美國生態(tài)浮島除氮能力測試分析

[美國]　R.V.伯尼 等

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美國生態(tài)浮島除氮能力測試分析

[美國]R.V.伯尼 等

濕地浮島可減少水庫蓄水期間中水的總氮濃度。為探索其去除總氮的效率,對佛羅里達州帕斯科縣的濕地浮島進行了測試。在一個接收帕斯科縣控制再利用系統(tǒng)中水的池塘內(nèi)，按線性布置，設(shè)置并監(jiān)控20個濕地浮島,按分布式進行網(wǎng)格連接， 評估3個連續(xù)階段，即培植期(濕地浮島實施前6個月)、運行期(濕地浮島實施后8個月)和控制期(從池塘中去除濕地浮島的后3個月)的處理性能。濕地浮島的主要作用是減少池塘有機氮的輸出。通過評估濕地浮島運行期和控制期氮去除量的差異說明，布設(shè)濕地浮島后，每年總氮去除率得以提高。

濕地浮島；中水分布系統(tǒng)；最大日負荷；總氮；佛羅里達州；美國

1　概　述

帕斯科縣控制再利用系統(tǒng)(PCMRS)屬于地區(qū)中水(也稱再生水)分布系統(tǒng)，是美國佛羅里達州帕斯科縣僅有的廢污水管理設(shè)施。結(jié)合區(qū)域內(nèi)農(nóng)田灌溉和流域系統(tǒng)快速滲透，將帕斯科縣所有廢污水處理廠(WWTF)尾水回用，從而實施這一全面再利用策略。此外，PCMRS包括容量23.5萬m3的蓄水池(里塔(Rita)湖)、蘭奧萊克斯(O’Lakes)WWTF37.9萬m3的已建水庫和189.3萬m3的在建水庫。

坦帕(Tampa)灣氮管理協(xié)會確定坦帕灣地區(qū)的氮最大日負荷。希爾斯伯勒灣(Hillsborough)屬于坦帕灣流域，運行PCMRS。2012年坦帕灣合理保證建議書(2012年坦帕灣河口項目)提到，PCMRS每年排放到希爾斯伯勒灣流域的總氮(TN)負荷限值為5.3 t。自從氮負荷限值確定以后，正常運行期間，帕斯科縣按指定氮限值排放。PCMRS排放的氮主要是硝酸鹽。

帕斯科縣排放的中水中，大約30%被希爾斯伯勒灣流域利用。該流域也代表了未來中水利用客戶增長的大部分區(qū)域。該縣正在建設(shè)大型中水儲存水庫，在庫內(nèi)設(shè)置降氮的濕地浮島(FWI)，以使氮排放限制地區(qū)更多地利用中水。

FWI可改善天然水體或用于存儲和輸送的人工水體的水質(zhì)。FWI利用浮游濕地物種種植在固定的浮墊上。2014年有學(xué)者對文獻進行評估后指出，控制期FWI除磷率達2%～55%，除氮率達12%～42%。匈牙利曾開展過FWI探索性試驗，在試驗水體中投放濃度為 5 mg/L的氧化氮，結(jié)果顯示水體中TN降低了85%。2010年有學(xué)者指出，浮墊顯著提高了合流污水中TN的去除率，控制期TN平均減少33%。2013年有學(xué)者指出，暴雨TN濃度下降歸因于濕地浮島處理；之所以硝酸鹽含量較高的暴雨反硝化作用增強，是因為在FWI控制下，水體內(nèi)溶解氧濃度低及濕地浮島內(nèi)植被根部可用的有機碳增加。

為了探究FWI去除TN的效率，在接收PCMRS中水的池內(nèi)安裝FWI并進行了監(jiān)控，歷時18個月。設(shè)計的中水應(yīng)用速率，應(yīng)滿足水力停留時間(HRT)相對較短，與水庫水體實際停留時間一致的要求。

2　方法與材料

在韋斯利污水處理中心，建有面積1.6 hm2的塑料襯底水池，池內(nèi)搭建20個FWI。PCMRS中水通過臨時管道輸送到池內(nèi)。池塘溢流引到WWTF附近廢棄的池塘，然后再用泵抽回到WWTF渠首。

