人工瀑布-湿地联合修复富营养化景观水

刘书宇, 马 放, 吴明红

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090;2.上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

人工瀑布-湿地联合修复富营养化景观水

刘书宇1,2, 马 放1, 吴明红2

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090;2.上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

通过建立人工瀑布与湿地联合运行工程对景观水进行修复.采用局部循环净化方式,考察该工程对景观水水质的净化与维护效果.结果表明,湿地区域灯心草对氮的吸收及大量微生物的转化作用,使 NH+4-N浓度始终不高于 0.5 mg/L,TP浓度亦低于瀑布角水和水面落点两样点.各样点 C/N值由初始时的 6～7升高到 12～16,湿地样点C/N值始终保持较高水平.湿地生态系统好氧与厌氧环境的交替可有效去除系统中的氮素.N/P值由初始的 30～31下降到 3左右.人工瀑布充氧及湿地生态系统的协同调节作用可抑制水体过酸或过碱.进入湿地区后,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%.植物与微生物的联合净化是去除污染物的有效途径.

湿地;人工瀑布;生态修复;景观水

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

封闭缓流易引起景观水营养状况失衡,导致藻类过多.而大部分藻类能够产生具有强烈毒性的藻毒素,对人体和水生生物产生危害[1-4],同时藻毒素会在环境中迁移转化[5].因此,景观水体的修复,包括污染严重时的高效快速治理和微污染期的低成本控制技术已日益受到重视.由于景观水具有流动性极差、美学要求高、污染发生期短等特点,因此不能直接使用城市污水处理技术对其治理和控制[6-7].目前,研究开发适合景观水污染的修复技术对提高城市环境质量和完善城市景观生态系统具有重要的现实意义.本研究针对北方景观水体气候特征及污染过程,在太阳岛景观水域建立小面积人工湿地,以局部循环方式,考察人工瀑布与湿地联合运行工程对景观水质的净化与维护效果,为景观水体污染防治提供参考.

1 试验设计与方法

1.1 采水区地理位置及水质指标

太阳岛景观湖区位于黑龙江省南部,夏季气温月际差异很小,为 2～3℃.每年 4月,景观区内湖泊河流融化,11月初开始封冻.由于温度升高,景观区内水体局部出现富营养化,水温范围为 12～25℃,叶绿素 a的平均含量为 4.95 mg/m3.水质状况如表 1所示.

表 1 进水水质指标Table 1 Water quality of inflow

1.2 采样地点

景观水区通过人工动力将局部水体以瀑布的形式进行跌水曝气,在此过程中对水体补氧,瀑布的跌水流量约为 50 000 m3/h,然后,水体流经湿地,湿地内主要植物为灯心草,面积约 2 000 m2.整个水体在循环过程中通过局部净化达到整体净化,如图1所示.根据景观区气候特征,每年 5月份气温开始逐渐升高,故试验现场自 5月初瀑布水景运行起开始取样,每半月取样一次,至 10月份.

图1 水循环流程图Fig.1 Flow char t of water cycle

根据水流净化过程,分别设置以下采样点:水面落点,即水经瀑布跌水充氧之后于水面的落点;瀑布角水,即水在未经瀑布曝气之前的静水区域;湿地区,即水经湿地净化后的取样点.

1.3 分析方法[8]

本研究分别采用纳氏试剂分光光度法、麝香草酚分光光度法、标准稀释法测定 NH4+-N,NO3--N浓度和 BOD值;分别使用 YS15000型 DO测定仪、总氮分析仪、VCPN有机碳分析仪、ICP-OES分析仪测定 DO,TN,TC,TP值.

2 结果与讨论

2.1 对氮、磷的去除

图2为水体运行过程中NH4+-N的净化过程.可以看出:NH4+-N浓度在 5月初处于较低水平,均低于 0.2 mg/L.这是由于此景观水体外源污染主要为雨水及路面径流,而 5月初降水较少,外源污染较小,因此水体氮污染物主要来自于内部底泥的释放,在低温下释放速率及总量较小;瀑布角水位于缓流区,其NH4+-N浓度在 6～7月内缓慢上升,8月后开始大幅上升,这部分水体由于无外界交换,因此随着环境温度的升高,污染物浓度释放量增加;水面落点是瀑布水体回落水面时的样点,这部分水体在回落过程中融入大量空气中的氧气,使水体中的部分NH4+-N被硝化;湿地区域水体的 NH4+-N浓度在6—7月呈先缓慢升高,后缓慢降低的趋势.大量灯心草的吸收及好氧微生物的氧化,使 NH4+-N浓度始终不高于 0.5 mg/L,这说明湿地生态系统根系和土壤对氨、氮的吸收以及好氧与厌氧环境的交替可有效去除系统中氮素[9].因此,单靠氧浓度的补给还不能彻底实现景观水的净化及水质维护,植物与微生物的联合净化是去除污染物的有效途径.

