劉書宇, 馬 放, 吳明紅

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,哈爾濱 150090;2.上海大學環(huán)境與化學工程學院,上海 200444)

人工瀑布-濕地聯(lián)合修復富營養(yǎng)化景觀水

劉書宇1,2, 馬 放1, 吳明紅2

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,哈爾濱 150090;2.上海大學環(huán)境與化學工程學院,上海 200444)

通過建立人工瀑布與濕地聯(lián)合運行工程對景觀水進行修復.采用局部循環(huán)凈化方式,考察該工程對景觀水水質(zhì)的凈化與維護效果.結(jié)果表明,濕地區(qū)域燈心草對氮的吸收及大量微生物的轉(zhuǎn)化作用,使 NH+4-N濃度始終不高于 0.5 mg/L,TP濃度亦低于瀑布角水和水面落點兩樣點.各樣點 C/N值由初始時的 6～7升高到 12～16,濕地樣點C/N值始終保持較高水平.濕地生態(tài)系統(tǒng)好氧與厭氧環(huán)境的交替可有效去除系統(tǒng)中的氮素.N/P值由初始的 30～31下降到 3左右.人工瀑布充氧及濕地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)節(jié)作用可抑制水體過酸或過堿.進入濕地區(qū)后,NH+4-N去除率由 3.4%～10.4%增加到 24.6%～44.2%,TP去除率由 0.5%～25.0%增加到 71.0%.植物與微生物的聯(lián)合凈化是去除污染物的有效途徑.

濕地;人工瀑布;生態(tài)修復;景觀水

Abstract:Waterfall and wetland were used to remedy landscaping water.Partial recycling was carried out to maintain water quality.The result showed that aerobic microbes in constructed wetland reduce the concentration of NH4+-N to 0.5 mg·L-1,and the concentration of TPwas lower than the other two sites.C/N of each site rose from the initial 6～7 to 12～16.A lternative aerobic and anaerobic area in wetland system effectively removed nitrogen.N/Pfell from 30～31 to 3.Waterfall and wetland maintained thepH value of water.Removal rate of NH4+-N increased from 3.4%～10.4% to 24.6%～44.2%,and removal rate of TP increased from 0.5%～25.0%to 71.0%.Apart from oxygen supplying,combination of vegetable and microbes is also needed to remove contamination in landscap ing water.

Key words:wetland;waterfall;ecological remediation;landscapingwater

封閉緩流易引起景觀水營養(yǎng)狀況失衡,導致藻類過多.而大部分藻類能夠產(chǎn)生具有強烈毒性的藻毒素,對人體和水生生物產(chǎn)生危害[1-4],同時藻毒素會在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化[5].因此,景觀水體的修復,包括污染嚴重時的高效快速治理和微污染期的低成本控制技術(shù)已日益受到重視.由于景觀水具有流動性極差、美學要求高、污染發(fā)生期短等特點,因此不能直接使用城市污水處理技術(shù)對其治理和控制[6-7].目前,研究開發(fā)適合景觀水污染的修復技術(shù)對提高城市環(huán)境質(zhì)量和完善城市景觀生態(tài)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義.本研究針對北方景觀水體氣候特征及污染過程,在太陽島景觀水域建立小面積人工濕地,以局部循環(huán)方式,考察人工瀑布與濕地聯(lián)合運行工程對景觀水質(zhì)的凈化與維護效果,為景觀水體污染防治提供參考.

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 采水區(qū)地理位置及水質(zhì)指標

太陽島景觀湖區(qū)位于黑龍江省南部,夏季氣溫月際差異很小,為 2～3℃.每年 4月,景觀區(qū)內(nèi)湖泊河流融化,11月初開始封凍.由于溫度升高,景觀區(qū)內(nèi)水體局部出現(xiàn)富營養(yǎng)化,水溫范圍為 12～25℃,葉綠素 a的平均含量為 4.95 mg/m3.水質(zhì)狀況如表 1所示.

表 1 進水水質(zhì)指標Table 1 Water quality of inflow

1.2 采樣地點

景觀水區(qū)通過人工動力將局部水體以瀑布的形式進行跌水曝氣,在此過程中對水體補氧,瀑布的跌水流量約為 50 000 m3/h,然后,水體流經(jīng)濕地,濕地內(nèi)主要植物為燈心草,面積約 2 000 m2.整個水體在循環(huán)過程中通過局部凈化達到整體凈化,如圖1所示.根據(jù)景觀區(qū)氣候特征,每年 5月份氣溫開始逐漸升高,故試驗現(xiàn)場自 5月初瀑布水景運行起開始取樣,每半月取樣一次,至 10月份.

