皎口生态湿地脱氮除磷的效果研究

2014-02-05张松达魏文娟王先挺郝虎林

浙江农业科学 2014年4期

关键词：功能模块钱币去除率

张松达，魏文娟，俞宁，王先挺，郝虎林

（宁波原水集团有限公司,浙江宁波 315100）

皎口生态湿地脱氮除磷的效果研究

张松达，魏文娟，俞宁，王先挺，郝虎林

（宁波原水集团有限公司,浙江宁波 315100）

以宁波市皎口生态湿地为研究对象,通过长期定点监测,研究了湿地总体运行效果、功能模块脱氮途径及不同植物配置间的脱氮除磷差异。结果表明,湿地对总氮、总磷的平均去除率分别为39.3%和28.5%,夏秋季湿地对总氮的去除效果显著高于春冬季,总磷的去除效果基本不受季节变化的影响。微生物反硝化脱氮是湿地功能模块（2-1,3-1）总氮去除的重要途径,后续湿地工艺设计中,可针对总氮偏高水体适当增设反硝化功能区块。水生美人蕉+钱币草对总氮的平均去除率较茭草+钱币草高8.5%,对总磷的去除效果无显著差异,二者脱氮除磷效果差异不显著,但不同植物配置有利于保护湿地生态多样性。

人工湿地；脱氮除磷；去除率

水体富营养化是水质安全的重要隐患,近年来水体富营养化形势日趋严峻。据报道,全球范围内有30%～40%的湖泊和水库存在不同程度的富营养化。2001年国家环保总局抽样调查结果显示,我国处于富营养化状态的水库个数和库容分别占所调查水库的30.8%和11.2%［1］。宁波是以水库供水为主的城市,近年来其水源地水体富营养化问题也日益突出。水体富营养化导致水资源无法正常利用,严重制约经济、社会的可持续发展。目前,国内外针对水体富营养化治理已展开一系列研究,治理措施主要有物理性工程措施、化学沉降和生物性生态修复等。人工湿地作为生态修复措施的代表,能将水体中的富余营养进行资源转化与再利用,较其他治理措施具有投资少、运行成本低、效果好、耐冲击负荷能力强等优点［2-3］。

人工湿地起最早起源于20世纪60年代中期, Seidel和Kickuth开发的 “根区法”使得人工湿地成为国际湿地科学研究领域的热点［4］。我国于“七五” 期间也已开始相关研究［5-7］, 宋志文等［8］对山东荣成人工湿地污水处理系统的研究结果显示,湿地系统对氨氮和总磷的去除率分别为45.1%和30.2%；易志刚等［9］研究了复合人工湿地的污水处理效果,结果表明总氮去除率为26.9%,总磷去除率为81.6%；崔丽娟等［10］通过构建复合型人工湿地,研究了其对水禽污染水体的净化效果,结果显示总氮和总磷平均去除率达到31.7%和52.7%；大量研究证实人工湿地对富营养化水体治理有显著效果［11］。然而,已有的报道多集中在湿地养分去除机理与水质模型的建立方面［12］,对实体湿地工程的研究并不多见。皎口生态湿地是宁波市首个水环境生态湿地工程项目［13］,本研究通过对该人工湿地进行深入研究并明确其脱氮除磷效果,以期为今后相关生态湿地工程的建设及湿地工艺设计提供参考。

l 材料与方法

1.1 生态湿地工程概况

皎口水库复合生态湿地工程于2011年6月建成运行,总面积约4.3 hm2。正常来水条件下,水流经橡胶坝引入生态湿地,水力停留时间为20 h,日处理水量5万t；台汛期,当坝顶水深超过20 m或遇台风暴雨警报时,橡胶坝坍坝泄水,水流经小皎溪河道行洪,直接进入皎口水库。

湿地由水杉涵养林生态沟净化系统、多级强化生物膜系统、营养盐集约式植物资源化系统、高效自净水生态系统、复合生态滤地系统5个子系统构成,镶嵌成15个模块,植物种类配置涉及陆生、水生、湿生等3大类,共18个品种。湿地详情如图1与表1所示。

