河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的脫氮效率及影響因素

吳義鋒，呂錫武，仲兆平，史靜，徐微

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096)

河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的脫氮效率及影響因素

吳義鋒，呂錫武，仲兆平，史靜，徐微

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096)

采用多孔混凝土為河渠生態(tài)護(hù)岸載體，聯(lián)合微生物、綠色植物等生態(tài)因子構(gòu)建模擬河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)，以研究該系統(tǒng)的脫氮效果及其去除機(jī)制。研究結(jié)果表明：岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)能強(qiáng)化河渠中氮類(lèi)污染物的去除效果，且脫氮過(guò)程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系；具有完善特定岸坡生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)渠，停留時(shí)間為7 d時(shí)氨氮去除率達(dá)到85%～90%；總氮(TN)的去除效果受季節(jié)影響，在植物生長(zhǎng)季節(jié)(4～8月份)，7 d的停留時(shí)間內(nèi)TN去除率達(dá)到90%，脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.331～0.353 d?1，主要是微生物反硝化和植物吸收脫氮，脫氮貢獻(xiàn)率為85%左右；在冬季(12月份)，當(dāng)停留時(shí)間為7 d時(shí)，TN去除率僅為36.4%，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.064 d?1，微生物反硝脫氮的貢獻(xiàn)率為80.9%，而植物吸收的脫氮貢獻(xiàn)率僅為4.3%；硬質(zhì)化岸坡的空白渠中，TN去除率低于72%，脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)K最大值僅為0.191 d?1；在河渠岸坡特定生態(tài)岸坡中，反硝化細(xì)菌群集數(shù)量的時(shí)空分布特性與坡面基質(zhì)反硝化潛力的時(shí)空分布特性基本類(lèi)似，具有明顯的根際效應(yīng)，水生植物帶是系統(tǒng)脫氮的主要功能區(qū)。

岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)；多孔混凝土；脫氮；影響因素

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法

1.1 岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

于上海市黃浦江原水廠臨江泵站內(nèi)建設(shè)中試模型，該模型由人工開(kāi)挖的環(huán)形實(shí)驗(yàn)河渠構(gòu)成，環(huán)形河渠可模擬自然彎曲和水流多樣性的特征，同時(shí)增加了模型的可控制性。河渠外側(cè)岸周長(zhǎng)為54.7 m，內(nèi)側(cè)岸周長(zhǎng)為29.5 m，斷面為梯形，底寬為1 m，上寬為4 m，岸坡坡度為1.0:1.5，工作水深為0.8 m。渠內(nèi)設(shè)水流推進(jìn)器，以模擬河水流動(dòng)。1號(hào)為實(shí)驗(yàn)渠，其岸坡采用多孔混凝土為生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)，以微生物和綠色植物為生命主體構(gòu)建岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)；2號(hào)為硬質(zhì)化岸坡的實(shí)驗(yàn)參照渠即空白渠，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1 Diagram of pilot system

實(shí)驗(yàn)渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建方法為：采用多孔混凝土預(yù)制球鋪裝護(hù)砌，球直徑為 250 mm，內(nèi)部預(yù)留平面二維方向的通孔，球成型后用經(jīng)防銹處理的直徑為18 mm鋼筋進(jìn)行串接固定，并充當(dāng)生態(tài)護(hù)砌面的配筋，球體之間自然形成了邊長(zhǎng)約100 mm的方孔，護(hù)砌面空隙率約47%，見(jiàn)圖2。預(yù)制球鋪裝后，就近挖取地表層20 cm的土壤填充護(hù)砌面的空隙，以誘導(dǎo)植物生根發(fā)芽。覆土后實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头磸?fù)通水30 d左右，以充分稀釋多孔混凝土的堿，然后在坡面種植植被。坡面上以選種須根系的植物類(lèi)型為主，并兼顧景觀效應(yīng)。沿坡面從下往上依次種植枯草、菖蒲、美人蕉、狗牙根、黑麥草等，植物帶結(jié)構(gòu)依次為沉水植物、挺水植物、草本植被，實(shí)現(xiàn)了坡面上水生生態(tài)向陸生生態(tài)的自然過(guò)渡。岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)主要通過(guò)生態(tài)坡面上的綠色植物來(lái)改善水質(zhì)和修復(fù)生態(tài)，并以多孔混凝土載體和坡面基質(zhì)富集微生物進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 多孔混凝土預(yù)制球及組合圖Fig.2 Prefab spherical bricks of porous concrete

