硝酸鹽氮對海菜花濕地處理低污染水的影響

周恩慧, 侯澤英, 馮可心, 儲昭升*, 楊永哲

1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710055 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點實驗室， 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室， 北京 100012

硝酸鹽氮對海菜花濕地處理低污染水的影響

周恩慧1,2, 侯澤英2, 馮可心2, 儲昭升2*, 楊永哲1

1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710055 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點實驗室， 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室， 北京 100012

為研究不同進(jìn)水ρ(NO3--N)下海菜花濕地對氮磷的去除效果及海菜花的生長情況和經(jīng)濟效益，在進(jìn)水ρ(NH4+-N)和ρ(TP)分別為(1.07±0.11)和(0.41±0.03)mgL，水力負(fù)荷為0.05 m3(m2·d)的條件下，構(gòu)建了進(jìn)水ρ(NO3--N)依次為(1.52±0.48)(5.62±0.41)和(9.78±0.24)mgL的三組濕地. 結(jié)果表明：①進(jìn)水ρ(NO3--N)為(1.52±0.48)(5.62±0.41)和(9.78±0.24)mgL時，濕地運行穩(wěn)定所需時間分別為15、55和69 d，ρ(NO3--N)越高，濕地運行穩(wěn)定所需的時間越長；運行穩(wěn)定后三組濕地出水ρ(NO3--N)分別為(0.24±0.03)(0.30±0.01)和(0.65±0.14)mgL，NO3--N去除率均達(dá)85%以上. ②濕地運行50 d后出水ρ(TP)均高于進(jìn)水，后續(xù)試驗應(yīng)對基質(zhì)進(jìn)行改良. ③進(jìn)水ρ(NO3--N)為(9.78±0.24)mgL的濕地中海菜花葉片葉綠素及莖的收獲量均明顯低于其余兩組濕地，較高的ρ(NO3--N)對海菜花生長有明顯的抑制作用. ④進(jìn)水ρ(NO3--N)為(5.62±0.41)mgL的濕地經(jīng)濟效益最大，為6.2×104元(hm2·a). 研究顯示，ρ(NO3--N)低于10 mgL時，海菜花濕地能有效去除低污染水中的NO3--N；當(dāng)ρ(NO3--N)為5 mgL左右時，濕地有較好的經(jīng)濟價值.

硝酸鹽氮； 低污染水； 海菜花； 人工濕地

低污染水指水體水質(zhì)受到一定污染，其水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，但相對湖泊仍為污染源的一類水，主要包括污水處理廠處理尾水、城鎮(zhèn)地表徑流及農(nóng)田徑流等. 低污染水的治理是我國湖泊環(huán)境治理的重要組成部分[1]，因其污染物濃度較低，水質(zhì)不穩(wěn)定，水量波動大等特點[2]，傳統(tǒng)污水處理工藝無法對其進(jìn)行處理.

人工濕地由于對污染物去除效果良好、運行穩(wěn)定以及良好的生態(tài)景觀效益等優(yōu)點在低污染水處理中受到廣泛關(guān)注[3- 8]. 植物是人工濕地的重要組成部分，可直接吸收污水中溶解性氮磷，達(dá)到對污水的凈化效果，同時植物根際效應(yīng)可為微生物生長創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，有利于促進(jìn)濕地微生物對污染物的生物降解[9- 11]. 低污染水中營養(yǎng)鹽含量少，易導(dǎo)致植物不能正常生長，因此在處理低污染水過程中對植物的選取更為關(guān)鍵.

海菜花(Otteliaacuminata)屬水鱉科沉水植物，是云貴高原特有的國家Ⅱ級保護(hù)瀕危物種[12]，其對水體營養(yǎng)鹽含量要求低[13]，可有效改善水下光照和溶解氧條件[14]. 此外，海菜花還具有良好的食用、藥用及觀賞價值[15]，若將海菜花用于濕地不僅可以凈化水質(zhì)，還會有很好的景觀和經(jīng)濟價值.