圖1 水循環(huán)流程圖Fig.1 Flow char t of water cycle

根據(jù)水流凈化過程,分別設(shè)置以下采樣點:水面落點,即水經(jīng)瀑布跌水充氧之后于水面的落點;瀑布角水,即水在未經(jīng)瀑布曝氣之前的靜水區(qū)域;濕地區(qū),即水經(jīng)濕地凈化后的取樣點.

1.3 分析方法[8]

本研究分別采用納氏試劑分光光度法、麝香草酚分光光度法、標準稀釋法測定 NH4+-N,NO3--N濃度和 BOD值;分別使用 YS15000型 DO測定儀、總氮分析儀、VCPN有機碳分析儀、ICP-OES分析儀測定 DO,TN,TC,TP值.

2 結(jié)果與討論

2.1 對氮、磷的去除

圖2為水體運行過程中NH4+-N的凈化過程.可以看出:NH4+-N濃度在 5月初處于較低水平,均低于 0.2 mg/L.這是由于此景觀水體外源污染主要為雨水及路面徑流,而 5月初降水較少,外源污染較小,因此水體氮污染物主要來自于內(nèi)部底泥的釋放,在低溫下釋放速率及總量較小;瀑布角水位于緩流區(qū),其NH4+-N濃度在 6～7月內(nèi)緩慢上升,8月后開始大幅上升,這部分水體由于無外界交換,因此隨著環(huán)境溫度的升高,污染物濃度釋放量增加;水面落點是瀑布水體回落水面時的樣點,這部分水體在回落過程中融入大量空氣中的氧氣,使水體中的部分NH4+-N被硝化;濕地區(qū)域水體的 NH4+-N濃度在6—7月呈先緩慢升高,后緩慢降低的趨勢.大量燈心草的吸收及好氧微生物的氧化,使 NH4+-N濃度始終不高于 0.5 mg/L,這說明濕地生態(tài)系統(tǒng)根系和土壤對氨、氮的吸收以及好氧與厭氧環(huán)境的交替可有效去除系統(tǒng)中氮素[9].因此,單靠氧濃度的補給還不能徹底實現(xiàn)景觀水的凈化及水質(zhì)維護,植物與微生物的聯(lián)合凈化是去除污染物的有效途徑.

圖2 對 NH+4-N的去除Fig.2 Removal of NH+4-N

圖3為水體運行過程中 TP的凈化過程.可以看出,各樣點 TP初始濃度值均低于 0.05 mg/L,而至 8月中旬,呈顯著上升趨勢.此過程中,瀑布角水的 TP濃度略高于水面落點,濕地 TP濃度則顯著低于前兩點.主要原因如下:①角水的磷濃度源于沉積物的釋放,并且不參與局部水循環(huán),使污染物得不到凈化和稀釋;②進入濕地區(qū)后,植物根系及土壤中分布的大量微生物群吸收了一定磷素,使 TP濃度低于其他兩樣點.8月中旬后,水面落點及角水 TP濃度不再顯著上升,濕地區(qū) TP濃度下降,這是由于沉積物與上覆水間污染物濃度釋放達到平衡,植物根系系統(tǒng)成熟,吸收能力較強,因此經(jīng)局部循環(huán)凈化,TP濃度得到控制.

圖3 對 TP的去除Fig.3 Removal of TP

圖4和圖5分別為水面樣點和濕地區(qū)內(nèi) TN和TP的去除效果.可以看出,經(jīng)過瀑布跌水后,TN,TP濃度降低,但去除率較小,其中 TN去除率為3.4%～10.4%,TP去除率為 0.5%～25.0%;進入濕地區(qū)后,TN和 TP的去除率大幅增加,其中 TN去除率為 24.6%～44.2%,TP去除率最大增加到71.0%.因此,N,P的去除單純依靠氧的補充難以達到很好的效果,在濕地區(qū)內(nèi),植物和微生物的聯(lián)合作用可在短時間內(nèi)提高去除率,而跌水充氧環(huán)節(jié)所補充的氧在這一過程中具有很好的促進作用.