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)過(guò)1 a多的運(yùn)行后，河渠岸坡植物旺盛，多孔混凝土預(yù)制球的間隙中出現(xiàn)了河蟹、蟾蜍等動(dòng)物，岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)已趨于完善。實(shí)驗(yàn)原水取自黃浦江，當(dāng)渠中水深達(dá)到0.8 m時(shí)，關(guān)閉進(jìn)出水閥，同時(shí)啟動(dòng)水流推進(jìn)器，水在渠中循環(huán)流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)周期為7 d。黃浦江原水水質(zhì)見(jiàn)表1，硝態(tài)氮平均占氮類(lèi)污染物的47%。分別于2008年4月份、8月份和12月份開(kāi)展3個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)研究，以考察不同季節(jié)河渠特定岸坡生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水中氮類(lèi)污染物的去除效果及其影響因素。

表1 黃浦江原水水質(zhì)Table 1 Raw water quality of Huangpu River

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

總氮(TN)和氨氮分別采用過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法和納氏試劑分光光度法測(cè)定[9]。

1.3.1 岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)采集

采用DN50的PVC管一端切割成45°斜面的自制基質(zhì)采集器，插入多孔混凝土預(yù)制球的間隙，采集深度為3～5 cm的基質(zhì)。

1.3.2 反硝化潛力測(cè)定[10]

基于MaxEnt模型的丹參全球潛在生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)分析…………………………………………………… 高 銘等（16）：2243

將采集的新鮮基質(zhì)250 g置入容器，加入去離子水，先用純氮曝氣，待溶解氧(DO)接近于0 時(shí)，加入NaNO3溶液，輕輕攪拌，使水中的NO3?-N濃度與黃浦江原水中的濃度類(lèi)似，將液體石蠟傾倒與水面形成5 mm的液體石蠟?zāi)ひ愿綦x外界空氣，定時(shí)取水樣測(cè)定 NO3?-N濃度，換算為單位質(zhì)量坡面基質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì) NO3?-N的削減量；反硝化細(xì)菌采用反硝化細(xì)菌培養(yǎng)基對(duì)一系列的基質(zhì)懸液培養(yǎng)后，應(yīng)用最大可能數(shù)法(MPN)測(cè)定[10]。

1.3.3 基質(zhì)懸液制備

稱取10 g新采集基質(zhì)加入盛有100 mL無(wú)菌水的三角錐瓶中，振蕩混勻至土壤顆粒完全分解后，吸取1 mL基質(zhì)懸液進(jìn)行系列稀釋。

基質(zhì)反硝化潛力和反硝化細(xì)菌群集數(shù)量的監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置于環(huán)形河道長(zhǎng)直線段的中部，由上而下設(shè)4個(gè)取樣點(diǎn)，分別標(biāo)記為a，b，c和d，見(jiàn)圖3。a點(diǎn)長(zhǎng)期位于水面以上，b點(diǎn)位于坡面中上部的水位變動(dòng)區(qū)，c點(diǎn)位于坡面中下部，d點(diǎn)位于岸坡與河床交界處。a點(diǎn)至坡頂為植物帶草本植物帶，a～c點(diǎn)為植物帶挺水植物帶，b點(diǎn)位于挺水植物帶的中部，c～d點(diǎn)對(duì)應(yīng)沉水植物帶。

