皎口生態(tài)濕地脫氮除磷的效果研究

張松達，魏文娟，俞 寧，王先挺，郝虎林

（寧波原水集團有限公司,浙江寧波 315100）

皎口生態(tài)濕地脫氮除磷的效果研究

張松達，魏文娟，俞 寧，王先挺，郝虎林

（寧波原水集團有限公司,浙江寧波 315100）

以寧波市皎口生態(tài)濕地為研究對象,通過長期定點監(jiān)測,研究了濕地總體運行效果、功能模塊脫氮途徑及不同植物配置間的脫氮除磷差異。結(jié)果表明,濕地對總氮、總磷的平均去除率分別為39.3%和28.5%,夏秋季濕地對總氮的去除效果顯著高于春冬季,總磷的去除效果基本不受季節(jié)變化的影響。微生物反硝化脫氮是濕地功能模塊 （2-1,3-1）總氮去除的重要途徑,后續(xù)濕地工藝設(shè)計中,可針對總氮偏高水體適當(dāng)增設(shè)反硝化功能區(qū)塊。水生美人蕉+錢幣草對總氮的平均去除率較茭草+錢幣草高8.5%,對總磷的去除效果無顯著差異,二者脫氮除磷效果差異不顯著,但不同植物配置有利于保護濕地生態(tài)多樣性。

人工濕地；脫氮除磷；去除率

水體富營養(yǎng)化是水質(zhì)安全的重要隱患,近年來水體富營養(yǎng)化形勢日趨嚴峻。據(jù)報道,全球范圍內(nèi)有30%～40%的湖泊和水庫存在不同程度的富營養(yǎng)化。2001年國家環(huán)?？偩殖闃诱{(diào)查結(jié)果顯示,我國處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的水庫個數(shù)和庫容分別占所調(diào)查水庫的30.8%和11.2%［1］。寧波是以水庫供水為主的城市,近年來其水源地水體富營養(yǎng)化問題也日益突出。水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致水資源無法正常利用,嚴重制約經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。目前,國內(nèi)外針對水體富營養(yǎng)化治理已展開一系列研究,治理措施主要有物理性工程措施、化學(xué)沉降和生物性生態(tài)修復(fù)等。人工濕地作為生態(tài)修復(fù)措施的代表,能將水體中的富余營養(yǎng)進行資源轉(zhuǎn)化與再利用,較其他治理措施具有投資少、運行成本低、效果好、耐沖擊負荷能力強等優(yōu)點［2-3］。

人工濕地起最早起源于20世紀60年代中期, Seidel和Kickuth開發(fā)的 “根區(qū)法”使得人工濕地成為國際濕地科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點［4］。我國于“七五” 期間也已開始相關(guān)研究［5-7］, 宋志文等［8］對山東榮成人工濕地污水處理系統(tǒng)的研究結(jié)果顯示,濕地系統(tǒng)對氨氮和總磷的去除率分別為45.1%和30.2%；易志剛等［9］研究了復(fù)合人工濕地的污水處理效果,結(jié)果表明總氮去除率為26.9%,總磷去除率為81.6%；崔麗娟等［10］通過構(gòu)建復(fù)合型人工濕地,研究了其對水禽污染水體的凈化效果,結(jié)果顯示總氮和總磷平均去除率達到31.7%和52.7%；大量研究證實人工濕地對富營養(yǎng)化水體治理有顯著效果［11］。然而,已有的報道多集中在濕地養(yǎng)分去除機理與水質(zhì)模型的建立方面［12］,對實體濕地工程的研究并不多見。皎口生態(tài)濕地是寧波市首個水環(huán)境生態(tài)濕地工程項目［13］,本研究通過對該人工濕地進行深入研究并明確其脫氮除磷效果,以期為今后相關(guān)生態(tài)濕地工程的建設(shè)及濕地工藝設(shè)計提供參考。

l 材料與方法

1.1 生態(tài)濕地工程概況

皎口水庫復(fù)合生態(tài)濕地工程于2011年6月建成運行,總面積約4.3 hm2。正常來水條件下,水流經(jīng)橡膠壩引入生態(tài)濕地,水力停留時間為20 h,日處理水量5萬t；臺汛期,當(dāng)壩頂水深超過20 m或遇臺風(fēng)暴雨警報時,橡膠壩坍壩泄水,水流經(jīng)小皎溪河道行洪,直接進入皎口水庫。