图1 皎口湿地的平面各模块名称与编号

表1 皎口生态湿地系统模块的配置

1.2 进水水质

湿地水取自小皎溪,溪水经堰坝饮水工程引入生态湿地系统。试验期间湿地来水水质如表2所示。

表2 皎口生态湿地入水水质

1.3 试验设计

监测时期为2011年7月至2013年8月,分别在湿地总入水口和湿地总出水口布设2个取样点,于每月中下旬在湿地正常运行情况下采集水样,检测指标为水体总氮和总磷含量,以研究该湿地系统对水中氮磷的去除效果；同时,在湿地2-1模块入水口、湿地3-1模块出水口布设2个取样点,同上取样,检测水体总氮、总磷和氨氮含量,以研究湿地系统功能模块总氮去除途径；此外,依据湿地实际建设情况,于上述研究同期,选取湿地多级强化生物膜系统中占地面积相同的2-2（水生美人蕉 +钱币草）和2-3（茭草+钱币草）模块,分别于模块的入水口和出水口各布置取样点,同上取样,检测指标为水体总氮、总磷,以研究湿地不同植物配置脱氮除磷效果的差异性。

1.4 检测方法

总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定,总磷采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定,氨氮采用水杨酸分光光度法测定［14］。

1.5 数据分析

利用Microsoft Excel 2010进行数据统计分析及图表绘制。

2 结果与分析

2.1 湿地系统总氮去除效果

由图2可知,湿地全年总氮去除率10.0%～74.5%,年均39.3%。其中,夏秋季（6-11月）总氮去除效果较好,平均去除率达53.5%,而春冬季（12-5月）总氮去除效果较差,平均去除率仅为25.1%。这可能是因为夏秋季（6-11月）气温适宜,光照充足,植物生长,植物能更多地吸收利用水体中的氮素；同时,适宜的温度会加速微生物活动,为湿地系统微生物脱氮提供适宜条件,促进反硝化作用的进行,而已有的研究证实反硝化作用是湿地脱氮的主要途径［15-16］。春冬季（12-5月）湿地植物被收获,仅存的部分植物生长代谢速率减缓,从水体中吸收利用氮素的数量锐减；加之气温过低,微生物活性受抑,生物脱氮效果不显著,因而对总氮的去除效果较差。

图2 皎口湿地总氮的去除效果

2.2 湿地系统总磷去除效果

湿地对总磷的去除效果为11.8%～37.8%,年均达28.5%,年内变化幅度较小,仅为7.7%（图3）。这是由湿地对总磷的去除机理决定的,湿地对总磷的去除以吸附沉淀为主［11,17］,受季节变化影响较小,因而湿地系统对总磷的脱除效果较稳定。

图3 皎口湿地总磷的去除效果

2.3 湿地主体功能模块总氮去除途径

湿地上游来水在流经主体功能模块（2-1,3-1）后,水体总氮含量下降（图4）,而氨氮含量上升（图5）。具体来看,上游来水流经湿地主体功能模块后,总氮浓度下降3.0%～55.9%,平均降幅为30.3%,其中7-8月份总氮去除率均在50%以上。而以往研究表明,植物在最佳条件下对水体氮的吸收量也仅占总氮去除量的10% ～16%［18］,据此推测,在主体功能模块中植物的吸收利用并非氮素脱除的主要途径；结合模块出水氨氮浓度增加19.3%～187.5%,表明模块内发生了强烈的还原作用。这是由于该模块1.3 m的水深与表层高密度植物的工艺构造形成了良好的厌氧还原条件,大量硝态氮、亚硝态氮等在微生物的作用下被还原［19］,从而导致水流经过这一功能模块后,总氮显著下降,而氨氮上升。

图4 皎口湿地主体功能模块总氮的去除效果

图5 皎口湿地主体功能模块氨氮的浓度变化

2.4 湿地不同植物配置总氮去除效果的差异

由图6可以看出,不同植物配置对总氮均有一定的去除效果,但水生美人蕉+钱币草组合的总氮去除效果优于茭草+钱币草组合,水生美人蕉+钱币草对总氮的去除率为4.6%～48.8%,年平均为24.6%；茭草+钱币草对总氮的去除率为2.4%～34.8%,年平均为16.1%,前者的总氮去除率较后者高 8.5个百分点。陈润等［20］的研究也表明,美人蕉对总氮的脱除效果优于茭草。2组不同植物配置对总氮的去除效果仅在夏秋季（6-11月）呈现显著性差异,而在春冬季（12-5月）差异不显著。这是由于夏秋季（6-11月）植物生长最为旺盛,2种不同植物配置在生物量、植物形态及根际微环境上差异均达到最大；而春冬季（12-5月）植物基本已收获,植物形态学差异及由植物根系引发的根际微环境差异程度最小,因而对总氮的去除效果差异不显著。

