差异不显著 ( 尸 > 0 . 0 5) . 香蒲型人工湿地 中 5 一 10 cn : 深处的酶活性 稍
64湖 泊 科 学 1 0卷
高于 ZO c m 深处的酶活性 , 二者之间虽无显著性差异 (尸 > 0 . 0 5 ) , 但这种趋势正好与表 2 中的
微生物空间分布相对应 , 表明水生植物的存在也加强了酶在人工湿地纵深的分布 .
表 2 1 型 人工湿地酶活性 ( 19 9 5 年 1 月 一 1 9 9 6 年 3 月 ) ”
T a b
.
2 T h 。 。 : 、 z y m a t ic a e t i v , t y , n a r t if ie . a l w e t la n d ( I ) ( 1 9 95
.
1 1一 1 9 9 6 . 3 )
对 照 香 蒲酶 — — - 一 - - - 一 一一—— 一 一5 一 10 e n , 20 e m 左右 5 一 l 〔) e n , 2一) e :、 、 左右磷酸酶味 g P 一硝 基酚 / g ( d w )」最 小值最大值平均值 8 9 6 6 42 7 5 . 0 3 115 5 . 0 7 5( 10 4 . 0 2 7 ) 5 9 . 2 5 39 0 . 6 9 57 0 . 6 0 0( 17 . 4 5 1 ) 15 6 . 7 8 93 7 0 . 15 62 3 8 . 9 19( 9 5 . 16 2 ) 8 8 . 8 2 715 8 . 0 6 4! 2 5 . 4 9 1( 3 3 . 7 1 5 )蛋白酶 [ ” g N H : 一 N /g ( 〔 Iw ) i最小值最大值平均值 ! 2 2 . 0 4 76 4 3 . 7 2 83 4 1 . 5 4 5( 2 7 0 . 4 9 1 ) 15 5 . 7 7 83 3 7 . 18 12 4 9 . 1 2 7( 7 9 . 12 3 ) 5 4 6 . 6 6 02 0 9 1 . 3 4311 5 2 . 70 5( 7 1 9 . 2 1 7 ) 4 4 4 . 2 4 610 2 5 . 3 7 27 1《) . 5 5 3( 25 8 . 4 4 9 )纤维素酶 [拜g 葡萄糖 19 ( d w ) ]最 小值
最大值
平均值
8 1
.
4 0 7
3 5 6
.
9 5 6
19 2
.
0 2 2
( 14 5
.
5 8 4 )
3 1
.
4 9 7
7 1
.
3 5 7
5 0
.
9 0 3
( 19
.
9 5 1 )
3 00
.
8 0 3
8 08
.
70 7
5 58
.
9 8 5
( 2 54
.
0 5 8 )
8 9
.
3 9 3
2 7 1
.
2 5 2
18 2
.
4 7 2
( 9 1
.
( ) 0 6 )
l) 括号 内为标 准差 .
人工湿地 中微生物的代谢作用是污水中有机污染物质降解的主要机制 , 污水中的有机污
染物质包括含氮 、 含磷化 合物 , 经微生物的作用 , 降解成终极产物释放到大气中或固定于土壤 、
或成 为水生植物及微生物可以吸收的营养物质 、 或转化为对水环境无毒或弱毒的物质 . 各种酶
在土壤中的积累是由于土壤微生物 、 好中温动物区系和植物根系的生命活动的结果 , 它们参与
了土壤中腐殖质的合成和分解 、 有机化合物 、 高等植物和微生物残体的水解及其转化成为可利
用的形态 、 以及还原反应等〔9 〕 . 例如 , 纤维素酶能酶促纤维素中的 日一 1 , 4 一 葡聚糖键 的水解 ,
可将纤维素分解成为葡萄糖分子 ;磷酸酶能酶促磷酸醋水解 , 并释放正磷酸盐 ; 蛋白酶能酶解
蛋白质和肚类等大分子氮化物 , 生成氨基酸 汇’ 。 〕 . 人工湿地中有着丰富的微生物群落 , 水生植物
根系格当发达 , 因而酶相当活跃 . 微生物数量的大小 、 酶活性的高低直接关系到生物 降解作用
的大 小及生物化学活动的强弱 , 2 c0 m 以下层微生物的丰度显著下降 (表 1 ) , 酶 活性也从表 层
而下逐渐下降 (表 2) , 水生植物根系主要集中在 2 5 c m 以上的湿地基质区域 , 由此可以初步得
出人工湿地中有机污染物的降解主要发生在 2 c0 m 以上的基质区域 .
2
.