目前關(guān)于海菜花在濕地技術(shù)中的應(yīng)用已有部分研究. CHEN等[16]研究了海菜花作為濕地植物處理4種污水時對氮磷的吸收效果；儲昭升等[17]對海菜花-螺獅濕地處理農(nóng)田低污染水進(jìn)行了小試研究. 低污染水中NO3--N占比較高，目前關(guān)于海菜花濕地中試單元及低污染水中不同ρ(NO3--N)對濕地海菜花的影響還尚未研究. 該試驗建設(shè)中試規(guī)模的海菜花表流濕地單元，考察不同進(jìn)水ρ(NO3--N)下海菜花濕地對氮磷的去除效果，同時觀測NO3--N對海菜花生長的影響，為海菜花濕地處理低污染水實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在云南省大理市才村進(jìn)行，歷時69 d. 共設(shè)3組三級海菜花表流濕地，每組濕地各級長、寬及高分別為2.0、1.5和1.35 m，有效水深為90 cm(見圖1)，濕地有效容積為8.1 m3. 濕地基質(zhì)采用大理當(dāng)?shù)剞r(nóng)田沖擊性稻田土，鋪設(shè)在濕地底部，厚度為25 cm. 選擇長勢個體大小相近、葉片完整，株高在55～60 cm 之間的海菜花進(jìn)行種植，種植密度為10株m2.

注：圖中數(shù)值單位為mm.圖1 海菜花濕地單元示意Fig.1 Schematic diagram of the Ottelia wetlands

試驗用水以自來水配置，采用(NH4)2SO4、NaH2PO3和NaNO3調(diào)節(jié)營養(yǎng)鹽含量. 3組濕地進(jìn)水ρ(NH4+-N) 為(1.07±0.11)mgL，ρ(TP)為(0.41±0.03)mgL，ρ(NO3--N)依次為(1.52±0.48)(5.62±0.41)和(9.78±0.24)mgL. 濕地以進(jìn)水ρ(NO3--N)從低到高依次編號為1#、2#和3#，1#濕地第一至第三級分別編號為1- 1、1- 2和1- 3，2#和3#濕地第一至第三級編號分別為2- 1、2- 2、2- 3和3- 1、3- 2、3- 3. 試驗設(shè)計水力負(fù)荷為0.05 m3(m2·d)， HRT(水力停留時間)為20 d，處理規(guī)模為0.41 m3d.

三組濕地注滿自來水對海菜花預(yù)培養(yǎng)3周，隨后用潛水泵分別泵入相應(yīng)設(shè)計濃度的配水至1#～3#海菜花濕地，待濕地被進(jìn)水穿透后改用蠕動泵連續(xù)進(jìn)水，試驗開始正式運行. 正式運行后，每隔5～7 d采樣一次，分別測定ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ(TN)及ρ(TP)；植物樣兩周采集一次，每級濕地隨機采6片海菜花葉，測量株高、葉片長寬及濕質(zhì)量、葉片葉綠素和葉表面葉綠素，同時收割花莖用于估算濕地經(jīng)濟效益.

1.2 檢測及分析方法

ρ(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測定，ρ(TP) 均采用鉬銻抗分光光度法測定，植物葉片采集后準(zhǔn)確切取10 cm2后用500 mL蒸餾水沖洗葉表面，按文獻(xiàn)[18]的方法測定表面葉綠素. 葉片葉綠素用體積比為2∶1的丙酮與乙醇提取液提取測定[19].

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Origin 7.5進(jìn)行分析與作圖，數(shù)據(jù)差異性采用單因素方差分析法.

2 結(jié)果分析

2.1ρ(NO3--N)對海菜花濕地NO3--N去除效果的影響

由圖2可見，1#和2#濕地分別運行15和55 d后出水達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定階段出水ρ(NO3--N)分別為(0.24±0.03)和(0.30±0.01)mgL，NO3--N去除率分別為87.26%±1.91%和94.98%±0.43%. 3#濕地出水ρ(NO3--N)在運行期間持續(xù)降低，第69天時出水ρ(NO3--N)為0.55 mgL，NO3--N去除率為94.48%，并且從趨勢上分析濕地基本達(dá)穩(wěn)定運行狀態(tài)，以上結(jié)果表明濕地運行穩(wěn)定時間隨著ρ(NO3--N)升高明顯延長.

圖2 海菜花濕地進(jìn)出水ρ(NO3--N)及NO3--N去除率Fig.2 The influent and effluent ρ(NO3--N) and removal efficiency of the Ottelia Wetlands

穩(wěn)定運行后三組濕地第一級NO3--N去除率分別為85.76%、78.78%和82.84%，表明海菜花濕地在該條件下NO3--N的去除主要發(fā)生在第一級，隨ρ(NO3--N) 的增加，第一級出水和最終出水的ρ(NO3--N) 差異增大，表明濕地第二級和第三級的去除效果逐漸增強.

