多级表面流人工湿地系统对农村面源污染氮磷的去除

中国环境学会  2011年 03月31日


  万金保 单位:南昌大学环境与化学工程学院、南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室

    联系电话:13755623274 地址:江西南昌市南京东路235号南昌大学鄱阳湖研究中心519室 邮编:330047
   

  摘要:建成了多级表面流人工湿地和兼性塘,对农村面源污染N和P,进行8次监测并实验研究。结果表明,湿地系统对TN、NH4+-N 、NO3--N、NO2--N、TP和可溶性总磷的去除率依次为62.9%、25.7%、58.7%、54.7%、73.5%和54.7%。进水氮磷浓度呈季节波动,但出水TN和TP基本依次低于0.80mg/L和0.05mg/L,同时因湿地系统内氮磷循环,出水总存在一定的有机氮和有机磷。TN去除率与负荷之间相关性较差(R2=0.6174),但是TP去除率与负荷之间相关性较强(R2=0.9130)。
  关键词:多级表面流人工湿地;农村面源污染;氮;磷


  Removal of nitrogen and phosphorus from Rural Non-Point Source Pollution in Multi-Surface Flow Constructed Wetland System
  Wan Jin-bao 1, Lan Xin-yi 1, Tan Ai-ping 1, 2, Liu Feng 1
  ( 1. School of environment and chemical engineering,Nanchang University,Nanchang, 330031,China ; 2. School of environment and chemical engineering,Nanchang HangKong University,Nanchang,330031,China)
  Abstract:Multi-surface flow constructed wetland and vertical wetland were constructed to study nitrogen and phosphorus from rural non-point source pollution and monitor them for 8 times. The result indicated that, the TN、NH4+-N 、NO3--N、NO2--N、TP and soluble total phosphorus removal rate in the wetland system were 62.9%、25.7%、58.7%、54.7%、73.5% and 54.7%. The inlet concentration of nitrogen and phosphorus fluctuated as the season changed. However, the TN and TP of outlet were basically less than 0.80mg/L and 0.05mg/L and because of the cycle of nitrogen and phosphorus in the wetland system, there were certain amount of organic nitrogen and organic phosphorus. Wetland possessed very poor relativity with TN removal rate and load (R2=0.6174), but relatively good with TP (R2=0.9130).
  Key words:multi-surface flow constructed wetland; rural non-point source pollution; nitrogen; phosphorus


  农村面源污染是指农村地区在农业生产和居民生活过程中产生的、未经合理处理的污染物对水体、土壤和空气及农产品造成的污染[1]。从污染源分析,农村面源污染主要包括畜牧养殖业、种植耕作业、水产养殖、农村居民生活产生的废弃物,其中以养殖、种植耕作业影响最大,包括水土流失与地表径流、化肥农药、农业秸秆、农膜等[2]。其污染物显著的特点是广域的、分散的、微量的。
  农村面源污染最主要的影响就是使水体富营养化、水质变差,从而影响到生产、生活、社会与经济的发展。研究表明[3],单农业面源污染氮污染负荷在全国流域中高达2.55×104t·a-1,占水体中氮总负荷量的50%左右。据估计[4],磷的流失也很严重,全世界每年大约有300~400t P2O5从土壤迁移到水体中。其中1998年夏季洪水期间,约有79.95×104t N和8.36×104t P从大通站向下游输送,其中溶解态无机氮(DIN)与生物有效磷( BAP)比值远高于浮游植物生长的P限制[5]。
  近年,由于农村居民生活水平和农业生产要求不断提高,生活物质和农业生产投入越来越大,使得农村面源污染造成的环境污染尤为突出。目前,人工湿地系统对农村面源污染的控制研究较少,而对中高浓度的生活废水和城市污水的研究较多。研究表明[6],湿地处理技术是控制面源污染的有效方法。
  本文从构建多级表面流人工湿地系统探讨对农村面源污染的氮磷控制,并对湿地系统氮磷进行分析研究。研究成果旨在为农村面源氮磷污染控制提供技术参考。
 