圖3 生態(tài)護(hù)砌面監(jiān)測(cè)位置Fig.3 Sampling point on ecological embankments

2 結(jié)果與分析

2.1 氨氮和TN的去除效果

實(shí)驗(yàn)河渠中氮類(lèi)污染物的濃度變化與停留時(shí)間TR的關(guān)系見(jiàn)圖4，脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)模擬結(jié)果見(jiàn)表2。從圖4可見(jiàn)：實(shí)驗(yàn)渠(1號(hào))具有完善的岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)，水中氮類(lèi)污染物去除效果顯著；在植物生長(zhǎng)旺盛季節(jié)(4月份、8月份)的2個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)TR為3 d時(shí)，氨氮和TN的去除率超過(guò)54%，TR為7 d時(shí)去除率均達(dá)到85%以上，此時(shí)，水中氨氮質(zhì)量濃度低于0.1 mg/L，TN質(zhì)量濃度低于0.6 mg/L；冬季時(shí)(12月份)，河渠岸坡護(hù)砌面上的挺水植物菖蒲、美人蕉枯萎被收割，僅生長(zhǎng)越冬植物黑麥草，植物量減少，TN的去除率大幅度降低，TR為3 d時(shí)去除率僅為22.8%，7 d時(shí)的去除率僅增加至 36.4%，可見(jiàn)岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中植物因素在一定程度上決定著河渠的脫氮效果。另外，實(shí)驗(yàn)渠中，溶解氧質(zhì)量濃度為8.0 mg/L左右，氨氮在好氧條件下被氨化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此，氨氮的去除率高且不受季節(jié)影響，而TN去除率受季節(jié)交替的影響顯著。硬質(zhì)護(hù)砌的空白渠(2號(hào))中氮類(lèi)污染物的去除過(guò)程與實(shí)驗(yàn)渠的去除效果差別較大，在4月份和8月份的2個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，當(dāng)TR為3 d時(shí)，氨氮、TN去除率均低于33%；隨著TR延長(zhǎng)，渠中滋生了剛毛藻等浮游藻類(lèi)促進(jìn)了氮類(lèi)污染物的去除效果，8月份時(shí)TN去除率達(dá)到72.0%，然而冬季時(shí)(12月份)，氣溫低而水中藻類(lèi)生物量少，TR為7 d時(shí)氨氮去除率僅為31.7%，TN幾乎無(wú)去除效果。上述表明岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)能夠強(qiáng)化河渠中氮類(lèi)污染物的去除能力。

圖4 N-N和TN濃度與停留時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between total nitrogen and N-N concentration and retention time

表2 脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)模擬結(jié)果Table 2 Simulated reaction kinetic constant of denitrification

岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)是以多孔混凝土為生態(tài)護(hù)岸載體，聯(lián)合坡面基質(zhì)富集的微生物及綠色植物協(xié)同作用。氮類(lèi)污染物去除機(jī)理是多樣的，包括氨揮發(fā)、硝化?反硝化、植物攝取以及基質(zhì)吸附等，其中主要途徑是微生物的硝化—反硝化以及植物攝取，因此，TR越長(zhǎng)，脫氮效果越明顯。實(shí)驗(yàn)渠脫氮效果明顯優(yōu)于空白渠的脫氮效果的原因可歸納為：

(1) 多孔混凝土本身具備連續(xù)貫通的孔隙為綠色植物提供了類(lèi)似土壤的生長(zhǎng)載體，孔隙的覆土基質(zhì)富集了各類(lèi)群微生物。

(2) 坡面植被以須根系植物為主，根系巨大的比表面積具有明顯的根際效應(yīng)，附著大量的微生物，同時(shí)，植物對(duì)各種形態(tài)氮尤其是氨態(tài)氮具有較強(qiáng)的吸收能力。

(3) 岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中不同坡位的功能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，植物根系附近形成有利于硝化作用的好氧區(qū)，而坡面下部遠(yuǎn)離植物根系的厭氧區(qū)的基質(zhì)內(nèi)含有大量的碳源，提供了反硝化條件。

2.2 脫氮?jiǎng)恿W(xué)模擬

根據(jù)實(shí)驗(yàn)河渠的水力學(xué)特征以及生化需氧量(BOD)和 TN的去除服從一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理[11]，即TN去除動(dòng)力學(xué)符合以下動(dòng)力學(xué)模型：

式中：ρ為T(mén)N質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0為T(mén)N初始質(zhì)量濃度，mg/L；K為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，d?1；t為停留時(shí)間，d。