2.2 海菜花濕地對NH4+-N和TP的去除效果

3組濕地在運行10 d后出水ρ(NH4+-N)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定階段出水ρ(NH4+-N)分別為(0.30±0.09)(0.36±0.11)和(0.46±0.18)mgL，NH4+-N去除率分別為72.08%±9.29%、65.98%±14.57%和54.3%±16.93%. 經(jīng)檢驗，1#和2#濕地出水ρ(NH4+-N) 無顯著差異(P>0.05)，3#濕地出水ρ(NH4+-N) 顯著高于1#濕地(P<0.05)，但與2#出水沒有顯著差異(P>0.05).

試驗期間，各濕地出水ρ(TP)均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，1#和2#濕地在運行15 d后達(dá)到最低值，最低濃度分別為0.26和0.22 mgL；3#濕地ρ(TP)在運行22 d后降至最低(0.12 mgL). 1#和2#濕地在運行50 d后出水ρ(TP)高于進(jìn)水，3#濕地在運行62 d后ρ(TP)出水(0.58 mgL)高于進(jìn)水(0.41 mgL).

圖3 1#～3#海菜花濕地進(jìn)出水ρ(NH4+-N)和ρ(TP)Fig.3 ρ(NH4+-N) and ρ(TP) in influent and effluent of the Ottelia Wetlands

2.3 海菜花生長情況及經(jīng)濟效益

2.3.1 葉長、葉寬、葉片濕質(zhì)量及莖收獲量

隨試驗的進(jìn)行，1#～3#濕地各級的海菜花均有一定的生長(見圖4). 其中，1#和2#濕地中海菜花株高、葉長、葉寬及葉片濕質(zhì)量均沒有顯著性差異(P>0.05)，而1#和3#濕地中海菜花在株高、葉長、葉寬及葉片濕質(zhì)量有顯著性差異(P<0.05).

對海菜花莖長及莖的個數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，3個濕地中海菜花莖長沒有明顯區(qū)別，這是由于海菜花莖生長與水深有明顯的關(guān)系[20]，而各濕地中有效水深相同. 試驗期間莖收獲量從多到少依次為2#>1#>3#，并且后4次采樣中3#濕地海菜花莖沒有生長，表明進(jìn)水ρ(NO3--N)為(5.62±0.41)mgL時，對海菜花莖的生長有一定促進(jìn)作用；而進(jìn)水ρ(NO3--N)為(9.78±0.24)mgL時會對海菜花莖的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用.

生長時間d：1—1；2—10；3—20；4—34；5—48；6—62.注：運行至62 d時3- 3未采植物樣，下同.圖4 不同濕地海菜花株高、葉長、葉寬及葉片濕質(zhì)量的變化Fig.4 Variation of Ottelia height and leaf length, width and wet weight in different Ottelia wetlands

2.3.2 葉片葉綠素及葉片附生藻量

生長時間d：1—1；2—10；3—20；4—34；5—48；6—62.圖5 濕地海菜花w(葉片葉綠素)變化Fig.5 Variation of Ottelia leaf chlorophyll in different wetlands

1#～3#濕地海菜花w(葉片葉綠素)分別為(8.1×102±1.4×102)(7.1×102±1.6×102)和(4.4×102±1.7×102)μgg. 從圖5可見，在整個試驗期間1#～3#濕地海菜花w(葉片葉綠素)呈波動狀態(tài)，3#濕地海菜花w(葉片葉綠素)明顯低于1#和2#濕地. 單因素方差分析表明，在運行期間，1#和2#濕地海菜花w(葉片葉綠素)顯著高于3#濕地(P<0.05)；1#濕地除第一級海菜花w(葉片葉綠素)顯著高于2#濕地第一級外(P<0.05)，其余兩級沒有明顯差異(P>0.05)，導(dǎo)致這一結(jié)果是由于2#濕地進(jìn)水ρ(NO3--N) 較高，經(jīng)第一級處理后ρ(NO3--N)明顯下降，后兩級與1#濕地差別不大. 上述結(jié)果表明ρ(NO3--N) 的升高對海菜花葉片的生長有一定的影響作用.

葉片附著藻量以w(葉表面葉綠素)為判斷依據(jù)，1#～3#濕地海菜花w(葉表面葉綠素)分別為(0.09±0.06)(0.06±0.03)和(0.86±0.85)μgcm2，1#和2#濕地各級海菜花w(葉表面葉綠素)明顯低于3#(見圖6)，表明ρ(NO3--N)為(9.78±0.24)mgL時會明顯促進(jìn)藻類的生長.