4 不同深度人工湿地对污水 中污染物质的净化效果
工 、 n 型人工湿地对污水中凯 氏氮 、 氨氮 、 总磷 、 以 )D c r等的净化效果及污染 负荷 , 与其它
几种 人工湿地的净化效果及负荷对比如下 (表 3 ) :
通过显著性检验 , 1 型人工湿地对城镇污水污染物的去除能力与 工型无差异 ( 尸 > 0 . 0 5 ) ;
1 型灯心草湿地对人工污水污染物的去除能力在 1 9 9 5 年与 工型灯心草湿地相当 , 而 1 9 9 6 年
的结 果要略好于 I 型川 .
n 型 人工湿地净化污水的能力及污染物质的 负荷也不亚于文献报道的结果 . 如 1 型 灯心
草湿地对 人工污水 C ( )D e r的去除率平均达 9 7 . 7 % (水 力停留时间 s d ) , 负荷 3 2 . 7 9 / ( m , · (一) ; 蕉
l 期 成水平等 : 香蒲 、灯心草 人工湿地的研究— n . 净化污水的空间 6 5
草对 B ( )D S的去除率为 7 7 %一 96 %(水力停 留时间 6 一 l d o ), 负荷 6 . 5 一 12 . 3 9 /( m , · d ) [ ’ , ’ ` 〕 .
R os ge
r S 的试验 人工湿地尽管 只有 0 . 28 m 深 , 负荷为 2 . s g T N / ( m , · d) , 水力停留时间为 7 d
的条件下 , 总氮的去除率达 90 . 8 % 闪 , 不亚于其他人工湿地的结果 . 此结果亦表明 , 虽然没 计
的人工湿地深度较小 , 但只要根系发达 , 同样能取得满意的净化效果 .
表 3 几种人工湿地污 染物负荷及去除率等比较
T a b
.
3 肠m p a r , 5 0 1、 o f t h e lo a d 一n g a l l d r e m o v a ! r a t e s o f e o n t a m i r l a n t s in s e v e r a l a r t i f一e ia l w e t la 一、 d 、
水生植物 污水 停留时 }司 K N N H
藤草 村镇 污水
一 N ’ f P B〔 ) l ) 5
12
.
3 日
77 %
7 6
.
8
3 % 96 %
队酬6cl7l
城镇 污水
芦苇 伙
7 8
.
5 % 旦吕l %
水葱 2 1 初级 污水 2
.
5引
9 0 8 %
()
.
9 《) . 8 5 《) . 12
9 8
.
2 % q9
.
8 % 9 9
.
1%
0
.
9 0
.
8 5 0
.
12
9 4
.
L% 94
.
9 % 9 0
.
1%
2
.
0 4 0
.
7 4 0
.
2 8
9 6
.
8 % 93
.
9 % 9 7
.
1%
2
.
0 4 ( )
.
74 0
.
2 8
9 8
.
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.
3 % 9 8
.
8 %
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.
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.
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.
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.
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.
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0
.
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8 5 0
.
12
9 4
.
1 % 9 6
.
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.
4 %
2
.
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.
7 4 0
.
2 8
92
.
9 % 8 8
.
1 % 98
.
1 %
CO D c
, 湿地深度 文献
0
·
7 511
、
[ 1 1 〕
《) . 7 6 n , [ 3 j
0
.
7 6 m [ 3」
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.
2 8 n
, 【6」
灯 心草 城镇 污水
城镇 污水
5〔 {
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4
.
06
9 7
.
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4 06
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.
6 0 。 、 本文 I 型
8 0
.
3 %
o
.
2 0 m 本 文 1 型
人工污水
9 6
.
7 %
0
.
6 0 n
, 本 文 I 型
人工污水
5 d
5〔 l
香 蒲 城镇污水 s d
城镇污水 s d
人工污水 cl5
3 2
.
7
9 7
.
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.
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8 9
.
4 %
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.
3%
32 7
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.
9%
0
.
2 0 n
l 本 文 n 型
0
.
6 0 rt
l 本 文 I 型
0
.
2 0。 、 本 文 工型
o
.
6 0 m 本 文 n 型
1 ) 横线上数值为负荷 ( 9 1( n 、 3 · d ) ) , 下值为平均去除率 ; 2 ) & 方, , ,o神 e’ t u , 、 z i it ,` , ; 3 )为 ` r N
3 小结
( l) 按水生植物根系自然扩展深度设计的人工湿地 , 表底各部分并非都发挥同等重要的
净化污水的作用 , 而存在着一个较佳的净化空间 . 根据以上试验结果与讨论 , 可 以推断这个较
佳的净化空间大致为 20 一 25 c m 以上的湿地上层 . 只有增加人工湿地净化污水的有效空间 , 才
能充分地利用湿地体积 , 也是提高人工湿地污水净化功能的重要途径 .
