水生植物緩沖帶對洱海流域低污染水中氮的凈化效果

趙 斌1,李 明1,盧少勇①,黃季超

(1.玉溪師范學(xué)院,云南 玉溪 653100；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100000)

洱海(N25°25′～26°16′，E99°32′～100°27′)位于云南大理白族自治州,自20世紀(jì)90年代以來,湖泊水質(zhì)呈下降趨勢.在洱海入湖地表徑流中,部分水質(zhì)受到一定污染,但主要水質(zhì)指標(biāo)又優(yōu)于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn),無法排入污水處理廠進(jìn)行處理,但相對于湖泊水體來講,仍然為污染源,不經(jīng)處理直接入湖又不能滿足湖泊水質(zhì)保護(hù)的要求,這部分總氮濃度(ρ(TN))、總磷濃度(ρ(TP))、CODCr濃度(ρ(CODCr))相對較低的入湖水稱為“低污染水”[1].

據(jù)白獻(xiàn)宇等[2]的研究,目前洱海流域低污染水主要來源于污水處理廠處理尾水、城鎮(zhèn)面源、農(nóng)田徑流排水(含村落地表徑流)3種主要類型,低污染水產(chǎn)生量為20 069 × 104 m3/a,TN負(fù)荷量為1 393 t/a,TP負(fù)荷量為77 t/a.關(guān)于入湖低污染水的研究,主要集中在低污染水治理技術(shù)，其中包括湖泊緩沖帶技術(shù)、人工濕地技術(shù)、近自然濕地技術(shù)、生態(tài)廊道修復(fù)技術(shù)等.

湖泊緩沖帶就是保護(hù)湖泊的隔離生境,是緩解或減輕湖泊水生態(tài)系統(tǒng)受到流域內(nèi)各種人類活動或自然過程的破壞、干擾和污染的空間[3,4].國外研究主要集中在緩沖帶對污染物的阻控作用等方面[5,6].我國在太湖、洱海、撫仙湖等流域都開展了緩沖帶的生態(tài)修復(fù)和治理方面的研究[7].洱海緩沖帶內(nèi)的草地、林地、河流、濕地生態(tài)系統(tǒng)等對洱海流域產(chǎn)生的低污染水具有一定的截留、吸附、吸收、凈化作用.研究結(jié)果表明,洱海流域低污染水各項指標(biāo)ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH3-N)范圍依次為2.3～6.3 mg/L、0.25～0.75 mg/L和0.6～4.5 mg/L[8].

本文通過構(gòu)建荇菜、蘆葦水生植物緩沖條帶,開展水生植物緩沖帶控制洱海流域低污染水氮污染的現(xiàn)場試驗研究,處理洱海流域模擬低污染水,旨在摸清水生植物緩沖帶處理洱海低污染水中氮的實際能力,為水生植物緩沖帶控制低污染水技術(shù)在國內(nèi)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗場地

研究選擇的場址位于洱海西岸大理鎮(zhèn)中和溪南岸(25°42′16″N、100°10′19″E)，距離洱海約3 km.

1.2 試驗條帶設(shè)計

為研究水生植物對洱海流域低污染水的凈化效果,選取兩種洱海流域內(nèi)常見的水生植物荇菜(浮葉植物)、蘆葦(挺水植物)為研究對象,構(gòu)建兩條水生植物緩沖帶,不種植物的試驗條帶做為空白對照.每條緩沖帶長10 m,寬1 m,深1 m,分為5格,每格末端中部設(shè)置一個表層水樣采樣點,分別采集緩沖條帶內(nèi)2 m、4 m、6 m、8 m、10 m水樣.供試三條條帶底部鋪20 cm厚混合均勻的當(dāng)?shù)丶t壤,各條帶內(nèi)有效水深70 cm,超高10 cm,荇菜和蘆葦?shù)姆N植密度為20株/m2.試驗條帶采用磚砌結(jié)構(gòu)、水泥砂漿抹面防滲.每條供試條帶采用蠕動泵從配水池抽水至條帶前端進(jìn)水,進(jìn)水量為350 L/min,HRT為14 d,試驗條帶內(nèi)水流方式為波形流，工藝流程見圖1.

圖1 水生植物緩沖帶工藝流程

1.3 供試水樣

參照陳書琴等[8]調(diào)查的洱海流域低污染水氮磷濃度,采用硫酸氨、硝酸鈉、磷酸氫二鈉在試驗用配水池中配水.