圖4 TN去除率Fig.4 TN rem oval rate

圖5 TP去除率Fig.5 TP removal rate

2.2 C/N,N/P值的變化情況

C/N值的變化情況是系統(tǒng)內(nèi)生物氮轉(zhuǎn)化的主要指標.圖6為各樣點 C/N值變化過程,C/N值由初始時的 6～7升高到 12～16.水體中 NH4+-N濃度雖不斷升高,但由于系統(tǒng)厭氧環(huán)境的存在,反硝化作用降低了 TN的濃度.當 C/N值為 6～7時,表現(xiàn)為有機碳源的缺乏,此時反硝化速率降低,TN去除緩慢.7月后,C/N值升高,有機碳源充足,反硝化反應(yīng)順利進行,表現(xiàn)出較好的 TN去除率.當 C/N值達到16時,反硝化反應(yīng)僅受 NO3--N濃度的影響.3個樣點相比,濕地樣點 C/N值始終較高.濕地植物能夠很好地吸收氮素,且好氧與厭氧環(huán)境的交替促進了微生物對氮素的轉(zhuǎn)化,是 C/N值升高的主要原因.

圖6 各樣點 C/N值變化Fig.6 Change of C/N in each site

圖7為各樣點N/P值的變化過程.N/P值由初始的 30～31下降到 3左右.濕地區(qū)域 TP濃度的顯著降低使其在 10月又上升至 9.濕地區(qū) N/P值始終高于水面落點和瀑布角水,雖然此過程中各點 TN,TP濃度均在降低,但濕地區(qū)域 TP值下降較快.N/P值在 8～25之間只能持續(xù)很短時間,因為此區(qū)間與藻類增殖顯著相關(guān),藻類的生長繁殖將很快打破這種平衡.8月后,N/P值保持在 3左右,氮成為浮游生物的生長限制因子[10].

圖7 各樣點 N/P值變化Fig.7 Change of N/P in each site

2.3 對水體酸堿度的調(diào)節(jié)

圖8為各樣點 pH值的變化過程.可以看出,水體 pH值先逐漸升高,后逐漸降低.5月起,隨著溫度升高,水體底泥向上覆水釋放營養(yǎng)物量增加,NH4+-N等堿性離子濃度的升高導致水體 pH值增大,并在 8月初達到最大,此時藻類密度最大.而在瀑布水面落點,pH最大值出現(xiàn)在 7月初,之后開始降低.由于跌水曝氣給水體提供了充足的溶解氧,抑制了水中藻類的光合作用,導致 pH值下降.流經(jīng)濕地區(qū)時水體的 pH值保持最低,并于 7月初逐漸下降.這是由于植物與濕地生態(tài)系統(tǒng)中大量微生物的協(xié)同調(diào)節(jié)作用,使水體保持適應(yīng)生物生存的酸堿度.大量植物吸收了大量氨、氮,遏制了藻類的生長,從而抑制水體過酸或過堿.

圖8 各樣點 p H值變化Fig.8 Change of p H in each site

3 結(jié) 論

(1)濕地區(qū)域植物的吸收及好氧微生物的氧化 ,使得 NH4+-N的濃度始終不高于 0.5 mg/L,TP濃度低于瀑布角水和水面落點兩樣點.8月中旬后,沉積物與上覆水間污染物濃度釋放達到平衡,且植物根系系統(tǒng)成熟,吸收能力較強,TP濃度得到控制.

(2)各樣點 C/N值呈上升狀態(tài),由初始時的6～7升高到 12～16.3個樣點相比,濕地樣點 C/N值始終保持較高水平,濕地好氧與厭氧環(huán)境的交替可有效去除系統(tǒng)中的氮素.N/P值由初始的 30～31下降到 3左右,水中藻類逐漸由 P限制型變?yōu)?N限制型.

(3)曝氣增氧與濕地系統(tǒng)的聯(lián)合作用可以在溫度較高的情況下調(diào)節(jié)水體 pH值.進入濕地區(qū)后,NH4+-N去除率由 3.4%～10.4%增加到 24.6%～44.2%;TP去除率由 0.5%～25.0%增加到71.0%.濕地區(qū)內(nèi)植物和微生物的聯(lián)合作用可在短時間內(nèi)提高 TN和 TP的去除率,而跌水充氧在這一過程中具有很好的促進作用.

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(編輯:丁嘉羽)

Eutrophicated Landscap ing Water Remed iation by Combination of Constructed Waterfall and Wetland

L IU Shu-yu1,2, MA Fang1, WU M ing-hong2
(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China;2.School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai200444,China)

X 52

A

1007-2861(2010)05-0503-05

10.3969/j.issn.1007-2861.2010.05.011

2010-04-08

國家自然科學基金資助項目 (50809037);哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室開放基金資助項目(ES201004);國家科技支撐計劃資助項目(2008BAC32B03);上海市重點學科建設(shè)資助項目(S30109);上海市優(yōu)秀青年教師科研專項基金資助項目(37011107701)

劉書宇 (1979～),女,副研究員,博士,研究方向為水污染控制與生物污染防治.E-mail:liushuyu@shu.edu.cn