2.1浮島設(shè)置

FWI購于美國洛杉磯巴吞魯日的馬丁生態(tài)系統(tǒng)公司。每個浮墊規(guī)格為2.4 m×3.0 m。FWI表面積總計149 m2。各FWI用包由PVC管的不銹鋼電纜相連接，按網(wǎng)格分布，覆蓋水域總面積1 122 m2，占池塘總面積的7%。在初始安裝后，池底安放重錨，將FWI固定于水下。池塘底部傾斜，西區(qū)頂頭附近深約1 m，到東區(qū)頂頭附近深2 m。FWI設(shè)置于排水口附近，深大約1.5 m。

2.2濕地植被物種選擇

由18個本地物種組成的濕地植物作為盆栽植物，其裸根繁殖體來自當?shù)孛缙缘辍?個浮島混合種植本地種子，與另18個浮島種植的植被進行比較。

2.3池塘運行

池塘總蓄水量約1.9萬m3。在池塘西側(cè)靠近西南角，鋪設(shè)管徑10 cm的池塘進水臨時管道，并安裝了流量計。WWTF管理人員每天記錄流量數(shù)據(jù)。池塘出水管道高程固定，提供連續(xù)水位控制，池塘水位無需監(jiān)測。利用進水流量與水位蓄水量對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)池塘每日水量平衡。

2.4采樣

每2周收集1次池塘進出口水樣，分析項目3個不同實施階段的氨氮、氧化氮(硝酸鹽+亞硝酸鹽)、有機氮(ON)和TN濃度：培植期(2012年7～12月)、運行期(2013年1～8月)和浮島移除后的控制期(2013年9～11月)。依據(jù)SM-4500標準方法，帕斯科縣環(huán)境試驗室對水樣進行分析，該試驗室按照國家環(huán)境試驗室評審會議要求，經(jīng)過佛羅里達州衛(wèi)生部認證試驗室認證。

2.5生物組織樣品收集

對種植植被進行生物組織分析，以量化研究階段植被吸收的營養(yǎng)鹽數(shù)量。按季度進行組織樣品采集，分析其干重和TN百分比。在FWI運行期，每個FWI上平均布置6個組織采樣點。在每次采樣期間，全部的浮島至少收集1次樣本。隨機選擇組織樣本植被。

在2012年9月、2012年11月、2013年4月和2013年8月分別進行了樣品收集。測量植物樣品根長、地上部分長度和浮墊厚度。將打包后的植物樣品放入冷卻器中，再運到位于佛羅里達州蓋恩斯維的佛羅里達大學(xué)濕地生物地理化學(xué)實驗室，按照APHA 2000標準方法進行分析。

植被規(guī)劃種植前設(shè)置好6個組織采樣點。包括使用小部分75 cm聚乙烯醇井管濾網(wǎng)，該網(wǎng)安裝在浮墊上，且較易拆除。采樣點同浮墊上其他區(qū)域一樣，用同樣的方法隨機種植植被。每個浮墊每季從規(guī)劃的采樣點收集1個樣品。清洗每個樣本的根系土壤，然后打包，并送到佛羅里達大學(xué)濕地生物地球化學(xué)實驗室分析TN。TN的檢測下限和實際定量限值分別是0.23 mg/kg和0.27 mg/kg。

在研究末期，采集10個鈣化藻類沉積物，每個表面積0.37 m2。2組樣本采自西邊坡臺內(nèi)，按9 m間距分布采樣。在這些樣品中，第1個樣距先前采樣組的第1個樣以北23～30 m；第2個樣來自第1個樣的北邊或南邊，距離不同。分析樣品的濕重和TN。

2.6氯化鋰示蹤研究

在浮島建立11個月后，進行示蹤研究，即在池塘進水管一次性投入氯化鋰金屬小塊。在池塘出口監(jiān)測鋰離子，以監(jiān)控示蹤劑的歷時和濃度。

2.7浮島去除率和再定位

2013年8月27～28日，從WWTF韋斯利中心池塘內(nèi)移除FWI。此時FWI長滿了植被，浮墊充滿了水。將FWI移除并永久地安裝在里塔湖中水儲存設(shè)施內(nèi)。

3　結(jié)　果

3.1池塘水力特性

根據(jù)日均進水流速和以水深估算的池塘水量，確定池塘標稱水力停留時間(nHRT)平均為25 d。nHRT最短為5.6 d(在一次極端降雨事件后)。nHRT最長為158 d，該事件是因操作失誤導(dǎo)致池塘進水停止，發(fā)生在該研究控制期以后。