濕地由水杉涵養(yǎng)林生態(tài)溝凈化系統(tǒng)、多級強化生物膜系統(tǒng)、營養(yǎng)鹽集約式植物資源化系統(tǒng)、高效自凈水生態(tài)系統(tǒng)、復(fù)合生態(tài)濾地系統(tǒng)5個子系統(tǒng)構(gòu)成,鑲嵌成15個模塊,植物種類配置涉及陸生、水生、濕生等3大類,共18個品種。濕地詳情如圖1與表1所示。

圖1 皎口濕地的平面各模塊名稱與編號

表1 皎口生態(tài)濕地系統(tǒng)模塊的配置

1.2 進水水質(zhì)

濕地水取自小皎溪,溪水經(jīng)堰壩飲水工程引入生態(tài)濕地系統(tǒng)。試驗期間濕地來水水質(zhì)如表2所示。

表2 皎口生態(tài)濕地入水水質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計

監(jiān)測時期為2011年7月至2013年8月,分別在濕地總?cè)胨诤蜐竦乜偝鏊诓荚O(shè)2個取樣點,于每月中下旬在濕地正常運行情況下采集水樣,檢測指標為水體總氮和總磷含量,以研究該濕地系統(tǒng)對水中氮磷的去除效果；同時,在濕地2-1模塊入水口、濕地3-1模塊出水口布設(shè)2個取樣點,同上取樣,檢測水體總氮、總磷和氨氮含量,以研究濕地系統(tǒng)功能模塊總氮去除途徑；此外,依據(jù)濕地實際建設(shè)情況,于上述研究同期,選取濕地多級強化生物膜系統(tǒng)中占地面積相同的2-2（水生美人蕉 +錢幣草）和2-3（茭草+錢幣草）模塊,分別于模塊的入水口和出水口各布置取樣點,同上取樣,檢測指標為水體總氮、總磷,以研究濕地不同植物配置脫氮除磷效果的差異性。

1.4 檢測方法

總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定,總磷采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定,氨氮采用水楊酸分光光度法測定［14］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地系統(tǒng)總氮去除效果

由圖2可知,濕地全年總氮去除率10.0%～74.5%,年均39.3%。其中,夏秋季 （6-11月）總氮去除效果較好,平均去除率達53.5%,而春冬季 （12-5月）總氮去除效果較差,平均去除率僅為25.1%。這可能是因為夏秋季 （6-11月）氣溫適宜,光照充足,植物生長,植物能更多地吸收利用水體中的氮素；同時,適宜的溫度會加速微生物活動,為濕地系統(tǒng)微生物脫氮提供適宜條件,促進反硝化作用的進行,而已有的研究證實反硝化作用是濕地脫氮的主要途徑［15-16］。春冬季 （12-5月）濕地植物被收獲,僅存的部分植物生長代謝速率減緩,從水體中吸收利用氮素的數(shù)量銳減；加之氣溫過低,微生物活性受抑,生物脫氮效果不顯著,因而對總氮的去除效果較差。

圖2 皎口濕地總氮的去除效果

2.2 濕地系統(tǒng)總磷去除效果

濕地對總磷的去除效果為11.8%～37.8%,年均達28.5%,年內(nèi)變化幅度較小,僅為7.7%（圖3）。這是由濕地對總磷的去除機理決定的,濕地對總磷的去除以吸附沉淀為主［11,17］,受季節(jié)變化影響較小,因而濕地系統(tǒng)對總磷的脫除效果較穩(wěn)定。

圖3 皎口濕地總磷的去除效果

2.3 濕地主體功能模塊總氮去除途徑

濕地上游來水在流經(jīng)主體功能模塊 （2-1,3-1）后,水體總氮含量下降 （圖4）,而氨氮含量上升 （圖5）。具體來看,上游來水流經(jīng)濕地主體功能模塊后,總氮濃度下降3.0%～55.9%,平均降幅為30.3%,其中7-8月份總氮去除率均在50%以上。而以往研究表明,植物在最佳條件下對水體氮的吸收量也僅占總氮去除量的10% ～16%［18］,據(jù)此推測,在主體功能模塊中植物的吸收利用并非氮素脫除的主要途徑；結(jié)合模塊出水氨氮濃度增加19.3%～187.5%,表明模塊內(nèi)發(fā)生了強烈的還原作用。這是由于該模塊1.3 m的水深與表層高密度植物的工藝構(gòu)造形成了良好的厭氧還原條件,大量硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等在微生物的作用下被還原［19］,從而導(dǎo)致水流經(jīng)過這一功能模塊后,總氮顯著下降,而氨氮上升。