图6 不同植物配置下总氮的去除效果

2.5 湿地不同植物配置总磷去除效果的差异

由图7可以看出,水生美人蕉+钱币草组合对总磷的去除率为9.7%～36.0%,年均为19.1%；茭草+钱币草组合对总磷的去除率为11.1%～33.3%,年均为22.3%,2种植物配置对总磷的去除效率无显著差异。湿地对总磷的去除是通过基质的吸附沉淀、植物吸收和微生物转化三者的共同作用［21］实现的,其中植物收割只能去除总磷的5%,吸附沉淀在湿地除磷中起主导作用［17］,因而,不同植物配置对总磷脱除效果无显著影响。

图7 不同植物配置下总磷的去除效果

3 小结

皎口生态湿地正常运行期间,对总氮、总磷均有较好的去除效果,总氮年均去除率为39.3%,出水水质总氮指标均提高一个水质类别；对总磷年均去除率为28.5%,出水水质总磷指标稳定达到地表水Ⅱ类。在现行条件下,皎口生态湿地对来水具有显著的脱氮除磷效果。

皎口生态湿地是在皎口水库上游废弃鱼塘的基础上改造而成的,上游来水流经皎口湿地主体功能模块（2-1,3-1）后,总氮含量平均降低30.3%,模块对总氮的去除以微生物还原脱氮作用为主。因此,在设计建造人工湿地时,在入水总氮偏高的情况下,建议适当增大还原性反硝化工艺模块的比例,加大湿地纵深,延长湿地水力停留时间,可有效提高总氮脱除效果。

皎口生态湿地共涉及植物18种,5个子系统的不同模块分别采用了不同的植物配置。本研究对比了水生美人蕉+钱币草和茭草+钱币草2种不同植物配置对氮磷脱除效果的差异,结果表明,水生美人蕉+钱币草对总氮的去除率优于茭草+钱币草组合,二者在夏秋季（6-11月）差异最为显著。但2种植物配置对总磷的去除效果无显著差异。针对不同植物配置对总氮去除效果的差异,建议在湿地植物的收获管理上,依据植物生长周期及季节变化合理调整收获时间和频率。由于不同植物除磷效果无明显差异,建议在植物的配置上适当多样化,这有利于营造优美的湿地生态景观［22］,促进生物多样性恢复与保护,同时也有助于改善湿地局部小气候与生态环境。

［1］马经安,李红清.浅谈国内外江河湖库水体富营养化状况［J］.长江流域资源与环境,2002,11 （6）：5 75-578.

［2］ Jiang Y P,Ge Y,Yue C L,et al.Nu trient removal role of plants in constructed wetland on sightseeing water［J］.Acta Ecologica Sinica,2004,24（8）：1718-1723.

［3］ Zhang J,He M,Shao W S,et al.Sustainable operation of subsurface constructed wetland treating polluted river［J］. Environmental Science,2006,27（9）：1760-1764.

［4］ Brix H.Use of constructed wetlands in water pollution control：historical development,present status,and future perspectives［J］.W ater Science and Technology,1994,30（8）：209-224.

［5］鞠瑾.植物湿地床对泰达再生水景观河道中氮磷的净化研究［D］.重庆：西南大学,2007.

［6］诸惠昌,胡纪萃.新型废水处理工艺：人工湿地的设计方法［J］.环境科学,1993,14（2）：39-43.

［7］朱彤,许振成,胡康萍,等.人工湿地污水处理系统应用研究［J］.环境科学研究,1991,4（5）：17-22.

［8］宋志文,张锡义,汤华崇,等.人工湿地污水处理技术及其发展［J］.青岛建筑工程学院学报,2004,25（2）：58-61.

［9］易志刚,刘春常,张倩媚,等.复合人工湿地对有机污染物的去除效果初步研究［J］.生态环境,2006,15（5）：945-948.

［10］崔丽娟,李伟,张岩,等.复合人工湿地对水禽污染废水的净化效果［J］.生态科学,2011,30（4）：446-453.

［11］张太平,陈韦丽.人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展［J］.生态环境,2005,14（4）：580-584.

［12］王薇,俞燕,王世和.人工湿地污水处理工艺与设计［J］.城市环境与城市生态,2001,14（1）：59-62.

［13］张慧敏,章明奎.宁波市农业面源污染源的变化特点及防污对策［J］.安徽农学通报,2007,13（19）：89-91.

［14］国家环境保护总局.水和废水的监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社,2002.

［15］刘超翔,董春宏,李峰民,等.潜流式人工湿地污水处理系统硝化能力研究［J］.环境科学,2003,24（1）：80-83.

［16］宋志文,毕学军,曹军.人工湿地及其在我国小城市污水处理中的应用［J］.生态学杂志,2003,22（3）：74-78.