( 2) 湿地植物有助于微生物 、 酶在人工湿地空间的扩展 , 有利于扩大人工湿地净化污水的
有效空间 , 提高人工湿地的污水净化能力 .
参 考 文 献
C 、 , z l l e y l
,
M
,
I) i c k R l & l
一。 1 1 1 W
.
A n a s s e s s n l e 一 t o f t h e r o * 翻 n e m e tho d o f w a s t w a t e r 一r e a 盆t飞 ze l l 一 R 时、 . l w 尸(刃F . 19 9 1 . 6 3 ;
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: 3 6 3 一 3 6 8
胡康萍 人工湿地设 计的水 力学 问题研究 环境科学研 究 . 19 9 1 . 4 ( 5 ) : 8 一 12
6 6 湖 泊 科 学 0 1月卷
S E〔l wr ar i s G 5
.
R ot d i
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u t i o n o f 阳 f t 一 s t e m b u i r u s h ( 、 i rP ,` , 佣 l泣d : ` s ) in a e o n s t ur e t ed w e t lan d . ` Fv A C 。 〕 p F o r S t u r { P or -
g r a m
.
T v A F o r e s t y uB l id
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N o r r i s
,
T N 3 7 8 2 8
,
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29 0 5 4 19 4 G
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19 9 2
:
2 3 9 一 24 3
6 R o s g e r s K H
.
B r e e n P F & C h i e k A J
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N i t r O g e n r e m o
v a l i n e x p e r ime
n t a l w e t l a nd
t re a tm e n t s y s t e n 一s : e v ide n e e fo r t he ro l e o f
a q u a t i e P l
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R
尸`
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8 B r 一x H
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A r t i if e i s l
R U S h
W
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a t t a i l ( 1冲ha a n g u s t if l i a ) ,
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A b s t r ac t
D e a l t w i t h t h e g ro w i n g d e p t h o f m a e ro p h y t
e s r co t s
, s p a t ia l d is t r ib u t io n s o f m i e or 玛 a n i s m s
a n d e n z y m e i n a r t i f i e i a l w e t la n d a n d e o m p a r iso n o f er vmo
a l ar t es o f co n t a m i n a n t s i n d i f e r e n t
d e p t h s o f a r t i f i e ia l w e t la n d s
,
t h e b e t t e r p u r i f y i n g s p a e e i n a r t i f i e i a l w e t lan d w
a s t e w a t e r t r e a tm e n t
s y s t e m h a s b e e n d is e u s s e d
.
F or m
S t u d ie s o n t h e a
r t i f i e i a l w e t l a n d w i t h e a t t a il ( 了落夕人a a ,啥 u s t if l i a ) a n d r u s h ( J u , ; c u s
吠厅` s u s ) , r o t s o f m a e or p y h t e r a r e d i s t r i b u t e d m a i n l y o v e r 2 5 e m u p s u r f a e e i n w e t la n d , s p a t ia l
d i s t r i b u t i o n o f m ie or 堪 a n i s m s 15 a s f o ll o w s
.
T h e n u m b e r s o f s 一 1 0 e m d e p t h a r e mo
r e t h a n t h e
2 0 e m d e p t h
’ 5 a n d f u r t h e r mo
r e t h a n t h e 3 5 e m d e p t h
’ 5
.
T h e a e t i v i t y o f p h o s p h a t a s e
,
g lu e a n d e
-
h y d r a t a s e a n d p or t
e i n a s e i n s u r f a e e 15 h ig h e r t h a n 2 0 e m d e p t h
’ 5 . I n w i n t e r
,
t h e p e r fo r m a n e e o f
p u
r i f y i n g w a s t e w a t e r o f t h e w e t la n d w h i e h d e e P s ZO e m s h o w s a lm o s t no d i f f
e r e n e e w i t h t h e w e t
-
la n d w h i e h d e e P s 6 0 e m
.
I t m a y b e d de u e e d t h a t t h e r e 15 a b e t t e r p u r i f y i n g s Pa e e i n t h e u P p e r l e v e l o f a r t i f i e i a l w e t la n d
fo r w a s t e w a t e r t r e a t m e n t
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K e y W o 川 5 A r t if ie ia l w e t l a n d , w a s t e w a t e r t r e a t m e n t , b e t t e r p u r i f y i n g s p a e e