圖4 皎口濕地主體功能模塊總氮的去除效果

圖5 皎口濕地主體功能模塊氨氮的濃度變化

2.4 濕地不同植物配置總氮去除效果的差異

由圖6可以看出,不同植物配置對總氮均有一定的去除效果,但水生美人蕉+錢幣草組合的總氮去除效果優(yōu)于茭草+錢幣草組合,水生美人蕉+錢幣草對總氮的去除率為4.6%～48.8%,年平均為24.6%；茭草+錢幣草對總氮的去除率為2.4%～34.8%,年平均為16.1%,前者的總氮去除率較后者高 8.5個百分點。陳潤等［20］的研究也表明,美人蕉對總氮的脫除效果優(yōu)于茭草。2組不同植物配置對總氮的去除效果僅在夏秋季 （6-11月）呈現(xiàn)顯著性差異,而在春冬季 （12-5月）差異不顯著。這是由于夏秋季 （6-11月）植物生長最為旺盛,2種不同植物配置在生物量、植物形態(tài)及根際微環(huán)境上差異均達到最大；而春冬季 （12-5月）植物基本已收獲,植物形態(tài)學(xué)差異及由植物根系引發(fā)的根際微環(huán)境差異程度最小,因而對總氮的去除效果差異不顯著。

圖6 不同植物配置下總氮的去除效果

2.5 濕地不同植物配置總磷去除效果的差異

由圖7可以看出,水生美人蕉+錢幣草組合對總磷的去除率為9.7%～36.0%,年均為19.1%；茭草+錢幣草組合對總磷的去除率為11.1%～33.3%,年均為22.3%,2種植物配置對總磷的去除效率無顯著差異。濕地對總磷的去除是通過基質(zhì)的吸附沉淀、植物吸收和微生物轉(zhuǎn)化三者的共同作用［21］實現(xiàn)的,其中植物收割只能去除總磷的5%,吸附沉淀在濕地除磷中起主導(dǎo)作用［17］,因而,不同植物配置對總磷脫除效果無顯著影響。

圖7 不同植物配置下總磷的去除效果

3 小結(jié)

皎口生態(tài)濕地正常運行期間,對總氮、總磷均有較好的去除效果,總氮年均去除率為39.3%,出水水質(zhì)總氮指標均提高一個水質(zhì)類別；對總磷年均去除率為28.5%,出水水質(zhì)總磷指標穩(wěn)定達到地表水Ⅱ類。在現(xiàn)行條件下,皎口生態(tài)濕地對來水具有顯著的脫氮除磷效果。

皎口生態(tài)濕地是在皎口水庫上游廢棄魚塘的基礎(chǔ)上改造而成的,上游來水流經(jīng)皎口濕地主體功能模塊 （2-1,3-1）后,總氮含量平均降低30.3%,模塊對總氮的去除以微生物還原脫氮作用為主。因此,在設(shè)計建造人工濕地時,在入水總氮偏高的情況下,建議適當(dāng)增大還原性反硝化工藝模塊的比例,加大濕地縱深,延長濕地水力停留時間,可有效提高總氮脫除效果。

皎口生態(tài)濕地共涉及植物18種,5個子系統(tǒng)的不同模塊分別采用了不同的植物配置。本研究對比了水生美人蕉+錢幣草和茭草+錢幣草2種不同植物配置對氮磷脫除效果的差異,結(jié)果表明,水生美人蕉+錢幣草對總氮的去除率優(yōu)于茭草+錢幣草組合,二者在夏秋季 （6-11月）差異最為顯著。但2種植物配置對總磷的去除效果無顯著差異。針對不同植物配置對總氮去除效果的差異,建議在濕地植物的收獲管理上,依據(jù)植物生長周期及季節(jié)變化合理調(diào)整收獲時間和頻率。由于不同植物除磷效果無明顯差異,建議在植物的配置上適當(dāng)多樣化,這有利于營造優(yōu)美的濕地生態(tài)景觀［22］,促進生物多樣性恢復(fù)與保護,同時也有助于改善濕地局部小氣候與生態(tài)環(huán)境。

［1］ 馬經(jīng)安,李紅清.淺談國內(nèi)外江河湖庫水體富營養(yǎng)化狀況 ［J］.長江流域資源與環(huán)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.植物濕地床對泰達再生水景觀河道中氮磷的凈化研究 ［D］.重慶：西南大學(xué),2007.

