水生植物缓冲带对洱海流域低污染水中氮的净化效果

2019-05-18斌1明1卢少勇黄季超

玉溪师范学院学报 2019年6期

赵斌1,李明1,卢少勇①,黄季超

(1.玉溪师范学院,云南玉溪 653100；2.中国环境科学研究院,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世纪90年代以来,湖泊水质呈下降趋势.在洱海入湖地表径流中,部分水质受到一定污染,但主要水质指标又优于城镇污水处理厂污染物排放标准,无法排入污水处理厂进行处理,但相对于湖泊水体来讲,仍然为污染源,不经处理直接入湖又不能满足湖泊水质保护的要求,这部分总氮浓度(ρ(TN))、总磷浓度(ρ(TP))、CODCr浓度(ρ(CODCr))相对较低的入湖水称为“低污染水”[1].

据白献宇等[2]的研究,目前洱海流域低污染水主要来源于污水处理厂处理尾水、城镇面源、农田径流排水(含村落地表径流)3种主要类型,低污染水产生量为20 069 × 104 m3/a,TN负荷量为1 393 t/a,TP负荷量为77 t/a.关于入湖低污染水的研究,主要集中在低污染水治理技术，其中包括湖泊缓冲带技术、人工湿地技术、近自然湿地技术、生态廊道修复技术等.

湖泊缓冲带就是保护湖泊的隔离生境,是缓解或减轻湖泊水生态系统受到流域内各种人类活动或自然过程的破坏、干扰和污染的空间[3,4].国外研究主要集中在缓冲带对污染物的阻控作用等方面[5,6].我国在太湖、洱海、抚仙湖等流域都开展了缓冲带的生态修复和治理方面的研究[7].洱海缓冲带内的草地、林地、河流、湿地生态系统等对洱海流域产生的低污染水具有一定的截留、吸附、吸收、净化作用.研究结果表明,洱海流域低污染水各项指标ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH3-N)范围依次为2.3～6.3 mg/L、0.25～0.75 mg/L和0.6～4.5 mg/L[8].

本文通过构建荇菜、芦苇水生植物缓冲条带,开展水生植物缓冲带控制洱海流域低污染水氮污染的现场试验研究,处理洱海流域模拟低污染水,旨在摸清水生植物缓冲带处理洱海低污染水中氮的实际能力,为水生植物缓冲带控制低污染水技术在国内的研究和应用提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验场地

研究选择的场址位于洱海西岸大理镇中和溪南岸(25°42′16″N、100°10′19″E)，距离洱海约3 km.

1.2 试验条带设计

为研究水生植物对洱海流域低污染水的净化效果,选取两种洱海流域内常见的水生植物荇菜(浮叶植物)、芦苇(挺水植物)为研究对象,构建两条水生植物缓冲带,不种植物的试验条带做为空白对照.每条缓冲带长10 m,宽1 m,深1 m,分为5格,每格末端中部设置一个表层水样采样点,分别采集缓冲条带内2 m、4 m、6 m、8 m、10 m水样.供试三条条带底部铺20 cm厚混合均匀的当地红壤,各条带内有效水深70 cm,超高10 cm,荇菜和芦苇的种植密度为20株/m2.试验条带采用砖砌结构、水泥砂浆抹面防渗.每条供试条带采用蠕动泵从配水池抽水至条带前端进水,进水量为350 L/min,HRT为14 d,试验条带内水流方式为波形流，工艺流程见图1.

图1 水生植物缓冲带工艺流程

1.3 供试水样

参照陈书琴等[8]调查的洱海流域低污染水氮磷浓度,采用硫酸氨、硝酸钠、磷酸氢二钠在试验用配水池中配水.

1.4 试验方法

2015年6月试验条件建设完成,在稳定一个月后,将3条试验条带内五格水质调节成与配水池中进水水质浓度相当,从2015年7月1日开始进水采样,平均每周采集水样1次,至2015年10月31日结束,共采集水样19次,试验期间现场测定水样水温范围为16.8～24.7℃.

2 结果与讨论

2.1 水生植物缓冲带对低污染水中氮的去除影响效果

在水生植物缓冲带试验周期内,进水TN浓度平均值为5.504 mg/L,荇菜条带总氮平均去除率为74.2%,高于芦苇条带的72.3%和空白条带的67.3%,试验结果表明种植水生植物条带对洱海流域低污染水中氮的去除效果较好,且荇菜高于芦苇,在同等试验条件下可能与芦苇存在更高的氮释放潜力有关[10].对于硝态氮而言,荇菜和芦苇条带出水硝态氮的去除率分别为80.38%和82.12,均高于空白条带硝态氮的去除率(76.06%),表现出水生植物的生长对缓冲带内低污染水硝态氮的去除有更好的效果.试验周期内，荇菜、芦苇和空白对氨态氮的去除率分别为87.5%、89.34%和89.37%,水生植物生长对低污染水氨态氮的去除效果没有明显提高作用,但水生植物缓冲带对氨态氮的去除效果较显著,3条带的去除率均高于80%.试验表明,水生植物缓冲带对低污染水无机氮(氨态氮、硝态氮)的去除效果要优于总氮,可能与各条带底部铺设的土壤有机氮释放有关[11].试验用土壤有机质、总氮、总磷含量分别为43.29 g/kg、9.3 g/kg、3 006.53 mg/kg.根据相关文献研究表明,沉积物中总氮达到4 800 mg/kg、总磷达到2 000 mg/kg时,沉积物具有严重级别生态效应[12].因此,试验用土壤作为沉积物铺设于水生植物缓冲带底部，存在较高的氮、磷释放风险.