分析示蹤劑響應(yīng)曲線，以反應(yīng)池塘的水力特性。分析內(nèi)容包括串連貯水池個數(shù)N、較小的維方差、濕地離差、沛克萊數(shù)(Pe)、容積率。應(yīng)用水力停留時間分布分析了一階伽馬分布，以判斷某學(xué)者于2009年所描述的N和平均停留時間。

池塘N定為1.04，略大于1，為連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器(CSTR)價值。濕地離差數(shù)為8.0。池塘離差值對這一范圍內(nèi)的N值高度敏感，通常較高，這表明當水流進入加襯池塘?xí)r，橫向變化快速，反向彌散，而濕地通常變化范圍為0.07～0.33，要小很多，且符合層流特性。

池塘實測HRT平均值為15.7 d。用HRT實測值除以HRT設(shè)計值計算容積率，結(jié)果為0.63，這意味HRT實測值低于設(shè)計值，水流提前流出池塘。示蹤劑響應(yīng)曲線顯示，在運用示蹤劑4 h后，其沿著一條長的下降段流出池塘，這意味著池塘內(nèi)水流路徑縮短和存在死水區(qū)。池塘倒圓角的西北和東北存在藻類和漂浮的碎片，表示這些水域為死水區(qū)。Pe值零代表一個CSTR，∞代表一個活塞流反應(yīng)器。1996年有學(xué)者報道的表面流濕地Pe變化范圍為5～20。而該測試Pe值為0.13，這表明池塘出現(xiàn)嚴重的水流短路。

90 d控制期大約相當于6次HRT。2009年有學(xué)者指出，3次停留時間足以描述示蹤劑的沖量，控制期間收集的數(shù)據(jù)代表了池塘條件沒有受到浮島后續(xù)的影響。

3.2植被生長響應(yīng)

2012年9月，植被種植后5個月，植被地上部分長平均94 cm(范圍為30～ 157 cm)，根長平均為28 cm(范圍為10～46 cm)。2013年8月，在浮島被移除前重新觀測了植被地上部分和根部長度。植被地上部分長平均為132 cm(范圍為9～238 cm)，根長平均為38 cm(范圍為6～305 cm)。

3.3氮監(jiān)測結(jié)果

TN進水平均濃度為6.1 mg / L，變化范圍為3.4～9.6 mg / L。TN濃度平均減少值(標準誤差±1)和范圍，培植期為54%±5%(范圍為43%～69%)，運行期為67%±7%(范圍為31%～83%)，控制期為25%±12%(范圍為6%～35%)。

池塘進水中氧化氮(亞硝酸鹽+硝酸鹽)濃度平均為5.3 mg / L，變化范圍為2.8～2.8 mg / L?？傮w上，氧化氮出水濃度小于1.5 mg/L，所有監(jiān)測期內(nèi)大多數(shù)監(jiān)測值低于檢出限。

氨氮濃度低于其分析方法的檢出限，或介于檢出限和實際定量限值之間。根據(jù)這一結(jié)果，認為形態(tài)氮轉(zhuǎn)換為氨氮的量可以忽略。

該研究進水中，氧化氮占形態(tài)氮大約87%，而出水中有機氮占主導(dǎo)地位。進水氧化氮平均濃度0.6 mg/L，變化范圍為未檢出到1.8 mg/L。出水有機氮濃度相當高，平均值為2.2 mg/L，變化范圍為0.4～4.0 mg/L。進水和出水有機氮濃度差異說明無機氮轉(zhuǎn)化成了有機氮。出水中有機氮平均濃度(標準誤差±1)培植期、運行期和控制期分別為3.0±0.2 ，1.5±0.3 mg/L和2.9±0.4 mg/L。

池塘處理性能差異與季節(jié)或系統(tǒng)水力特性無關(guān)。這段時間內(nèi)，月均氣溫顯示為相似的范圍，運行期氣溫19.2℃～29.2℃、控制期氣溫21.8℃～30.7℃，2個階段平均氣溫在統(tǒng)計意義上并沒有明顯的差異(p=0.28)。運行期池塘出水有機氮濃度下降，浮島移除后有機氮濃度隨后增加，這表明有浮島時藻類生長緩慢。

3.4生物組織監(jiān)測結(jié)果

用每次收集到的植物樣本均值計算每個浮島的植被總量，將均值乘以每個FWI塞子的數(shù)量可計算每個帶區(qū)總量。用TN樣本平均濃度估算植物吸收的TN量。據(jù)此估算，植物組織吸收TN約2.2 kg，占到TN去除量的0.2%。

