生態(tài)塘生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)低溫條件的運(yùn)行效果研究*

崔 霞 孔令為 林紅軍 梅榮武 申利國(guó) 邵衛(wèi)偉 成水平 王 震 代嫣然 李思亮 譚映宇 黃冠中 王杭林

(1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004；2.浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

崔 霞1,2孔令為2#林紅軍1梅榮武2申利國(guó)1邵衛(wèi)偉2成水平3王 震2代嫣然3李思亮2譚映宇2黃冠中2王杭林2

(1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004；2.浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

構(gòu)建生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)的中試工程并在低溫條件下連續(xù)運(yùn)行，考察耦合系統(tǒng)對(duì)微污染水體的凈化效果。結(jié)果表明，生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)在低溫運(yùn)行階段對(duì)COD、TN、氨氮及TP的平均去除率分別為54.50%、37.43%、53.00%、44.20%。pH對(duì)COD和TP的去除率影響不明顯，與氨氮呈正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.705 92；耦合系統(tǒng)中DO供給充足，因此DO對(duì)COD、TN、TP去除率的影響并不明顯，DO僅與氨氮去除率呈顯著正相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.771 64。

生態(tài)塘 生態(tài)溝渠 耦合工藝 低溫 運(yùn)行效果

Abstract: In this paper， the pilot scale novel ecological pond/ecological ditch coupling project were constructed and operated under the lower temperature conditions. The performance of the established coupling project on light-polluted water purification was monitored and evaluated. The results showed that the ecological pond/ecological ditch coupling system presented perfect purification performance at lower temperature,the average COD,TN,ammonia nitrogen and TP removal rate of coupling system was 54.50%,37.43%,53.00% and 44.20% respectively. The pH parameter had no significant impact on the removal rate of COD and TP,while had positive correlation with ammonia nitrogen removal rate,the liner correlation coefficient was 0.705 92;the DO supply of coupling system was adequate,so DO had less impact on COD,TP and TN removal rate,it was only positive correlated with ammonia nitrogen removal rate,and the correlation coefficient was 0.771 64.

Keywords: ecological pond; ecological ditch; coupling process; low temperature; operating performance

隨著點(diǎn)源污染物質(zhì)的有效控制，面源污染形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，已經(jīng)成為受納水體富營(yíng)養(yǎng)化和水環(huán)境質(zhì)量退化的重要原因之一。據(jù)調(diào)查，全世界不同程度退化的12億hm2耕地中，約有12%是由農(nóng)業(yè)面源污染引起[1]。農(nóng)業(yè)面源污染主要是指由農(nóng)用化肥農(nóng)藥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田固體廢棄物等引起的有機(jī)質(zhì)或氮、磷等污染物，通過(guò)地表徑流或地下滲漏等形式污染水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，破環(huán)水生生態(tài)環(huán)境。

常見的農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)，如緩沖帶技術(shù)、化肥管理技術(shù)[2]、氧化塘技術(shù)[3]、人工濕地技術(shù)等普遍存在控制效率不穩(wěn)定、運(yùn)行成本偏高等現(xiàn)象[4]。生態(tài)溝渠凈化技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種占地面積小，運(yùn)行和建設(shè)費(fèi)用低的高效水質(zhì)凈化技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水等水質(zhì)凈化領(lǐng)域[5]。但生態(tài)溝渠運(yùn)行效果易受污染負(fù)荷、季節(jié)溫度等因素影響[6-7]?？琢顬閇8]的研究表明，溫度與微生物的活動(dòng)密切相關(guān)，硝化及反硝化過(guò)程對(duì)溫度均較為敏感，當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，微生物及植物不能充分發(fā)揮脫氮效果，當(dāng)溫度<5 ℃時(shí)，硝化和反硝化的反應(yīng)速率將大幅降低[9]。因此，對(duì)低溫下生態(tài)溝運(yùn)行效果的研究具有一定實(shí)用價(jià)值，為提高生態(tài)溝渠在低溫下的運(yùn)行效果，本研究在臨安某區(qū)構(gòu)建生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)并在低溫條件下連續(xù)運(yùn)行，對(duì)耦合系統(tǒng)各單元的連接、布水、水位控制以及水生植物配置等進(jìn)行優(yōu)化，考察低溫條件下耦合系統(tǒng)的COD、TN、TP及氨氮去除效果，為后期進(jìn)一步優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和研究整個(gè)系統(tǒng)的去污機(jī)制提供技術(shù)支持和定量化數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)于天然池塘下游，該池塘主要收集上游地表徑流及養(yǎng)殖廢水，出水通過(guò)管道重力流入耦合系統(tǒng)的生態(tài)塘，生態(tài)塘主要構(gòu)造為長(zhǎng)方體玻璃鋼槽，尺寸為4 m×2 m×2 m，其中在長(zhǎng)度上分為4格槽，格槽間通過(guò)彎頭連通，污水從前端的大塘流入生態(tài)塘后經(jīng)過(guò)4格槽的過(guò)濾最終出水流入生態(tài)溝渠。生態(tài)溝渠池體材質(zhì)為玻璃鋼，渠長(zhǎng)為100.00 m，呈倒梯形形狀，上寬1.10 m，下寬0.50 m，高0.60 m；距渠底0.18、0.36 m高度處分別設(shè)置寬為0.12 m的長(zhǎng)方形植物種植帶，種植挺水植物千屈菜、梭魚草、再力花、西伯利亞鳶尾以及沉水植物金魚藻和苦草，并裝填周邊農(nóng)田種植土3～6 cm；渠底鋪設(shè)5～10 cm種植土，溝渠坡度為1.73。生態(tài)溝渠內(nèi)每間隔20 m設(shè)置一個(gè)無(wú)動(dòng)力曝氣裝置以實(shí)現(xiàn)溝渠水體DO的強(qiáng)化和補(bǔ)給。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在前置天然池塘與生態(tài)塘間設(shè)置流量計(jì)控制耦合系統(tǒng)的水位和水力停留時(shí)間，為保證植物養(yǎng)活及系統(tǒng)調(diào)試，設(shè)置進(jìn)水流量為2.0 m3/h，水力停留時(shí)間約為16 h。實(shí)驗(yàn)期間不定時(shí)取樣，測(cè)定生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)出水中COD、TN、TP、氨氮含量，計(jì)算去除率，待系統(tǒng)運(yùn)行成熟后根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)水溫、DO、pH等監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

