農(nóng)村富營養(yǎng)化天然水體的人工濕地凈化機理研究.pdf

1、本文通過人工濕地對農(nóng)村富營養(yǎng)化水體中污染物去除性能和規(guī)律進行的小試和中試試驗，對濕地植物的生長特性及其吸收氮磷的特點、濕地基質(zhì)微生物數(shù)量分別與碳源代謝等進行了較為系統(tǒng)和深入的研究，通過試驗結(jié)果可以得到如下結(jié)論：4種類型濕地(香蒲水平潛流、風(fēng)車草水平潛流、香蒲垂直潛流、風(fēng)車草垂直潛流)對富營養(yǎng)化水體均具有較好的凈化能力。在水力停留時間為3d，進水COD、總氮、總磷分別為45～110mg/1、1.5～5.2mg/I和0.22～1

2、.54mg/I的條件下，出水COD能達到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)，總氮除8月為Ⅳ類外其余均能達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，總磷除8、9月為Ⅲ～Ⅳ類外其余均能達到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。在水華暴發(fā)的7、8、9月間濕地對浮游植物的去除效果良好，在進水葉綠素a濃度高達103.5mg/m3～252.4mg/m3時，濕地的去除率可達82.5%～99.2%之間。對污染物面積負(fù)荷與濕地面積去除率的研究表明，在處理這類低濃度富營養(yǎng)化水體時，4種類型

3、的濕地對COD、總氮、總磷的面積去除率與污染物面積負(fù)荷在全年期間均呈良好的線性關(guān)系，顯示了在處理低濃度水時良好的處理與適應(yīng)能力?？傮w來說人工濕地能夠有效地發(fā)揮凈化農(nóng)村富營養(yǎng)化水體的作用，出水能夠達到較好的水質(zhì)水平。在4種類型濕地去除效果中比較，在試驗初期和第二年初春(3月)，兩種植物類型濕地中，無論是垂直潛流還是水平潛流，污染物各個指標(biāo)香蒲濕地均略好于風(fēng)車草，但在隨試驗進行到第一年1O月至1月間，第二年4月后，風(fēng)車草又略好

4、于香蒲，顯示植物生長發(fā)育周期不同對濕地處理效果影響較大。在兩種流態(tài)濕地中比較，COD是水平潛流一直略好于垂直流;而總氮和氨氮在香蒲濕地中垂直流在秋冬季節(jié)要略好于水平潛流，其它時間相當(dāng)，而風(fēng)車草濕地中兩種流態(tài)沒有明顯差別；總磷在香蒲濕地中垂直流在冬春要略差于水平潛流，風(fēng)車草濕地兩種流態(tài)差別不大?？傮w來看植物對去除效果的影響要大于流態(tài)的影響，但這種影響在處理這種低濃度富營養(yǎng)化水體上并不很明顯。在水平潛流濕地中，從前向后植物高度和

5、分生植株數(shù)量都呈遞減趨勢，而垂直潛流濕地中的植物株(叢)間差異不明顯。收割后的植物地上生物量顯示風(fēng)車草地上部分株(叢)均生物量要遠大于香蒲，不同單元間約為香蒲的1.51～3.01倍，水平潛流濕地前后植物地上部分生物量差異顯著。對不同濕地植物NP元素進行測定，結(jié)果顯示：風(fēng)車草植物N元素含量遠高于香蒲;不同單元植物地上部分N元素差異顯著，在水平潛流濕地中從前向后N元素含量呈梯次遞減，而P元素差異較小，垂直潛流濕地株(叢)間差異不

6、顯著且NP含量較水平潛流高。人工濕地處理低濃度富營養(yǎng)化水體時，植物更容易受到N元素缺乏脅迫影響，而P影響較小。比較人工濕地不同單元間植物地上部分吸收NP量，兩種植物的水平潛流濕地中從前向后4個單元間吸收量差異均極為顯著，從前向后顯著遞減，這種差異性與生物量或植物NP濃度相比而言，與生物量相關(guān)性更強，顯示植物生長受到污染物濃度沿程降低(特別是N元素)的顯著影響，而垂直潛流濕地中植物吸收量與水平潛流濕地最大的第一單元相當(dāng)。研究植

7、物地上部分吸收NP量對濕地總?cè)コ康呢暙I可知：植物吸收的作用很大，反映了在處理低濃度富營養(yǎng)化水體時，植物吸收發(fā)揮了重要的作用，通過收割植物地上部分能將植物吸收的NP部分遷移出人工濕地，延長濕地使用年限。使用三維熒光掃描技術(shù)對溶解性有機物在濕地中的轉(zhuǎn)化研究結(jié)果表明進水的三維熒光光譜可表征出4類溶解性有機物，在濕地凈化過程中，這4類有機物表現(xiàn)出不同的趨勢，表征受污染狀況的2個常見類蛋白峰(類酪氨酸和類色氨酸)均出現(xiàn)降低的趨勢，

8、顯示進水中部分溶解性有機物的被利用和削減，而2個類富里酸峰(可見光類富里酸和紫外類富里酸)則出現(xiàn)增加，證實了有機物在濕地中并不只是簡單的被吸收利用，而是存在分解轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化更明顯的表現(xiàn)在向不易被生物利用的腐殖化方向發(fā)展。在濕地垂直方向上，上層孔隙水中類蛋白峰較強，而下層孔隙水中類富里酸峰較強;在水平潛流濕地水平方向上前部類蛋白峰較強，而后部類富里酸峰較強，較易被利用的類蛋白峰強變化與微生物數(shù)量和碳源代謝活性大小趨勢相符。

