農(nóng)村富營(yíng)養(yǎng)化天然水體的人工濕地凈化機(jī)理研究.pdf

1、本文通過(guò)人工濕地對(duì)農(nóng)村富營(yíng)養(yǎng)化水體中污染物去除性能和規(guī)律進(jìn)行的小試和中試試驗(yàn)，對(duì)濕地植物的生長(zhǎng)特性及其吸收氮磷的特點(diǎn)、濕地基質(zhì)微生物數(shù)量分別與碳源代謝等進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究，通過(guò)試驗(yàn)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(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體均具有較好的凈化能力。在水力停留時(shí)間為3d，進(jìn)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(dá)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(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，總磷除8、9月為Ⅲ～Ⅳ類外其余均能達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。在水華暴發(fā)的7、8、9月間濕地對(duì)浮游植物的去除效果良好，在進(jìn)水葉綠素a濃度高達(dá)103.5mg/m3～252.4mg/m3時(shí)，濕地的去除率可達(dá)82.5%～99.2%之間。對(duì)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(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)，4種類型

3、的濕地對(duì)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(shí)良好的處理與適應(yīng)能力?？傮w來(lái)說(shuō)人工濕地能夠有效地發(fā)揮凈化農(nóng)村富營(yíng)養(yǎng)化水體的作用，出水能夠達(dá)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(yàn)初期和第二年初春(3月)，兩種植物類型濕地中，無(wú)論是垂直潛流還是水平潛流，污染物各個(gè)指標(biāo)香蒲濕地均略好于風(fēng)車草，但在隨試驗(yàn)進(jìn)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(zhǎng)發(fā)育周期不同對(duì)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(shí)間相當(dāng)，而風(fēng)車草濕地中兩種流態(tài)沒(méi)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(lái)看植物對(duì)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(yíng)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(shì)，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(yuǎn)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(duì)不同濕地植物NP元素進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示：風(fēng)車草植物N元素含量遠(yuǎn)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(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)，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(gè)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(qiáng)，顯示植物生長(zhǎng)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(duì)濕地總?cè)コ康呢暙I(xiàn)可知：植物吸收的作用很大，反映了在處理低濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)，植物吸收發(fā)揮了重要的作用，通過(guò)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(zhǎng)濕地使用年限。使用三維熒光掃描技術(shù)對(duì)溶解性有機(jī)物在濕地中的轉(zhuǎn)化研究結(jié)果表明進(jìn)水的三維熒光光譜可表征出4類溶解性有機(jī)物，在濕地凈化過(guò)程中，這4類有機(jī)物表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，表征受污染狀況的2個(gè)常見(jiàn)類蛋白峰(類酪氨酸和類色氨酸)均出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，

8、顯示進(jìn)水中部分溶解性有機(jī)物的被利用和削減，而2個(gè)類富里酸峰(可見(jiàn)光類富里酸和紫外類富里酸)則出現(xiàn)增加，證實(shí)了有機(jī)物在濕地中并不只是簡(jiǎn)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(qiáng)，而下層孔隙水中類富里酸峰較強(qiáng);在水平潛流濕地水平方向上前部類蛋白峰較強(qiáng)，而后部類富里酸峰較強(qiáng)，較易被利用的類蛋白峰強(qiáng)變化與微生物數(shù)量和碳源代謝活性大小趨勢(shì)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(gè)數(shù)量級(jí)，但細(xì)菌總數(shù)與各段污染物去除率之間沒(méi)有明顯相關(guān)性。Biolog測(cè)試得到的平均色度變化(AWCD)顯示，就微生物群落對(duì)能源碳的代謝能力而言：在兩種流態(tài)濕地樣點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)都出現(xiàn)活性恢復(fù)。對(duì)Biolog測(cè)

10、試數(shù)據(jù)進(jìn)行不同類別碳源類型的代謝分析：各采樣點(diǎn)對(duì)聚合物、糖類、羧酸和氨基酸4類碳源利用較好，但對(duì)胺類和酚類利用差異較大。對(duì)Biolog測(cè)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(wú)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(diǎn)均能被分開(kāi)，顯示樣點(diǎn)間各自具有不同的碳源利用特性，各自對(duì)碳源具有不同的利用特性。根據(jù)Biolog測(cè)試的數(shù)據(jù)計(jì)算不同樣點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，在垂直潛流濕地中，上層較低于下層，該點(diǎn)顯示了較強(qiáng)的碳源利用偏好，在春季，較低的這兩點(diǎn)都出現(xiàn)顯著升高；多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)與豐度指數(shù)類似。對(duì)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(wú)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(méi)

12、有表現(xiàn)出明顯的沿程降低趨勢(shì)，在寒季會(huì)出現(xiàn)1/2段點(diǎn)高于床體其它各點(diǎn)和出水的情況，但兩種流態(tài)前1/4段去除均占主要貢獻(xiàn)；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(kāi)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(kāi)始基本沒(méi)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(diǎn)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(zhǎng)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(shì)一致，但與秋季趨勢(shì)并不一致。氨氮的空間變化規(guī)律與其它3個(gè)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(shì)，這與流態(tài)上的差別使得濕地中有機(jī)氮分解的規(guī)律存在差異有關(guān)。研究表明濕地對(duì)氨氮的去除并不理想，出水氨氮濃度高于進(jìn)水的情況在一年中大部分時(shí)間內(nèi)存在，由總氮和氨氮沿程變化可知，很可能進(jìn)水中部分有機(jī)氮被截留后在厭氧條件下并沒(méi)有得到全部去除，而是分解釋放，有部分釋放的氨氮沒(méi)有被硝化一反硝化作用去除，而是隨水流出。而通過(guò)溶解性有機(jī)物的研究可知，濕地沿程表征受污染程度的類蛋白熒光強(qiáng)度的

15、削減可能正標(biāo)示著類蛋白類有機(jī)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(dá)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(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上開(kāi)展了應(yīng)用高速泳動(dòng)床一人工濕地復(fù)合系統(tǒng)工程實(shí)際處理富營(yíng)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(dòng)床能降低氨氮濃度、提高濕地進(jìn)水溶解氧含量，強(qiáng)化后續(xù)濕地工藝去除能力。人工濕地對(duì)高速泳動(dòng)床出水的去除效果較好，C0D出水能達(dá)到地表水Ⅲ～Ⅳ類

16、水標(biāo)準(zhǔn)，總氮出水能達(dá)到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，總磷出水能達(dá)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(duì)氨氮的去除效果不理想，但出水均<1.0mg/l，能達(dá)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(shí)間約少1/3)，仍能達(dá)到與水平潛流濕地相當(dāng)?shù)娜コЧ?，?duì)總氮和氨氮去除率還略高于水平潛流濕地，顯示了較強(qiáng)去除能力?？傮w來(lái)看，在300t/d的水量負(fù)荷下，高速泳動(dòng)床一人工濕地聯(lián)合工藝能顯