1.4 試驗方法

2015年6月試驗條件建設(shè)完成,在穩(wěn)定一個月后,將3條試驗條帶內(nèi)五格水質(zhì)調(diào)節(jié)成與配水池中進(jìn)水水質(zhì)濃度相當(dāng),從2015年7月1日開始進(jìn)水采樣,平均每周采集水樣1次,至2015年10月31日結(jié)束,共采集水樣19次,試驗期間現(xiàn)場測定水樣水溫范圍為16.8～24.7℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 水生植物緩沖帶對低污染水中氮的去除影響效果

在水生植物緩沖帶試驗周期內(nèi),進(jìn)水TN濃度平均值為5.504 mg/L,荇菜條帶總氮平均去除率為74.2%,高于蘆葦條帶的72.3%和空白條帶的67.3%,試驗結(jié)果表明種植水生植物條帶對洱海流域低污染水中氮的去除效果較好,且荇菜高于蘆葦,在同等試驗條件下可能與蘆葦存在更高的氮釋放潛力有關(guān)[10].對于硝態(tài)氮而言,荇菜和蘆葦條帶出水硝態(tài)氮的去除率分別為80.38%和82.12,均高于空白條帶硝態(tài)氮的去除率(76.06%),表現(xiàn)出水生植物的生長對緩沖帶內(nèi)低污染水硝態(tài)氮的去除有更好的效果.試驗周期內(nèi)，荇菜、蘆葦和空白對氨態(tài)氮的去除率分別為87.5%、89.34%和89.37%,水生植物生長對低污染水氨態(tài)氮的去除效果沒有明顯提高作用,但水生植物緩沖帶對氨態(tài)氮的去除效果較顯著,3條帶的去除率均高于80%.試驗表明,水生植物緩沖帶對低污染水無機(jī)氮(氨態(tài)氮、硝態(tài)氮)的去除效果要優(yōu)于總氮,可能與各條帶底部鋪設(shè)的土壤有機(jī)氮釋放有關(guān)[11].試驗用土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別為43.29 g/kg、9.3 g/kg、3 006.53 mg/kg.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明,沉積物中總氮達(dá)到4 800 mg/kg、總磷達(dá)到2 000 mg/kg時,沉積物具有嚴(yán)重級別生態(tài)效應(yīng)[12].因此,試驗用土壤作為沉積物鋪設(shè)于水生植物緩沖帶底部，存在較高的氮、磷釋放風(fēng)險.

表1 不同水生植物緩沖帶進(jìn)出水N濃度范圍及其平均值

2.2 水生植物緩沖帶中氮濃度的沿程變化趨勢分析

本試驗條件及周期內(nèi)，荇菜與蘆葦條帶TN、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮均表現(xiàn)出隨條帶長度的增長,去除效果逐步增加的趨勢,且在前4 m范圍內(nèi)對各形態(tài)氮濃度下降趨勢更為顯著,隨著條帶距離的增加,各形態(tài)氮濃度趨于平緩.該試驗結(jié)果可為水生植物緩沖帶確定最佳寬度提供有效的數(shù)據(jù)支持.空白條帶中TN、硝態(tài)氮表現(xiàn)出隨條帶長度的增加,去除效果逐步增加的趨勢,而氨態(tài)氮則表現(xiàn)為前4 m范圍內(nèi)略有升高的趨勢,而隨著試驗條帶距離的增大,空白氨態(tài)氮去除效果也顯著增大,這可能與各條帶中pH值的影響有一定關(guān)系.由圖5可以看出,空白條帶pH高于荇菜和蘆葦條帶,且4 m之后pH均高于9.根據(jù)已有研究結(jié)果[13,14],當(dāng)水體中pH大于9時,氨態(tài)氮就能以氨氣的形態(tài)從水中逸出.該試驗結(jié)果也同時可驗證,水生植物的種植對緩沖帶內(nèi)水體的酸堿度有一定緩沖效果.