图2 对 NH+4-N的去除Fig.2 Removal of NH+4-N

图3为水体运行过程中 TP的净化过程.可以看出,各样点 TP初始浓度值均低于 0.05 mg/L,而至 8月中旬,呈显著上升趋势.此过程中,瀑布角水的 TP浓度略高于水面落点,湿地 TP浓度则显著低于前两点.主要原因如下:①角水的磷浓度源于沉积物的释放,并且不参与局部水循环,使污染物得不到净化和稀释;②进入湿地区后,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浓度低于其他两样点.8月中旬后,水面落点及角水 TP浓度不再显著上升,湿地区 TP浓度下降,这是由于沉积物与上覆水间污染物浓度释放达到平衡,植物根系系统成熟,吸收能力较强,因此经局部循环净化,TP浓度得到控制.

图3 对 TP的去除Fig.3 Removal of TP

图4和图5分别为水面样点和湿地区内 TN和TP的去除效果.可以看出,经过瀑布跌水后,TN,TP浓度降低,但去除率较小,其中 TN去除率为3.4%～10.4%,TP去除率为 0.5%～25.0%;进入湿地区后,TN和 TP的去除率大幅增加,其中 TN去除率为 24.6%～44.2%,TP去除率最大增加到71.0%.因此,N,P的去除单纯依靠氧的补充难以达到很好的效果,在湿地区内,植物和微生物的联合作用可在短时间内提高去除率,而跌水充氧环节所补充的氧在这一过程中具有很好的促进作用.

图4 TN去除率Fig.4 TN rem oval rate

图5 TP去除率Fig.5 TP removal rate

2.2 C/N,N/P值的变化情况

C/N值的变化情况是系统内生物氮转化的主要指标.图6为各样点 C/N值变化过程,C/N值由初始时的 6～7升高到 12～16.水体中 NH4+-N浓度虽不断升高,但由于系统厌氧环境的存在,反硝化作用降低了 TN的浓度.当 C/N值为 6～7时,表现为有机碳源的缺乏,此时反硝化速率降低,TN去除缓慢.7月后,C/N值升高,有机碳源充足,反硝化反应顺利进行,表现出较好的 TN去除率.当 C/N值达到16时,反硝化反应仅受 NO3--N浓度的影响.3个样点相比,湿地样点 C/N值始终较高.湿地植物能够很好地吸收氮素,且好氧与厌氧环境的交替促进了微生物对氮素的转化,是 C/N值升高的主要原因.

图6 各样点 C/N值变化Fig.6 Change of C/N in each site

图7为各样点N/P值的变化过程.N/P值由初始的 30～31下降到 3左右.湿地区域 TP浓度的显著降低使其在 10月又上升至 9.湿地区 N/P值始终高于水面落点和瀑布角水,虽然此过程中各点 TN,TP浓度均在降低,但湿地区域 TP值下降较快.N/P值在 8～25之间只能持续很短时间,因为此区间与藻类增殖显著相关,藻类的生长繁殖将很快打破这种平衡.8月后,N/P值保持在 3左右,氮成为浮游生物的生长限制因子[10].

图7 各样点 N/P值变化Fig.7 Change of N/P in each site

2.3 对水体酸碱度的调节

图8为各样点 pH值的变化过程.可以看出,水体 pH值先逐渐升高,后逐渐降低.5月起,随着温度升高,水体底泥向上覆水释放营养物量增加,NH4+-N等碱性离子浓度的升高导致水体 pH值增大,并在 8月初达到最大,此时藻类密度最大.而在瀑布水面落点,pH最大值出现在 7月初,之后开始降低.由于跌水曝气给水体提供了充足的溶解氧,抑制了水中藻类的光合作用,导致 pH值下降.流经湿地区时水体的 pH值保持最低,并于 7月初逐渐下降.这是由于植物与湿地生态系统中大量微生物的协同调节作用,使水体保持适应生物生存的酸碱度.大量植物吸收了大量氨、氮,遏制了藻类的生长,从而抑制水体过酸或过碱.

图8 各样点 p H值变化Fig.8 Change of p H in each site

3 结 论

(1)湿地区域植物的吸收及好氧微生物的氧化 ,使得 NH4+-N的浓度始终不高于 0.5 mg/L,TP浓度低于瀑布角水和水面落点两样点.8月中旬后,沉积物与上覆水间污染物浓度释放达到平衡,且植物根系系统成熟,吸收能力较强,TP浓度得到控制.

(2)各样点 C/N值呈上升状态,由初始时的6～7升高到 12～16.3个样点相比,湿地样点 C/N值始终保持较高水平,湿地好氧与厌氧环境的交替可有效去除系统中的氮素.N/P值由初始的 30～31下降到 3左右,水中藻类逐渐由 P限制型变为 N限制型.

(3)曝气增氧与湿地系统的联合作用可以在温度较高的情况下调节水体 pH值.进入湿地区后,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%.湿地区内植物和微生物的联合作用可在短时间内提高 TN和 TP的去除率,而跌水充氧在这一过程中具有很好的促进作用.

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(编辑: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)

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A

1007-2861(2010)05-0503-05

10.3969/j.issn.1007-2861.2010.05.011

2010-04-08

国家自然科学基金资助项目 (50809037);哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金资助项目(ES201004);国家科技支撑计划资助项目(2008BAC32B03);上海市重点学科建设资助项目(S30109);上海市优秀青年教师科研专项基金资助项目(37011107701)

刘书宇 (1979～),女,副研究员,博士,研究方向为水污染控制与生物污染防治.E-mail:liushuyu@shu.edu.cn