  1 材料与方法


  1.1 人工湿地系统构建
  研究区域内共8户居民,农田面积约为2公顷,鱼塘养殖面积为1392m2。农村生活污水、农业生产废水、鱼塘养殖废水、地表径流和补充水经沟渠或管道收集后进入多级表面流人工湿地,经兼性塘处理后进入小清河最后排入鄱阳湖。鄱阳湖为其污染负荷的最终受纳水体。研究区域与人工湿地系统位置如图1(图中整个范围为研究区域)。
  设计三级表面流人工湿地,并且三级表面流人工湿地的出水设置为跌水形式。在选择植物上,充分考虑景观、生态多样化和资源化的原则。湿地按级别分别种植芦苇、菖蒲和茭白。兼性塘种植沉水植物菱角,并在塘岸边种植高粱。
  经过废水收集、引水、布水、水生植物种植、人工湿地构建等一套工程措施,建成三级表面流人工湿地和兼性塘。总体工艺流程见图2,主要工艺参数见表1。
  表1 主要工艺参数
  Table 1 Main design parameters

  设计参数

一级表面流湿地

二级表面流湿地

三级表面流湿地

兼性塘

面积/m2

230

266

484

550

水力负荷/m3·m-2·d-1

0.43

0.38

0.21

0.18

 

  1.2 水量水质
  研究区域废水水量设计为100 m3/d,水质由于气候和季节具有一定的波动性。具体水质情况如下:TN 0.5~2.5mg/L, TP 0.03~0.2mg/L,COD 110mg/L左右;因研究区域养鱼废水和农业生产产生废水量较大,故废水中含NH4+-N和NO3--N占TN达50%以上;另外,可溶性总磷约占总磷20%,而可溶性磷基本低于0.001mg/L。


  1.3 水质监测方法
  水样采集后立即进行实验分析,采用的分析方法如下:
  氮素分析方法:TN的测定采用过硫酸钾-紫外分光光度法;NH4+-N的测定采用纳氏试剂比色法;NO2--N的测定采用分光光度法;NO3--N的测定采用酚二磺酸分光光度法。磷素分析方法:TP和可溶性总磷的测定采用钼酸铵分光光度法。


  2结果与分析


  工程于2009年5月竣工并调试运行,分别对氮磷素进行监测分析。氮素监测共8次依次为2009年7月20日、8月1日、8月13日、9月15日、9月22日、10月16日、10月31日、11月21日;磷素也监测8次依次为2009年6月14日、7月4日、7月20日、8月1日、8月13日、8月28日、9月22日、10月16日(图3、图4、图5和图6中监测次数依次与监测日期对应)。


  2.1 氮磷去除率
  多级表面流人工湿地系统污染物去除率见表2。研究表明[7],人工湿地对氮的去除率差异比较大,范围为在13%~98%;人工湿地对磷的范围为在20%~90%。本系统NH4+-N去除率为25.7%,其他氮素去除率约为50%,去除率适中;本系统TP去除率为73.5%,去除率较好,而可溶性总磷去除率为54.7%,去除率适中。
  表2 多级表面流人工湿地系统氮磷污染物去除率(%)
  Table 2 Nitrogen and phosphorus pollutants reduction rate in the multi-surface flow constructed wetland system (%)

  项目

TN

NH4+-N

NO3--N

NO2--N

TP

可溶性总磷

去除率

62.9

25.7

58.7

54.7

73.5

54.7

标准差

2.3

1.5

2.7

1.6

5.2

1.6

 

  2.2 进水氮磷分布
  一般,人工湿地污水中的氮污染物主要是有机氮、NH4+-N 、NO3--N、NO2--N四种。从图3知,系统进水无机氮(主要为NH4+-N 和NO3--N)约占TN 50%,NO2--N浓度最小(范围0.008~0.056mg/L)。在7月、8月和11月氮浓度高于9月和10月。系统进水主要是养鱼废水和农业生产废水,鱼群新陈代谢和水稻种植产生间歇性废水在7月和8月较9月和10月更强更多。在8月13日可能因稻田晒水而无农业生产废水,故氮浓度较低。在11月下旬,可能因翻耕种植油菜而产生大量农业生产废水。
  由图4知,系统进水可溶性磷约占TP 20%,并可溶性磷基本低于0.001mg/L,故大部分的磷为有机磷。在8月下旬、9月和10月可能因新建鱼塘底泥释放磷量大,故此时段监测磷浓度较其他时段高。
  系统进水虽TN和TP呈季节性波动,但是出水浓度仍保持相对稳定,基本上分别低于0.80mg/L和0.05mg/L,表明该人工湿地系统具有一定的抗冲击负荷能力。
 