1.3 分析方法

水樣COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；TN采用過(guò)硫酸氧化—紫外分光光度法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑光度法測(cè)定；TP采用過(guò)硫酸鉀消解法測(cè)定[10]；DO采用便攜式溶解氧儀器法測(cè)定；pH采用便攜式pH儀測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為2015年11月5日至2016年4月14日，其中2016年1月15日至3月3日由于渠體后段漏水調(diào)整未監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)期間，超過(guò)2/3的天數(shù)平均溫度低于14 ℃，屬于低溫運(yùn)行，耦合系統(tǒng)運(yùn)行階段進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

2.1 COD去除效果

低溫條件下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)出水COD及其去除率的變化見圖1。

圖1 低溫下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果Fig.1 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on COD under low temperature

由圖1可見，生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)期間運(yùn)行總體較為穩(wěn)定。除運(yùn)行第28天時(shí)出現(xiàn)異常值外，COD進(jìn)水質(zhì)量濃度基本在5～15 mg/L波動(dòng)，而出水COD也基本維持在5 mg/L以下。系統(tǒng)運(yùn)行第1天COD的去除率為47.60%，第10天COD去除率上升至81.80%，這可能與系統(tǒng)內(nèi)植物趨于穩(wěn)定且生物量具有一定增長(zhǎng)有關(guān)[11]；隨后，系統(tǒng)COD去除率雖有波動(dòng)，但大致呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行第58天時(shí)COD的去除率降至27.20%，經(jīng)調(diào)查，系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)日溫度降至1.5 ℃，溫度降幅較大，系統(tǒng)運(yùn)行后期COD去除率逐漸增加，最高增至65.80%，這與溫度開始回升有關(guān)。整個(gè)運(yùn)行階段系統(tǒng)COD去除率為27.20%～81.80%，平均值為54.50%，說(shuō)明生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)COD有一定的去除效果，但受溫度影響明顯。

2.2 TN去除效果

低溫條件下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)出水TN及其去除率的變化見圖2。

由圖2可見，生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)TN的去除率總體呈下降趨勢(shì)。在整個(gè)低溫運(yùn)行階段，系統(tǒng)TN去除率在16.50%～56.20%，平均值為37.43%。TANG等[12]采用溝渠—濕地—塘系統(tǒng)的示范工程處理微污染水體，在(15.3±2.5) ℃下該示范工程對(duì)TN去除率為36.35%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，TANG等構(gòu)建的示范工程增加了濕地環(huán)節(jié)，且運(yùn)行的平均溫度比本研究高，但TN的去除效果與本研究相近，可見中試研究與示范工程的處理效果不盡相同，示范工程規(guī)模及處理能力遠(yuǎn)高于中試研究，處理效果較中試研究低。因此，耦合系統(tǒng)若在未來(lái)放大規(guī)模運(yùn)行，為取得良好穩(wěn)定的運(yùn)行效果，需要針對(duì)低溫條件增加一些強(qiáng)化手段。

圖2 低溫下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果Fig.2 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on TN under low temperature

2.3 氨氮的去除效果

低溫條件下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)出水氨氮及其去除率的變化見圖3。

圖3 低溫下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果Fig.3 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on ammonia nitrogen under low temperature

