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作者：高鋒楊朝暉李晨金衛紅張力單位：浙江海洋學院海洋科學學院湖南大學環境科學與工程學院

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（0.15m×0.65m×0.32m），處理區（0.59m×0.65m×0.32m），出水區（0.10m×0.65m×0.32m）。進水區和出水區填充直徑為1.2～2.8cm的礫石，處理區填充參入少量細砂和粉煤灰的土壤作為植物生長的基質。試驗中設置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的紅樹植物秋茄（Kandeliacandel），種植密度為每個試驗裝置6株。另設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，試驗所用廢水水質見表1，鹽度為28.5‰。

3試驗方法

試驗開始階段為適應性培養階段，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，每天連續進水10h，其余時間閑置，定期對進出水水質進行分析測定。

4分析測試方法

4.1水質指標測定方法

試驗中水質指標的測定均按國家標準方法進行。由于鹽度的干擾，污水中COD的測定采用高錳酸鉀法。

4.2基質脲酶與磷酸酶活性測定

基質酶活性可反映人工濕地中植物根系與微生物的互作強度，是基質微生物、基質動物和植物根系生命活動的結果。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取自植物根區，測定方法參見文獻?；|脲酶活性（以每克土樣24h產生的NH4+-N量計）用μg/(g•24h)表示，磷酸酶活性（以每克土樣1h產生的對硝基苯酚量計）用μg/(g•h)表示1.5數據分析處理數據分析采用SPSS16.0軟件，采用配對樣本t檢驗分析試驗數據的顯著性差異。

試驗結果與討論

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，污水流經時，有機物被生物膜吸附、吸收，并經同化、異化作用得到去除。圖3a中的試驗數據表明，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，此后進入穩定運行階段，標志著人工濕地試驗裝置啟動的完成。在穩定運行階段，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），這和許多其他學者的研究結果一致。雖然，在人工濕地系統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也被認為是系統中反應活性最高的區域。

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的去除規律與COD的也較為相似（圖3b）。經過前面17d的啟動階段后，裝置進入穩定運行階段，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，人工濕地除磷的關鍵在于基質層的組成，而與植物和微生物作用的關系較小。

2人工濕地基質酶活性分析

穩定運行階段，在監測進出水水質的同時，對秋茄人工濕地和無植物人工濕地基質床距表面0～5、10～15和20～25cm處的基質脲酶和磷酸酶活性進行測試分析，結果見圖4。脲酶和磷酸酶活性隨著基質層深度的增加而遞減（圖4），基質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的區域根系已較為稀少，距表層20～25cm的區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，具有獨特的根際效應，表現出不同于非根際區的物理、化學和微生物學特性，植物根系能通過泌氧、分泌營養成分、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致基質酶活性隨基質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脲酶活性和磷酸酶活性均高于無植物人工濕地，該現象與有機物等污染物的去除規律（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酶活性的差異與基質層深度密切相關。對于表面0～5cm基質，秋茄人工濕地基質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，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，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、營養成分等能促進根系微生物生長的物質也相應減少，從而導致在這些區域秋茄人工濕地與無植物人工濕地基質酶活性的差異明顯減小。

3表面水力負荷對秋茄人工濕地運行效果的影響

表面水力負荷（HLR）是水平潛流人工濕地設計的重要參數，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)水力負荷條件下的處理效果，試驗處于穩定運行階段的平均數據見表2。由表2中數據可知，秋茄人工濕地對懸浮物質（suspendedsolid,SS）有很好的去除效果，并且去除率受系統表面水力負荷的影響很小，當表面水力負荷增加至0.2m3/(m2•d)時，系統仍然取得了82.8%的SS去除率。表明系統中植物的根區及基質填料能有效吸附攔截去除養殖廢水中的懸浮雜質。

對于有機物及氮的去除，表面水力負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荷的增大而逐漸下降。尤其當人工濕地的表面水力負荷增大到0.2m3/(m2•d)時，其對COD、BOD5、NH4+-N、TN等指標的去除率均出現顯著下降（P<0.05）。究其原因，當表面水力負荷增大時，污水在人工濕地基質床中的停留時間相應縮短，此時基質床中的微生物降解、基質過濾、植物吸收等過程均因接觸時間過短而無法完全發揮其功效，從而導致了系統處理能力的下降。另外，從表2中數據可以看出，相對于COD和BOD5，NH4+-N和TN的去除率受表面水力負荷增大的影響更大。推測其原因可能在于，硝化細菌為自養菌，其生長速率及代謝活性均顯著低于異養型細菌，在較短的與污水接觸時間下，其反應活性更容易受到抑制。

對于TP的去除，類似于系統對SS的去除，在較高的表面水力負荷下仍然取得了較好的去除效果，表明在試驗所采用的3種表面水力負荷下，污水在人工濕地基質床中有足夠的停留時間與基質中的鐵、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凈化污水的效果明顯好于無植物人工濕地系統。一方面植物對水中營養物質的吸收可幫助系統提高對氮、磷等物質的去除效果；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、酶類等成分增強了根區生物凈化的活力；另外，植物根系在防止人工濕地基質層堵塞，改善系統水力條件方面也有明顯的作用。本試驗研究的結果也證明了這一點，秋茄人工濕地系統的污染物去除率、基質酶活性等均明顯高于無植物人工濕地系統。

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，常規人工濕地植物的生長會受到明顯的抑制，系統凈化效率隨之下降。如王靜等采用蘆葦、香蒲、水蔥、三棱草等植物構建人工濕地處理含海水污水的研究表明，當進水含海水比例上升至40%時，系統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、黃花鳶尾等傳統人工濕地植物的耐鹽性能，結果表明，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建人工濕地系統處理海水養殖廢水，在進水鹽度為30‰左右的高鹽度環境下，植物長勢良好，并取得了相對于無植物人工濕地系統更好的處理效果，表明秋茄等秋茄植物是構建海水養殖廢水人工濕地處理系統的理想選擇。

2人工濕地的凈化效果

海水養殖廢水中的污染物主要來源于投喂飼料的殘渣以及養殖生物的排泄物，主要污染物種類包括懸浮物質、有機物及氮磷營養鹽等成分。按照國家漁業水質標準（GB11607-89）的要求，漁業養殖水體的主要水質指標包括：懸浮物質（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殖廢水，當系統在0.1m3/(m2•d)的表面水力負荷下運行時，出水SS、BOD5等指標均達到了漁業水質標準（GB11607-89）的要求，可實現養殖廢水的循環利用。

結論

秋茄人工濕地應用于循環海水養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區域，秋茄人工濕地基質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），對于其他區域，秋茄人工濕地的基質酶活性也高于無植物人工濕地。同時在秋茄人工濕地基質床中，表層0～5cm區域基質酶活顯著高于其他區域（P<0.05），表明秋茄的根部對于提高人工濕地基質床的生物活性及其去污能力發揮了顯著的作用。

采用秋茄人工濕地處理循環海水養殖廢水時，表面水力負荷應控制在0.1m3/(m2•d)及以下時，出水懸浮物質（SS）低于10mg/L，生化需氧量（BOD5）低于5mg/L，達到國家漁業水質標準（GB11607-89）的要求，實現循環利用。