3.5藻類生產(chǎn)力和沉積

在整個研究中，池塘內(nèi)藻類生長旺盛，發(fā)生鈣化沉積。2011年有學(xué)者指出，在光和作用下，水體pH值上升，易發(fā)生藍藻碳酸鈣沉積。藻類沉積受到池塘水深的限制。該研究中，鈣化沉積的最高線就是最高水位的可靠指標。

研究結(jié)束時，在池底采集了鈣化沉積物樣本，并對沉積物進行估算，其中TN累積量達96 kg。

3.6氮質(zhì)量守恒和轉(zhuǎn)化

對池塘氮組分循環(huán)、各種形態(tài)氮性能以及FWI去除中水儲存設(shè)施內(nèi)TN的潛力進行了評估。圖1顯示了安裝FWI的池塘內(nèi)氮組分循環(huán)的主要部分。水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)氮轉(zhuǎn)換的主要過程包括氨化、硝化、反硝化作用、植物吸收、藻類吸收和沉積。根據(jù)水量平衡和水質(zhì)監(jiān)測，對池塘進水、出水、植物和藍藻生物量中貯存的氮進行定量，并估算反硝化作用速率，對運行期和控制期進行氮質(zhì)量平衡估算。

運行期氮去除61%，其中56%是通過反硝化作用去除的(圖1(a))。根據(jù)生物量樣本，系統(tǒng)存儲、藍藻菌鈣化和植物組織吸收估計每年大約分別去除氮為4.3，42 g/m2和0.1 g/m2。培植期系統(tǒng)存儲只占TN損失量的5%。該階段植物吸收和貯存的氮量僅占TN去除量的0.2%，該量可計算，但可忽略不計。

控制期每年氮去除量為13.9 g/m2，減少了30%，其中23%通過氣化和反硝化作用去除(圖1(b))。根據(jù)池底藍藻細菌鈣化樣本，系統(tǒng)儲存氮(累積作用)每年大約4.2 g/m2?？刂破诟u被移除，植物吸收作用相應(yīng)也被從質(zhì)量平衡中去除。培植期系統(tǒng)存儲量占到TN去除量的7%。

圖1 氮質(zhì)量平衡示意

池塘出水中有機氮占96%，表明藻類吸收氮后，將剩余硝酸鹽轉(zhuǎn)化為藻生物量中有機氮，后流出池塘。氮質(zhì)量平衡表明，F(xiàn)WI移除后，系統(tǒng)反硝化能力和氧化氮轉(zhuǎn)換為有機氮能力下降，大多數(shù)氮素隨藻固體流出池塘。

對控制期和運行期脫氮率進行對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WI每年去氮總量為630 kg，相當于FWI浮墊去氮率4.2 kg/m2。該值大于之前研究的表面流濕地TN去除率范圍的90%。當計算FWI覆蓋水面和中間開放水面(1 122 m2)的去氮率時，前者每年去氮率為562 g/m2，相當于處理濕地的80%。運行期有機氮去除率更高(藻固體形式)，這可能與懸浮物附著在植物根表區(qū)域有關(guān)。有學(xué)者曾指出，反硝化作用加強也可能歸因于FWI，浮動處理濕地提供了更多的氧氣消耗，尤其在有植物存在的情況下。

4　結(jié)　語

研究結(jié)果表明，F(xiàn)WI運行期，中水池TN去除率61%；在移除FWI后的控制期，TN去除率為30%。基于運行期和控制期TN去除率不同，F(xiàn)WI導(dǎo)致TN去除率上升32%以上。據(jù)估算，F(xiàn)WI墊子TN去除率相對較高，達4.2 kg/m2，即FWI覆蓋水域每年達562 g/m2。示蹤劑測試結(jié)果表明，如果延長中水池水力停留時間，則TN去除率可能會提高。

綜上所述，F(xiàn)WI可提高中水池TN去除率。FWI可限制藻類活性，增強反硝化作用，提高TN去除率。建議開展池塘應(yīng)用FWI的類似研究，制定浮島常規(guī)尺寸標準和去除率指標。必須對水深、大小及水力負荷不同的池塘進行專門評估，進一步弄清FWI去除TN的能力。

邱訓(xùn)平譯

(編輯：朱曉紅)

2016-02-19

環(huán)境與生態(tài)

1006-0081(2016)08-0031-04

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