生長時間d：1—1；2—10；3—20；4—34；5—48；6—62.圖6 濕地海菜花w(葉表面葉綠素)變化Fig.6 Variation of Ottelia leaf surface chlorophyll in different wetlands

2.3.3 經(jīng)濟效益分析

海菜花常年開花，其主要經(jīng)濟價值是莖的收獲，由于冬季溫度低影響海菜花收獲量，因此在估算海菜花經(jīng)濟價值時以8個月計算[17]. 試驗期間不同ρ(NO3--N) 對海菜花生長及莖的收獲量有明顯影響. 經(jīng)計算，1#濕地海菜花莖收獲總量為7.8×103kg(hm2·a)，低于2#濕地收獲的10.3×103kg(hm2·a)，遠(yuǎn)高于3#濕地收獲的1.0×103kg(hm2·a). 根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌龊２嘶▋r格6元kg估算，1#～3#濕地收益分別為(4.7×104)(6.2×104)和(0.6×104)元(hm2·a).

3 討論

海菜花在20世紀(jì)80年代后期就已從洱海中消失[21]，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因可能是洱海中植物種類多，競爭激烈，洱海水質(zhì)變化時苦草及眼子菜等水生植物表現(xiàn)出更強的競爭性和適應(yīng)性. 海菜花競爭較弱使其對污水的凈化能力未體現(xiàn)出來，因而多數(shù)人認(rèn)為海菜花對污水較敏感. 試驗中海菜花在人工干預(yù)條件下成為絕對優(yōu)勢種時，對低污染水體現(xiàn)出良好的凈化能力. 從試驗結(jié)果來看，進(jìn)水ρ(NO3--N)為(1.52±0.48)和(5.62±0.41)mgL，水力負(fù)荷為0.05 m3(m2·d)時，濕地穩(wěn)定運行后對NO3--N的去除率均達(dá)85%以上，并且海菜花生長穩(wěn)定，對NO3--N有良好的耐受性. 洱海流域范圍內(nèi)低污染水ρ(NO3--N) 基本均在5 mgL以下[16- 17]，故從去除NO3--N角度來說海菜花用于濕地處理低污染水是可行的.

海菜花濕地進(jìn)水ρ(NO3--N)為(9.78±0.24)mgL時，運行前20 d海菜花生長與另外兩組濕地差異不大，20 d后濕地海菜花w(葉片葉綠素)明顯低于進(jìn)水ρ(NO3--N)為(1.52±0.48)和(5.62±0.41)mgL的濕地，表明海菜花短時間內(nèi)仍對較高濃度NO3--N〔(9.78±0.24)mgL〕有一定耐受性，但長時間會導(dǎo)致濕地穩(wěn)定性變差. 研究[22]表明，這主要是由于較高的ρ(NO3--N)引起海菜花體內(nèi)POD(過氧化物酶)活性降低不能保證足量清除H2O2，導(dǎo)致海菜花機體受傷，影響海菜花生長. 此外，沉水植物在生長過程釋放的化學(xué)物質(zhì)會對藻類的生長產(chǎn)生一定的抑制作用[23]，李杰等[24]將海菜花種植水配置成培養(yǎng)液對藻類進(jìn)行培養(yǎng)，表明海菜花在生長過程有抑藻作用. 因而ρ(NO3--N)升高對海菜花生長產(chǎn)生影響時，會導(dǎo)致濕地對藻類生長抑制能力的下降，而藻類以NO3--N為氮源時可正常生長，并且氮磷比(質(zhì)量比)為20～30時藻類生長良好[25- 26]. 試驗中進(jìn)水ρ(NO3--N) 為(9.78±0.24)mgL時，氮磷比約為27.5，海菜花葉片附著藻類遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩組濕地(見圖6)，葉表面大量附著藻類與沉水植物產(chǎn)生光照和CO2的競爭[27]，進(jìn)一步對海菜花生長產(chǎn)生抑制，這也是導(dǎo)致濕地海菜花花莖產(chǎn)量明顯減少的原因.

濕地對磷的去除效果較差，各組濕地出水中ρ(TP) 均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(見圖3)，究其原因主要有以下幾方面：濕地采用沖擊性稻田土為基質(zhì)，雖然可為海菜花生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，但稻田土含磷量相對較高，吸附性能較差，濕地中磷去除的主要途徑是基質(zhì)的吸附作用[28]；較高的pH及生物擾動都會導(dǎo)致磷的釋放[29- 30]，運行過程中濕地pH隨水流方向逐漸升高，最終出水可達(dá)10.0以上. 出水pH較高可能是由于濕地土壤有機質(zhì)釋放，微生物異養(yǎng)反硝化作用導(dǎo)致[31]，為避免濕地出水對洱海水質(zhì)的影響，建議在出水前考慮對pH進(jìn)行調(diào)節(jié). 同時運行初期，濕地不穩(wěn)定，各類微生物及浮游動植物生長較快，對磷的吸收大于土壤釋放，在逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)過程中，浮游動物及微生物活動增強導(dǎo)致底泥中的磷釋放加速，使出水ρ(TP)升高. 因此在后續(xù)試驗中有必要對濕地基質(zhì)進(jìn)行改善，增強濕地磷的去除效果. 此外，進(jìn)水ρ(NO3--N)為(9.78±0.24)mgL的濕地磷的升高相對滯后，與濕地內(nèi)藻類大量生長有密切關(guān)系[32].