由圖3可見，生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)水氨氮波動(dòng)較大，在運(yùn)行前25 d進(jìn)水氨氮持續(xù)增長(zhǎng)，在運(yùn)行40 d左右出現(xiàn)大幅下跌，在運(yùn)行后期進(jìn)水氨氮總體呈下降趨勢(shì)。經(jīng)生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)處理后，出水氨氮相對(duì)穩(wěn)定，氨氮去除率在33.30%～72.70%，平均去除率為53.00%，可見生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)氨氮有較好的去除效果，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果優(yōu)于對(duì)TN的去除效果。生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)在低溫條件下對(duì)氨氮去除率最高可達(dá)70%，這可能與系統(tǒng)中植物穩(wěn)定生長(zhǎng)后對(duì)氨氮的截留與轉(zhuǎn)化作用有關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明了系統(tǒng)對(duì)氨氮尚具有較大的去除潛力。

2.4 TP的去除效果

低溫條件下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)出水TP及其去除率的變化見圖4。

由圖4可見，生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)進(jìn)出水TP變化較平穩(wěn)，系統(tǒng)運(yùn)行前70 d，TP去除率總體呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，運(yùn)行第120天后，TP去除率開始逐步上升，說(shuō)明生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)TP的處理效果受溫度影響明顯。整個(gè)運(yùn)行期間，TP去除率在26.70%～61.70%變化，平均TP去除率為44.20%，耦合系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果優(yōu)于對(duì)TN的去除效果。

圖4 低溫下生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果Fig.4 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on TP under low temperature

2.5 影響因素分析

為考察不同因素對(duì)生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響，本研究采用一維線性模型擬合耦合系統(tǒng)污染物去除率與pH、DO之間的關(guān)系，由于低溫運(yùn)行階段pH、DO并未連續(xù)監(jiān)測(cè)，僅采用2016年3月15日至4月14日溫度較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

2.5.1 pH的影響

低溫條件下pH對(duì)生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響見圖5。

圖5 低溫下pH對(duì)塘/生態(tài)溝渠系統(tǒng)處理效果的影響Fig.5 The effects of pH on processing effect of ecological pond/ecological ditch coupling system under low temperature

圖6 低溫下DO對(duì)生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)處理效果的影響Fig.6 Effects of DO on processing effect of ecological pond/ecological ditch coupling system under low temperature

2.5.2 DO的影響

低溫條件下DO對(duì)生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響見圖6。

由圖6可見，DO與氨氮去除率的一維線性擬合效果最好，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.771 64，與COD、TN、TP去除率的擬合效果均較差，說(shuō)明本研究中耦合系統(tǒng)的DO對(duì)COD、TN、TP去除率的影響不明顯。一般情況下，隨著生態(tài)系統(tǒng)中DO的增加，COD等水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)應(yīng)逐漸明顯[15]，與本研究結(jié)果不符；分析原因，本研究中整個(gè)生態(tài)溝渠渠段共設(shè)置5套無(wú)動(dòng)力曝氣裝置，對(duì)生態(tài)溝渠系統(tǒng)DO供給充足，系統(tǒng)內(nèi)DO可能呈飽和狀態(tài)，因此DO對(duì)污染物去除率的影響并未體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1) 生態(tài)塘/生態(tài)溝渠耦合系統(tǒng)在低溫運(yùn)行階段對(duì)COD、TN、氨氮、TP的平均去除率分別為54.50%、37.43%、53.00%、44.20%，運(yùn)行效果良好。

(2) pH對(duì)耦合系統(tǒng)COD、TP去除率的影響不明顯，而與氨氮去除率呈正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.705 92；DO對(duì)耦合系統(tǒng)COD、TP及TN去除率的影響低于其對(duì)氨氮去除率的影響，DO對(duì)耦合系統(tǒng)氨氮去除率線性相關(guān)系數(shù)R2=0.771 64，耦合系統(tǒng)中DO供給充足，因此DO對(duì)污染物去除率的影響并不明顯。

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Studyonoperationeffectofpond-ecologicalditchcouplingsystemunderthelowertemperature

CUIXia1,2,KONGLingwei2,LINHongjun1,MEIRongwu2,SHENLiguo1,SHAOWeiwei2,CHENGShuiping3,WANGZhen2，DAIYanran3,LISiliang2,TANYingyu2,HUANGGuanzhong2，WANGHanglin2.

(1.CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004;2.EnvironmentalResearchandDesignInstituteofZhejiangProvince,HangzhouZhejiang310007;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity，Shanghai200092)

2017-01-20)

崔 霞，女，1991年生，碩士研究生，主要從事面源污水處理和生態(tài)修復(fù)方面的研究。#

。

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(No.2014ZX07101-12)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.LQ16B060001)；浙江省省屬科研院所專項(xiàng)(No.2014F50025)；2014年浙江省博士后科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目；浙江省科技廳公益研究計(jì)劃項(xiàng)目(No.2016C31106)；浙江省軟科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(No.2016C25047)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.016