9、在兩種流態(tài)濕地中，細(xì)菌總數(shù)都是沿程逐漸降低，水平潛流濕地上層基質(zhì)細(xì)菌總數(shù)要比中下層高約1個數(shù)量級，但細(xì)菌總數(shù)與各段污染物去除率之間沒有明顯相關(guān)性。Biolog測試得到的平均色度變化(AWCD)顯示，就微生物群落對能源碳的代謝能力而言：在兩種流態(tài)濕地樣點中比較，不同季節(jié)下，微生物群落代謝能力有差異，在秋季，水平潛流濕地前部下層低于其它三點，微生物活性而垂直潛流上層較低于下層；在春季，較低的這兩點都出現(xiàn)活性恢復(fù)。對Biolog測

10、試數(shù)據(jù)進行不同類別碳源類型的代謝分析：各采樣點對聚合物、糖類、羧酸和氨基酸4類碳源利用較好，但對胺類和酚類利用差異較大。對Biolog測試96h數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后使用主成分分析，結(jié)果表明，無論是秋季還是春季，兩種流態(tài)人工濕地床體不同部位樣點均能被分開，顯示樣點間各自具有不同的碳源利用特性，各自對碳源具有不同的利用特性。根據(jù)Biolog測試的數(shù)據(jù)計算不同樣點的碳源利用功能多樣性指數(shù)顯示：在不同季節(jié)不同流態(tài)的濕地中，各采樣基質(zhì)點豐度、

11、均勻性、多樣性指數(shù)均有差別，但豐度指數(shù)相差較小，一般為上層>下層：均勻性指數(shù)則顯示，在秋季水平潛流濕地中，前部下層低于其它三點，在垂直潛流濕地中，上層較低于下層，該點顯示了較強的碳源利用偏好，在春季，較低的這兩點都出現(xiàn)顯著升高；多樣性指數(shù)變化趨勢與豐度指數(shù)類似。對污染物在濕地床體空間沿程變化的研究表明污染物間變化規(guī)律各有差異。COD在水平潛流中無論暖季寒季均呈現(xiàn)沿程梯形遞減規(guī)律，而垂直方向上從上向下是逐漸增加;而垂直潛流則沒

12、有表現(xiàn)出明顯的沿程降低趨勢，在寒季會出現(xiàn)1/2段點高于床體其它各點和出水的情況，但兩種流態(tài)前1/4段去除均占主要貢獻；總氮空間變化規(guī)律與COD類似，但垂直潛流在寒季從沿程1/2段開始變化很小；總磷與COD、總氮規(guī)律也相近，但垂直流在暖季從沿程1/2段開始基本沒有變化，就COD、總氮、總磷而言，前1/4段均占去除的主導(dǎo)作用，而在風(fēng)車草濕地中這一點表現(xiàn)的更加明顯。在水平潛流中污染物濃度沿程削減與植物的生長特性(株高和分生植株數(shù))

13、及吸收NP量有較好的一致性，在水平方向上沿程變化與微生物數(shù)量也較為一致，但在濕地下層，與秋季微生物群落碳源代謝活性變化并不一致。在垂直潛流濕地中，污染物濃度沿程變化與微生物數(shù)量略為一致，與微生物群落碳源代謝活性春季趨勢一致，但與秋季趨勢并不一致。氨氮的空間變化規(guī)律與其它3個指標(biāo)不一致，在水平潛流濕地中，暖寒季均表現(xiàn)為沿程1/4段增加較多，然后逐漸降低；在垂直潛流中暖季是在1/4段升高，然后在1/2段降低，然后又沿程升高一些

14、，寒季則為在3/4段前沿程升高，后1/4段又降低的趨勢，這與流態(tài)上的差別使得濕地中有機氮分解的規(guī)律存在差異有關(guān)。研究表明濕地對氨氮的去除并不理想，出水氨氮濃度高于進水的情況在一年中大部分時間內(nèi)存在，由總氮和氨氮沿程變化可知，很可能進水中部分有機氮被截留后在厭氧條件下并沒有得到全部去除，而是分解釋放，有部分釋放的氨氮沒有被硝化一反硝化作用去除，而是隨水流出。而通過溶解性有機物的研究可知，濕地沿程表征受污染程度的類蛋白熒光強度的

15、削減可能正標(biāo)示著類蛋白類有機物分解釋放出氨氮。但全年濕地出水氨氮濃度月均值均小于0.57mg/1，基本達到II類水標(biāo)準(zhǔn)，因此氨氮處理不理想并不影響出水水質(zhì)。在小試試驗結(jié)果基礎(chǔ)上開展了應(yīng)用高速泳動床一人工濕地復(fù)合系統(tǒng)工程實際處理富營養(yǎng)化水體，調(diào)水改善農(nóng)村天然水體水質(zhì)工程研究，結(jié)果表明高速泳動床能降低氨氮濃度、提高濕地進水溶解氧含量，強化后續(xù)濕地工藝去除能力。人工濕地對高速泳動床出水的去除效果較好，C0D出水能達到地表水Ⅲ～Ⅳ類

16、水標(biāo)準(zhǔn)，總氮出水能達到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，總磷出水能達到地表水II類水標(biāo)準(zhǔn)，葉綠素a去除率由初期的75％左右提升到90％以上。濕地對氨氮的去除效果不理想，但出水均<1.0mg/l，能達到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合垂直潛流濕地在較高的負(fù)荷情況下(停留時間約少1/3)，仍能達到與水平潛流濕地相當(dāng)?shù)娜コЧ?，對總氮和氨氮去除率還略高于水平潛流濕地，顯示了較強去除能力?？傮w來看，在300t/d的水量負(fù)荷下，高速泳動床一人工濕地聯(lián)合工藝能顯