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人工湿地净化富营养化景观水的效果及机理研究

黄德锋  
【摘要】: 为考察人工湿地对富营养化景观水的净化效果,筛选适用于富营养化景观水水质净化与维护的植物、基质以及湿地构型,提高人工湿地冬季净化效果及稳定性,本研究构建了不同植物、不同基质以及不同构型的人工湿地系统,对不同类型人工湿地的净化效果、影响因素以及湿地内部污染物浓度的沿程变化进行了系统研究,在此基础上对湿地植物的生长特性、氮磷吸收能力以及氮磷的吸收作用进行考察,并以复合垂直流人工湿地为例,对湿地系统中氮磷的迁移转化途径、总细菌、氨氧化菌的活性以及种群结构的空间分布进行了探讨。 不同水力停留时间下污染物的去除效果试验结果表明,采用人工湿地净化富营养化景观水,最适停留时间为2d。在最适水力停留时间下,4种类型湿地(风车草水平潜流、美人蕉水平潜流、砾石复合垂直流、沸石-页岩复合垂直流)对富营养化景观水中各类污染物均有较好的去除效果,浊度和叶绿素a的去除率分别为80.2-92.3%和92.2-98.3%;COD_(Cr)、TP、PO_4~(3+)-P去除率分别为56.6-77.4%、73.0-95.0%和66.7-94.9%:TN并口NH_4~+-N去除率分别为58.1-85.3%和31.4-79.5%。 人工湿地在不同季节对各类污染物的去除效果表现出夏季秋季春季冬季的规律。季节变化和湿地类型对氮的去除效果影响较大,湿地构型对污染物净化效果的影响大于植物类型的影响,添加沸石基质可以提高湿地冬季氮的去除效果。相对于水平潜流湿地,复合垂直流湿地对氮的去除效率高且比较稳定,更适于富营养化景观水的处理。 湿地基质硝化/反硝化强度沿程试验结果表明,由水平潜流湿地表层到底层,复合流湿地下行池到上行池,硝化强度逐渐降低,4种类型湿地反硝化强度差别不大。复合垂直流湿地硝化强度优于水平潜流湿地,风车草水平潜流湿地优于美人蕉潜流湿地,与氮的去除效果一致。 在4种类型湿地中,pH值、DO以及污染物浓度沿程逐渐降低,污染物主要在湿地前端被去除。水平潜流和复合流湿地对各类污染物的去除作用首先表现为湿地前端(下行池)对悬浮态物质的过滤、截留作用,然后才表现出植物的吸收和微生物的矿化分解作用,在湿地后端(上行池),由于DO浓度低、碳源不足和接受前端污染物的溶解释放等原因,污染物去除效率不高。 植物在湿地基质中的生长过程可分为适应期、快速增长期、相对稳定期和枯萎衰亡期几个生长阶段。相对于美人蕉,风车草生长周期长,植物地上部分生物量大(2.438kg DW/m~2),氮磷吸收量高(分别为36.49g/m~2和5.73g/m~2),更适于作为净化富营养化景观水的湿地植物。 不同植物、在不同类型湿地中的同种植物的氮磷含量以及吸收量不同。水平潜流湿地植物的TN含量、TN吸收量高于复合流湿地,TP含量、TP吸收量没有明显差异。风车草植物的TN、TP含量以及吸收量高于美人蕉。在风车草和美人蕉两种植物不同器官中,TN、TP含量均遵循叶茎的规律,不同植物器官含氮量差异较大。 4种类型湿地植物的植株高度、植株数目、生物量、茎叶氮磷吸收量均表现出沿水流方向逐渐递减的规律。水平潜流湿地前1/2段植物地上部分生物量、氮磷含量以及氮磷吸收量明显高于后1/2段,复合流湿地下行池高于上行池。 风车草水平潜流湿地、美人蕉水平潜流湿地、砾石复合垂直流湿地和沸石-页岩复合垂直流湿地4种类型湿地中,植物吸收氮量分别占湿地氮的总去除量的33.64%、16.49%、16.40%和16.37%,植物吸收磷量分别占湿地磷的总去除量的48.74%、29.05%、32.51%和37.60%。采用人工湿地净化污染物浓度较低的富营养化景观水,植物对氮磷的吸收作用是湿地脱氮除磷的重要形式。 植物枯萎前后的对比试验结果表明,风车草和美人蕉两种景观植物枯萎后,组织氮磷含量明显降低。采用湿地处理富营养化景观水,如果以去除湿地中的营养物质为目的,建议在11月初收割美人蕉,1月初收割风车草,可以移除湿地系统的部分营养物质,延长湿地使用寿命。 沸石-页岩复合流湿地下行池表层沸石基质氨氮吸附量低于中层和底层,上行池页岩基质氨氮吸附量总体较小,从上行池底层到表层无明显变化。在沸石和页岩两种基质吸附的不同形态的磷中,Ca-P所占比例最高,在基质除磷中占据主要作用,其次是Al-P和Fe-P。基质成分对基质吸附磷的存在形态影响较大,两者之间存在明显的相关性。不同位置磷的浓度、pH值、氧化还原电位等环境条件影响湿地中磷的分布形态,从下行池到上行池,Ca-P、Fe-P、Al-P和蔽蓄态磷的含量表现出不同程度的变化。 沸石-页岩复合流湿地植物地上部分吸收氮量占湿地总氮去除量的16.37%,基质吸附占29.07%,硝化反硝化占54.56%,微生物的硝化反硝化是湿地脱氮的主要途径,基质吸附和植物吸收作用也是湿地脱氮的重要形式。基质吸附磷占总磷去除量的56.57%,是湿地除磷的主要途径,植物地上部分吸收磷量占37.60%,在湿地除磷的过程中也起到重要作用。 沸石-页岩复合流湿地下行池表层微生物生物量最高,为4.06nmol P/g基质,由下行池至上行池,微生物生物量逐渐递减。下行池表层微生物呼吸作用强度和脱氢酶活性均最高,分别为0.43mgCO_2/(g基质·d)和24.21μg TF/(g基质·16h)),均表现出沿程逐渐降低至上行池表层又略有升高的规律。 复合流湿地沿程基质生物膜微生物的PCR-DGGE试验结果表明,复合流湿地下行池微生物种群多样性较高,但相似性较低。下行池表层氨氧化菌活性最高,为0.79mg·(kg·h)~(-1),从下行池表层到上行池底层,氨氧化菌活性逐渐下降,至上行池表层略有增强。下行池氨氧化菌多样性高于上行池,湿地植物根系供氧、残体累积以及根际效应等作用,在一定程度上提高了湿地表层总细菌和氨氧化菌种群多样性。在处理低浓度富营养化景观水的复合垂直流人工湿地中,多数氨氧化菌为寡营养类微生物,Nitrosomonas sp.为优势菌种,在氨氮氧化过程中起着主导作用。沿水流方向,又有Uncultured beta proteobacterium,Comamonas sp.以及Nitrosomonas oligotropha等菌种出现。复合流湿地中氨氧化菌种群空间变化,是不同的湿地环境对氨氧化菌种属长期选择的结果。


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