圖2 荇菜條帶氮濃度的沿程變化趨勢 圖3 蘆葦條帶氮濃度的沿程變化趨勢

2.3 不同水生植物緩沖帶最佳寬度的研究

本研究以洱海流域低污染水控制為目的,探索性地提出以不同水生植被類型為控制變量,根據(jù)低污染水污染物濃度降解和沿程去除率變化來確定水生植物緩沖帶最佳寬度的方法,與黃沈發(fā)等[15]采用的研究方法相似.本研究利用SPSS22.0,根據(jù)水生植物緩沖帶對低污染水中氮的實際處理效果,分別假定TN去除率達(dá)到70%、硝態(tài)氮去除率達(dá)到80%、氨態(tài)氮去除率達(dá)到85%時的距離為水生植物緩沖帶最佳寬度.以此去除率為條件,對不同水生植物緩沖帶氮形態(tài)的去除率和沿程距離進(jìn)行曲線擬合,研究結(jié)果表明試驗各條帶氮的去除率和沿程距離呈現(xiàn)顯著對數(shù)相關(guān)關(guān)系(見圖6及表2中的R2),所得的擬合公式和水生植物緩沖帶最佳寬度值見表2.

圖6 水生植物緩沖帶沿程去除率變化曲線

本研究各條帶TN去除率達(dá)到70%時,出水中TN平均濃度為1.651 mg/L,達(dá)到《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中地表水Ⅴ類且接近Ⅳ水質(zhì)水平,可滿足低污染水處理要求.已有相關(guān)研究表明,緩沖帶的寬度與污染物的截留效果呈正相關(guān),但由于受土地資源的限制,緩沖帶的寬度不能無限大[16].目前,洱海緩沖帶面積為94 km2,僅占其流域總面積的3.66%.因此,為了在有限的土地資源條件下,達(dá)到利用水生緩沖帶控制洱海低污染水的最佳效果，需要確定水生植物緩沖帶的最佳寬帶.根據(jù)表2中的擬合公式,計算出y為70時的x值,即為所求不同水生植物條件下緩沖帶最佳寬度.計算結(jié)果顯示，在本試驗條件及試驗周期內(nèi),TN去除率為70%時,荇菜緩沖帶的最佳寬度最小,為3.07 m;蘆葦緩沖帶的最佳寬度次之,為3.25 m.種植水生植物的緩沖帶最佳寬度均小于空白緩沖帶的5.02 m,表現(xiàn)出水生植物的種植提高了緩沖帶對低污染水中氮的去除效果.

表2 水生植物緩沖帶氮去除最佳寬度

注:擬合公式中,y為氮去除率(%);x為沿程距離(m).

2.4 存在不足

本研究試驗時間為4個月,在此試驗周期內(nèi),種植荇菜及蘆葦?shù)乃参锞彌_帶表現(xiàn)出對洱海流域低污染水氮較好的去除效果,試驗時間較短,且試驗時間為夏季和秋季,試驗氣候條件較好,在以后的研究中應(yīng)延長試驗時間,才能更好的掌握水生植物緩沖帶對低污染水的處理效果.同時,本研究選用的植物種類較少,且沒有深入研究荇菜及蘆葦對緩沖帶底質(zhì)理化、生物狀況的影響.本文在選取水力負(fù)荷參數(shù)時,較為單一,沒有進(jìn)行不同水力負(fù)荷條件下,水生植物緩沖帶對洱海流域低污染水的處理效果的對比分析,該項研究內(nèi)容在以后的研究中應(yīng)加強(qiáng).

3 結(jié) 論

(1)在水生植物緩沖帶試驗周期內(nèi),進(jìn)水TN濃度平均值為5.504 mg/L,荇菜條帶總氮平均去除率為74.2%,高于蘆葦條帶的72.3%和空白條帶的67.3%,表明水生植物緩沖帶對洱海流域低污染水處理有一定的效果.

(2)本試驗條件及周期內(nèi),荇菜與蘆葦條帶TN、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮均表現(xiàn)出隨條帶長度的增長,去除效果逐步增加的趨勢,且在前4 m范圍內(nèi)對各形態(tài)氮濃度下降趨勢更為顯著,隨著條帶距離的增加，各形態(tài)氮濃度趨于平緩.

(3)本研究結(jié)果表明,在TN去除率為70%時,荇菜緩沖帶的最佳寬度最小,為3.07 m;蘆葦緩沖帶的最佳寬度次之,為3.25 m,種植水生植物的緩沖帶最佳寬度均小于空白緩沖帶的5.02 m,表現(xiàn)出水生植物的種植提高了緩沖帶對低污染水氮的去除效果.