4 結(jié)論

a) 進(jìn)水ρ(NO3--N)為(1.52±0.48)(5.62±0.41)和(9.78±0.24)mgL時，海菜花濕地對NO3--N均有良好的去除效果，穩(wěn)定階段去除率分別為87.26%、94.98%和94.48%，海菜花濕地能有效去除低污染水中的NO3--N,并且ρ(NO3--N)為5 mgL海菜花經(jīng)濟效益最大，為6.2×104元(hm2·a).

b) 海菜花對NO3--N有一定的耐受性，但ρ(NO3--N) 較高時對海菜花生長具有抑制作用，ρ(NO3--N) 為(1.52±0.48)和(5.62±0.41)mgL時海菜花可正常生長，ρ(NO3--N)為(9.78±0.24)mgL時對海菜花產(chǎn)生明顯抑制.

c) 1#～3#濕地運行穩(wěn)定后對NH4+-N去除率均在54%以上，對TP基本無去除，海菜花濕地以稻田土為基質(zhì)時對磷的去除效果較差，應(yīng)對基質(zhì)進(jìn)行改良.

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Effects of Nitrate Concentration on the Running Characteristics ofOtteliaacuminateWetlands Treating Low-Level Contaminated Water

ZHOU Enhui1,2, HOU Zeying2, FENG Kexin2, CHU Zhaosheng2*, YANG Yongzhe1

1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China 2.State Environment Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

To study the influence of nitrate on the nitrogen and phosphorus removal andOtteliaacuminategrowth and its benefits, threeO.acuminatewetlands were built for different influent nitrate concentrations (ρ(NO3--N)) of (1.52±0.48) (5.62±0.41) and (9.78±0.24) mgL. All wetland influent ammonia concentration (ρ(NH4+-N)), total phosphorus concentration (ρ(TP)) and hydraulic load were (1.07±0.11) mgL, (0.41±0.03) mgL and 0.05 m3(m2·d). The results showed: (1) when the influentρ(NO3--N) was (1.52±0.48) (5.62±0.41) and (9.78±0.24) mgL, the times needed for the wetlands to reach stable state were 15, 55 and 69 days respectively, and the higher the influentρ(NO3--N), the longer the time needed. The corresponding effluentρ(NO3--N) was (0.24±0.03) (0.30±0.01) and (0.65±0.14) mgL, and the nitrate removal rates were all above 85% at stable state. (2) After 50 days′ operation, the effluentρ(TP) was higher than influentρ(TP) for all experimental wetlands, and the wetland substrate should be improved in future study. (3) TheOttelialeaf chlorophyll andOtteliastem harvested at (9.78±0.24) mgL influentρ(NO3--N) were significantly lower than those at (1.52±0.48) and (5.62±0.41) mgL influentρ(NO3--N), which indicated that high nitrate concentration had obvious inhibitory effect onOtteliagrowth. 4) The highest economic benefit (6.2×104RMB(hm2·a)) was obtained at (5.62±0.41) mgL influentρ(NO3--N) condition. NO3--N could be removed effectively from the low-level contaminated water when the influentρ(NO3--N) was lower than 10.00 mgL, and better economic benefit could be obtained when the influentρ(NO3--N) was about 5.00 mgL.

nitrate concentration; low-level contaminated water;Otteliaacuminate; constructed wetland

2017-03-03

2017-04-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07105- 002)

周恩慧(1990-)，男，山西大同人，zhou_enhui@163.com.

*責(zé)任作者，儲昭升(1973-)，男，安徽安慶人，研究員，博士，主要從事湖泊富營養(yǎng)化研究，chuzs@craes.org.cn

X52

1001- 6929(2017)08- 1271- 07

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.49

周恩慧,侯澤英,馮可心,等.硝酸鹽氮對海菜花濕地處理低污染水的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(8):1271- 1277.

ZHOU Enhui,HOU Zeying,FENG Kexin,etal.Effects of nitrate concentration on the running characteristics ofOtteliaacuminatewetlands treating low-level contaminated water[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(8):1271- 1277.