忽略水量損失，總氮去除率可表示為：

式(3)在坐標(biāo)系中為1條過(guò)原點(diǎn)的直線，以?ln(1?η)為縱坐標(biāo)，停留時(shí)間t為橫坐標(biāo)，斜率即為動(dòng)力學(xué)常數(shù)K，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)渠(1號(hào))的脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)K與岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)所處的季節(jié)因素有關(guān)，植物生長(zhǎng)季節(jié)(4～8月份)，護(hù)砌面植物量大，實(shí)驗(yàn)渠脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.331～0.353 d?1，而冬季時(shí)(12月份)水生植物枯萎、被收割，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)僅為0.064 d?1?？瞻浊?2號(hào))的脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)K值遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)渠的K小，并受季節(jié)影響；8月份時(shí)隨TR的延長(zhǎng)，渠內(nèi)滋生了大量的浮游生物，提高了氮類(lèi)污染物的去除效果，動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.191 d?1；4月份和12月份時(shí)空白渠脫氮效果較差，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)僅分別為0.052 d?1和 0.002 d?1。

3 脫氮的影響因素與機(jī)理

由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榉忾]的模擬河渠，氮類(lèi)污染物去除途徑主要包括微生物反硝化、植物吸收、多孔混凝土及填充基質(zhì)吸附和氨氮揮發(fā)。文獻(xiàn)[12]表明：在濕地系統(tǒng)中，當(dāng)pH小于8.0時(shí)，氨揮發(fā)潛力較??；當(dāng)pH大于9.3以及氨和銨離子的物質(zhì)的量比為1:1時(shí)，氨氮揮發(fā)才變得顯著[12]。多孔混凝土在生產(chǎn)過(guò)程中通常摻加一定的堿性緩釋劑，即使在封閉的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，TR=7 d時(shí)水體pH也不超過(guò)8.5，通過(guò)氨揮發(fā)途徑的脫氮量較小。介質(zhì)吸附主要對(duì)還原態(tài)氨氮而言，且吸附過(guò)程是快速和可逆的，但以基質(zhì)陽(yáng)離子發(fā)生銨離子交換一般不認(rèn)為是氨氮去除的結(jié)果[13]。另外，用于構(gòu)造岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的載體為多孔混凝土，其構(gòu)造材料如礫石、水泥等通常是惰性的，并不能提供吸附過(guò)程所需要的大量活性點(diǎn)位，通過(guò)介質(zhì)吸附來(lái)完成脫氮也可忽略不計(jì)。綜上所述，岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的脫氮過(guò)程主要通過(guò)微生物反硝化和植物吸收來(lái)完成。

3.1 生態(tài)岸坡反硝化細(xì)菌富集特征和反硝化潛力

反硝化細(xì)菌屬于異養(yǎng)型微生物，利用亞硝酸鹽、氨氮作氮源，有機(jī)質(zhì)作碳源，使硝酸鹽逐步轉(zhuǎn)化為NO，N2O和 N2，從而完成脫氮過(guò)程。岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)不同坡位的基質(zhì)由于底物濃度、含氧量、pH、氧化還原電位(ORP)等存在差異，生態(tài)護(hù)砌面的反硝化細(xì)菌群集數(shù)量也相應(yīng)存在空間差別，結(jié)果見(jiàn)表 3。水植物帶的b點(diǎn)和c點(diǎn)反硝化細(xì)菌群集數(shù)量明顯比a點(diǎn)和d點(diǎn)的高，但差別不大，屬同一數(shù)量級(jí)，反硝化細(xì)菌并沒(méi)有因?yàn)閐點(diǎn)水深增加或DO偏低而發(fā)生顯著變化，表明特定生態(tài)岸坡上反硝化作用的空間差別較小。這主要是因?yàn)榛|(zhì)采集區(qū)深度為3～5 cm，為植物根際區(qū)，氧的含量并不是影響坡面基質(zhì)富集的首要因素；另外，a點(diǎn)暴露于空氣中，是草本植被生長(zhǎng)區(qū)域，植物根系區(qū)存在還原性的微環(huán)境，富集了一定數(shù)量的反硝化細(xì)菌?？梢?jiàn)：岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的坡面基質(zhì)存在全方位的反硝化潛力。

岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)基質(zhì)的反硝化潛力時(shí)空分布見(jiàn)表 3。不同點(diǎn)位的反硝化潛力在不同季節(jié)具有一定的共性，挺水植物生長(zhǎng)帶的b點(diǎn)和c點(diǎn)基質(zhì)的反硝化潛力較大，坡面上部a點(diǎn)、坡底d點(diǎn)基質(zhì)的反硝化潛力則較小。生態(tài)坡面的反硝化潛力的分布與反硝化細(xì)菌的分布特征基本一致，說(shuō)明生態(tài)坡面上的反硝化細(xì)菌群集特性以及基質(zhì)的反硝化潛力都具有明顯的根際效益。在好氧和厭氧同時(shí)起作用以及碳源不受限制的情況下，岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)坡面具有較強(qiáng)的反硝化潛力，有利于微生物反硝化脫氮過(guò)程，同時(shí)，也證明了岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)對(duì)微污染水體進(jìn)行水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)時(shí)，反硝化作用并非是系統(tǒng)脫氮的限制步驟。

3.2 植物吸收的脫氮作用

植物在氮類(lèi)污染物的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要功能，可以直接吸收水體中的NH3-N和NO3?-N合成自身物質(zhì)。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，根系分泌有機(jī)物，可為微生物除磷脫氮作用的發(fā)生補(bǔ)充碳源，而根系泌氧作用又可以在根系形成好氧或兼氧的微環(huán)境，有利于脫氮過(guò)程的完成[14]。水生植物是岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，采用生態(tài)混凝土進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡后，水生植物在特定生態(tài)系統(tǒng)的載體中生長(zhǎng)良好，提高了系統(tǒng)內(nèi)綠色植物的生物量，從而強(qiáng)化了系統(tǒng)中氮類(lèi)污染物的去除。在實(shí)驗(yàn)渠的岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中，草本植被的種植面積為63.2 m2，夏秋季主要種植狗牙根，冬春季為黑麥草，挺水植物1 a后的成活率達(dá)到90%以上，美人蕉、菖蒲呈簇生長(zhǎng)，每簇1～5株，其中美人蕉600余簇，菖蒲200余簇；苦草等沉水植物受黃浦江濁度高的影響而生長(zhǎng)不明顯，岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中立體性的植物結(jié)構(gòu)有利于水中污染物的去除。

表3 實(shí)驗(yàn)渠岸坡特定生態(tài)系的脫氮因素Table 3 Influencing factors of nitrogen removal on ecological embankments

表4 實(shí)驗(yàn)渠中氮類(lèi)污染物削減量估算Table 4 Estimated amount of nitrogen removal from stream

3.3 實(shí)驗(yàn)渠中氮類(lèi)污染物的去除機(jī)制

實(shí)驗(yàn)渠容納水量為74.10 m3，忽略實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的水量損失，由初始 TN質(zhì)量濃度和實(shí)驗(yàn)周期末的 TN質(zhì)量濃度，可計(jì)算實(shí)驗(yàn)河渠中氮的總削減量。微生物反硝化作用的氮削減量由岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)基質(zhì)的反硝化潛力與生態(tài)護(hù)岸面積計(jì)算；植物吸收的氮削減量通過(guò)在試驗(yàn)周期內(nèi)采集典型植物，由植株體內(nèi)氮素含量[15]與植物凈生長(zhǎng)量計(jì)算；削減總量扣除岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中的反硝化脫氮量和植物吸收的脫氮量，即為其他途徑如底泥攔截、沉積等去除量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可見(jiàn)：在植物生長(zhǎng)季節(jié)，實(shí)驗(yàn)渠脫氮過(guò)程主要由反硝化脫氮和植物吸收完成；而在冬季時(shí)，護(hù)砌面植物量較小，實(shí)驗(yàn)渠主要通過(guò)反硝化脫氮，其脫氮貢獻(xiàn)率達(dá)到80.9%，而植物吸收的貢獻(xiàn)率僅為4.3%。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程受多種因素影響，植物吸收的氮類(lèi)來(lái)源于水、空氣、基質(zhì)等，植物脫氮的貢獻(xiàn)率估算值有所偏大。因此，多孔混凝土作為河渠的生態(tài)護(hù)岸載體，其內(nèi)部連續(xù)貫通的孔隙和巨大的比表面積為微生物的富集提供了載體，同時(shí)，也可作為綠色植物生長(zhǎng)的基質(zhì)，構(gòu)建的岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)提高了河流自凈能力，能修復(fù)其生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