  2.3 人工湿地系统氮磷的释放
  整个实验时间段内,由图5知,系统出水NH4+-N 、NO3--N和有机氮共各约占TN 50%。同理,由图6知,系统出水可溶性磷和可溶性总磷约占20%。这说明出水氮磷主要以有机氮和有机磷为主。结合图3和图4,TN在8月和10月出水比进水浓度高0.2~0.4mg/L,TP在8月13日出水比进水高0.023mg/L。说明人工湿地系统主要存在有机氮和有机磷的释放。
  多级表面流人工湿地系统分为四级,依次为芦苇床、菖蒲床、茭白床和菱角兼性塘。床体中的植物根系、浮游植物以及地上面的植物枯枝败叶,经腐烂后释放出一定的有机氮和有机磷进入水体。另一方面,部分有机磷由磷的内循环提供,来自湿地系统前期被微生物吸收的正磷酸盐,而后又以有机磷的形态释放至系统内部[8]。这验证了Kadlec等[9]研究的结论,无论湿地系统进水氮磷浓度低,出水总存在一定浓度的有机氮和有机磷。
 

  2.4 负荷与氮磷的去除关系
  对监测数据选取了6对数据,考察TN和TP负荷与去除率之间的关系,如图7和图8。
  由图7和图8可知,在整个试验时间段内,人工湿地系统进水TN负荷与TN去除率之间相关性不强(R2=0.6174),而系统进水TP负荷与TP去除率之间相关系数R2=0.9130,这与徐和胜等[10]研究的芦苇湿地进水TP负荷与TP去除率之间线性关系(R2>0.91)接近。说明该人工湿地系统对磷可以抵抗较高负荷。


  3 结论


  3.1人工湿地系统对TN、NH4+-N 、NO3--N、NO2--N、可溶性总磷的去除率依次为62.9%、25.7%、58.7%、54.7%、54.7%,去除效果适中;对TP去除率为73.5%,去除效果较好。
  3.2 人工湿地系统进水氮主要以NH4+-N 和NO3--N为主,约占TN 50%;进水磷主要以有机磷为主。因季节氮磷浓度呈现一定波动,但出水TN和TP基本依次低于0.80mg/L和0.05mg/L,表明湿地系统具有一定抗冲击负荷能力。
  3.3 人工湿地系统因氮磷的内循环,总存在氮磷的释放,使得出水以有机氮和有机磷为主。
  3.4人工湿地系统进水TN负荷与TN去除率之间相关性不强(R2=0.6174),而系统进水TP负荷与TP去除率之间相关系数R2=0.9130。表明该人工湿地系统对磷可抵抗较高负荷。


  参考文献:
  [1] 刘鸿渊,刘险峰,闫泓.农业面源污染研究现状及展望[J] .安徽农业科学,2008,36(19):8249-8250,8254.
  [2] SPALDINGRF, EXNERME. Occurrence of nitrate in ground water: A review [J]. Journal of Environmental Quality, 1993, 22(3): 392-402.
  [3] 范成新,季江,陈荷生.太湖富营养化现状、趋势及综合整治对策[J] .上海环境科学,1997,16(8):8-11,21.
  [4] Heckrath G, Brookes P C, Pollution P R, et al. Phosphorus leaching from soils containing different phosphorus concentrations in the Broadbalk Experiment [J]. Journal of Environmental Quality, 1995, 24: 904-910.
  [5] 苑韶峰,吕军,俞劲炎.氮、磷的农业非点源污染防治方法[J] .水土保持学报,2004,18(4):122-125.
  [6] KAO M, WU M J. Control of non-point source pollution by a nature wetland [J]. Wat. Res., 1999, 20(3): 47-54.
  [7] Bastian R K, Hammer D A. The use of constructed wet-lands for wastewater treatment and recycling[C]// Moshiri G A. ed. Constructed wetlands for water quality improvement. Boca Raton:Lewis Publishers, 1993:59-68.
  [8] 付融冰,杨海真,顾国维等.潜流水平湿地对农业灌溉径流氮磷的去除[J] .中国环境科学,2005,25(6):669~673.
  [9] Kadlec R H, Knight R L. Treatment wetlands [M].Boca Raton, FL: Lewis Publishers, 1996.5-20.
  [10] 徐和胜,付融冰,褚衍洋.芦苇人工湿地对农村生活污水磷素的去除及途径[J] .生态环境,2007,16(5):1372-1375.


  基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目(2007BAB23C02)
  第一作者简介:万金保(1952-),男,江西南昌人,教授,博士生导师,学位大学,主要从事水污染控制与水资源保护研究。联系方式:wwwlxy2004@163.com。

 
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