［6］ 諸惠昌,胡紀萃.新型廢水處理工藝：人工濕地的設(shè)計方法 ［J］.環(huán)境科學(xué),1993,14（2）：39-43.

［7］ 朱彤,許振成,胡康萍,等.人工濕地污水處理系統(tǒng)應(yīng)用研究 ［J］.環(huán)境科學(xué)研究,1991,4（5）：17-22.

［8］ 宋志文,張錫義,湯華崇,等.人工濕地污水處理技術(shù)及其發(fā)展 ［J］.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報,2004,25（2）：58-61.

［9］ 易志剛,劉春常,張倩媚,等.復(fù)合人工濕地對有機污染物的去除效果初步研究 ［J］.生態(tài)環(huán)境,2006,15（5）：945-948.

［10］ 崔麗娟,李偉,張巖,等.復(fù)合人工濕地對水禽污染廢水的凈化效果 ［J］.生態(tài)科學(xué),2011,30（4）：446-453.

［11］ 張?zhí)?陳韋麗.人工濕地生態(tài)系統(tǒng)提高氮磷去除率的研究進展 ［J］.生態(tài)環(huán)境,2005,14（4）：580-584.

［12］ 王薇,俞燕,王世和.人工濕地污水處理工藝與設(shè)計［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài),2001,14（1）：59-62.

［13］ 張慧敏,章明奎.寧波市農(nóng)業(yè)面源污染源的變化特點及防污對策 ［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報,2007,13（19）：89-91.

［14］ 國家環(huán)境保護總局.水和廢水的監(jiān)測分析方法 ［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

［15］ 劉超翔,董春宏,李峰民,等.潛流式人工濕地污水處理系統(tǒng)硝化能力研究 ［J］.環(huán)境科學(xué),2003,24（1）：80-83.

［16］ 宋志文,畢學(xué)軍,曹軍.人工濕地及其在我國小城市污水處理中的應(yīng)用 ［J］.生態(tài)學(xué)雜志,2003,22（3）：74-78.

［17］ 李曉東,孫鐵珩,李海波,等.人工濕地除磷研究進展［J］.生態(tài)學(xué)報,2007,27（3）：1226-1232.

［18］ 張軍,周琪,何蓉.表面流人工濕地中氮磷的去除機理［J］.生態(tài)環(huán)境,2004,13（1）：98-101.

［19］ 殷士學(xué),沈其榮.缺氧土壤中硝態(tài)氮還原菌的生理生化特征 ［J］.土壤學(xué)報,2003,40（4）：624-630.

［20］ 陳潤,陳中祥,莫李娟.不同基質(zhì)和植物人工濕地凈化效果試驗 ［J］.水資源保護,2010,26（4）：62-66.

［21］ 李麗.潛流人工濕地去除生活污水中氮磷的實驗研究［D］.江西：華東交通大學(xué),2008.

［22］ 樓紅旗,樓凌云.臨安市濕地植物資源及其園林應(yīng)用研究［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2013（2）：162-165.

（責(zé)任編輯：高 峻）

X 52

：A

：0528-9017（2014）04-0584-04

文獻著錄格式：張松達,魏文娟,俞寧,等.皎口生態(tài)濕地脫氮除磷的效果研究 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2014（4）：584-587,591.

2014-02-13

浙江省水利廳重大項目 （RB1310）；寧波市水利局重大項目 （2012C1003）

張松達 （1960-）,男,浙江寧波人,高級工程師,主要從事水資源保護工作。

郝虎林 （1972-）,男,內(nèi)蒙古商都人,副研究員,博士,主要從事水資源保護工作。E-mail：haohulin88@163.com。