(1) 實(shí)驗(yàn)渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)能夠強(qiáng)化水中氮類(lèi)污染物的去除效果。停留時(shí)間TR為7 d時(shí)氨氮去除率達(dá)到85%～90%；TN去除率受季節(jié)影響顯著，植物生長(zhǎng)季節(jié)去除速率較快，TR為7 d時(shí)，TN去除率也達(dá)到90%左右；而在低溫季節(jié)，TR為7 d時(shí)，去除率僅為36.4%。對(duì)于硬質(zhì)化的空白渠，TN去除率遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)渠的去除率，脫氮速率與水中滋生的藻類(lèi)生物量有關(guān)，氣溫較高時(shí)水中易滋生藻類(lèi)，TR為7 d時(shí)，TN去除率為72%，其他季節(jié)時(shí)，去除率低于28%。

(2) 以多孔混凝土為生態(tài)護(hù)岸載體構(gòu)建的岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)對(duì)河渠中氮類(lèi)污染物去除率與停留時(shí)間呈正相關(guān)，脫氮過(guò)程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)K受季節(jié)影響，植物生長(zhǎng)季節(jié)時(shí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為 0.331～0.353 d?1，冬季時(shí)僅為 0.064 d?1。硬質(zhì)化空白渠的最大脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)僅為0.191 d?1。

(3) 岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中反硝化細(xì)菌群集特征與基質(zhì)反硝化潛力的分布特性基本一致，具有明顯的根際效應(yīng)，表明岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)中挺水植物生長(zhǎng)區(qū)反硝化細(xì)菌菌群數(shù)量較大，反硝化潛力強(qiáng)，是河渠脫氮的主要功能區(qū)。

(4) 在植物生長(zhǎng)季節(jié)，微生物反硝化和綠色植物吸收是河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)脫氮的主要途徑；冬季時(shí)，反硝化脫氮?jiǎng)t是最重要的脫氮途徑。對(duì)河渠進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先修復(fù)與水體進(jìn)行直接交互作用的水生植物生長(zhǎng)區(qū)，在保障岸坡安全與穩(wěn)定以及不影響其水利功能的前提下，以實(shí)現(xiàn)污染物的最大去除。

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(編輯 陳燦華)

Influencing factors of nitrogen removal from stream water using special riverine ecosystem

WU Yi-feng, LU Xi-wu, ZHONG Zhao-ping, SHI Jing, XU Wei

(School of Energy & Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

An experimental model of streams with special riverine ecosystem was constructed to evaluate nitrogen removal from stream and its influencing factors using ecological embankments of porous concrete, microorganism and hydrophytes. The results show that the stream with the benefit of mature special riverine ecosystem gives the highest capacity of nitrogen removal, and the process of nitrogen removal fits first-order reaction kinetics, the reaction speed constant increases with the increase of temperature, and it is 0.331?0.353 d?1during vegetative season but 0.064 d?1in winter. The ammonia-nitrogen removal is 85%?90% within 7 d retention time, and the removal efficiency of total removal is affected by seasonal factors, which can reach 90% during vegetative season, denitrification and plant uptake are both dominate in the process of nitrogen removal, which can contribute 85% of total nitrogen removal. When it is in winter, the removal rate of total nitrogen from the stream reduces to 36.4%, and only denitrification plays the key role in the process of nitrogen removal which contributes 80.9% of total nitrogen removal. The spatial-temporal characteristics of denitrifying bacteria have the same distribution as denitrification potential of substrate on ecological embankments,which all have an accumulated ecological effect on the hydrophyte rhizosphere microbes’ activities. In contrast, in the stream with hard embankments, the removal rate of total nitrogen is bellow 72% all the year around, and the maximum kinetic constant is only 0.191 d?1. It is evident that special riverine ecosystem via ecological embankments of porous concrete and hydrophytes can restore and complete the ecology system significantly.

special riverine ecosystem; porous concrete; nitrogen removal; influencing factors

X171.4

A

1672?7207(2011)02?0539?07

2009?11?09；

2010?02?25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009027)；浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(RB0914)

吳義鋒(1975?)，男，安徽蕭縣人，博士后，從事水環(huán)境的生態(tài)修復(fù)及生態(tài)工程技術(shù)研究；電話：025-83795618；E-mail；shinfun@seu.edu.cn