表1 不同水生植物缓冲带进出水N浓度范围及其平均值

2.2 水生植物缓冲带中氮浓度的沿程变化趋势分析

本试验条件及周期内，荇菜与芦苇条带TN、硝态氮、氨态氮均表现出随条带长度的增长,去除效果逐步增加的趋势,且在前4 m范围内对各形态氮浓度下降趋势更为显著,随着条带距离的增加,各形态氮浓度趋于平缓.该试验结果可为水生植物缓冲带确定最佳宽度提供有效的数据支持.空白条带中TN、硝态氮表现出随条带长度的增加,去除效果逐步增加的趋势,而氨态氮则表现为前4 m范围内略有升高的趋势,而随着试验条带距离的增大,空白氨态氮去除效果也显著增大,这可能与各条带中pH值的影响有一定关系.由图5可以看出,空白条带pH高于荇菜和芦苇条带,且4 m之后pH均高于9.根据已有研究结果[13,14],当水体中pH大于9时,氨态氮就能以氨气的形态从水中逸出.该试验结果也同时可验证,水生植物的种植对缓冲带内水体的酸碱度有一定缓冲效果.

图2 荇菜条带氮浓度的沿程变化趋势图3 芦苇条带氮浓度的沿程变化趋势

2.3 不同水生植物缓冲带最佳宽度的研究

本研究以洱海流域低污染水控制为目的,探索性地提出以不同水生植被类型为控制变量,根据低污染水污染物浓度降解和沿程去除率变化来确定水生植物缓冲带最佳宽度的方法,与黄沈发等[15]采用的研究方法相似.本研究利用SPSS22.0,根据水生植物缓冲带对低污染水中氮的实际处理效果,分别假定TN去除率达到70%、硝态氮去除率达到80%、氨态氮去除率达到85%时的距离为水生植物缓冲带最佳宽度.以此去除率为条件,对不同水生植物缓冲带氮形态的去除率和沿程距离进行曲线拟合,研究结果表明试验各条带氮的去除率和沿程距离呈现显著对数相关关系(见图6及表2中的R2),所得的拟合公式和水生植物缓冲带最佳宽度值见表2.

图6 水生植物缓冲带沿程去除率变化曲线

本研究各条带TN去除率达到70%时,出水中TN平均浓度为1.651 mg/L,达到《地表水环境标准》(GB3838-2002)中地表水Ⅴ类且接近Ⅳ水质水平,可满足低污染水处理要求.已有相关研究表明,缓冲带的宽度与污染物的截留效果呈正相关,但由于受土地资源的限制,缓冲带的宽度不能无限大[16].目前,洱海缓冲带面积为94 km2,仅占其流域总面积的3.66%.因此,为了在有限的土地资源条件下,达到利用水生缓冲带控制洱海低污染水的最佳效果，需要确定水生植物缓冲带的最佳宽带.根据表2中的拟合公式,计算出y为70时的x值,即为所求不同水生植物条件下缓冲带最佳宽度.计算结果显示，在本试验条件及试验周期内,TN去除率为70%时,荇菜缓冲带的最佳宽度最小,为3.07 m;芦苇缓冲带的最佳宽度次之,为3.25 m.种植水生植物的缓冲带最佳宽度均小于空白缓冲带的5.02 m,表现出水生植物的种植提高了缓冲带对低污染水中氮的去除效果.

表2 水生植物缓冲带氮去除最佳宽度

注:拟合公式中,y为氮去除率(%);x为沿程距离(m).

2.4 存在不足

本研究试验时间为4个月,在此试验周期内,种植荇菜及芦苇的水生植物缓冲带表现出对洱海流域低污染水氮较好的去除效果,试验时间较短,且试验时间为夏季和秋季,试验气候条件较好,在以后的研究中应延长试验时间,才能更好的掌握水生植物缓冲带对低污染水的处理效果.同时,本研究选用的植物种类较少,且没有深入研究荇菜及芦苇对缓冲带底质理化、生物状况的影响.本文在选取水力负荷参数时,较为单一,没有进行不同水力负荷条件下,水生植物缓冲带对洱海流域低污染水的处理效果的对比分析,该项研究内容在以后的研究中应加强.