人工湿地降解水中氮磷机理原型监测试验研究-论文

1 / 7 人工湿地降解水中氮磷机理原型监测试验研究（李瑞品 赵伟峰） 摘要人工湿地生态系统是通过物理、化学及生化反应三重协同作用净化污水。通过研究人工湿地在郑东新区龙湖水系工程中的净化作用，特别是人工湿地对 CBD 湖中营养物质氮磷的降解作用，探索人工湿地对污染物的降解机理，为今后人工湿地的设计、建造和运营提供理论参考。 关键词人工湿地氮磷降解机理试验研究 1 引言 根据“十五”目标，为加快郑州市城市化建设步伐，拉大城市框架，提升郑州市在全国的区域中心城市地位，河南省委、省政府、郑州市委、市政府于 2001 年决定开发建设郑东新区。以人工开挖的龙湖、龙子湖、 CBD 商业中心湖和与之相连的运河、城市原有河道构成覆盖郑东新区的河湖水系。根据新区水系建设规划，目前已经建成 CBD 商业中心湖，其平面形状近似为椭圆状，最大宽度 320m，最大长度约 450m，正常水深 3.50m，水域面积 0.105km2，水体 26.万 m3。为了保障该湖水质，确保水体不出现富营养化，工程建立了一系列水环 境保障措施，而人工湿地是该保障措施的关键。 根据郑东新区龙湖水系工程总体规划所确定的功能要求，按照国家地表水水质标准，确定 CBD 中心湖水体 水质达到 GB3838 200 地表水 类 水 质 标 准2 / 7 (TN1.0mg/L,TP0.05mg/L) ，确保各水域水体均不出现富营养化现象。 为了达到上述设计目标，研究人工湿地在郑东新区龙湖水系工程中的净化作用，特别是人工湿地对 CBD 湖中营养物质氮磷的降解作用，探索人工湿地对污染物的降解机理，为今后人工湿地的设计、建造和运营提供理论参考，进一步发挥人工湿地在河道治理的作用。 研究方法及内容 .1 研究方法 课题组将监测地点主要确定在郑东新区 CBD 湖第三单元的人工湿地上，试验时间持续一年。先后在人工湿地共采样次， 分别在不同的季节进行样品采集及分析测试。样品采集后按照试验标准方法进行试验，检测周期一般为 10 天。 试验在人工湿地第三单元的一、二级碎石床上进行，每级碎石床在不同的长度和深度方向设置三排、三列共个取样点。其中 311(第三单元一级碎石床一型取样孔 )型测管平均埋深 0.83m， 31型测管平均埋深 1.13m， 31型平均埋深 1.44m；321 型测管平均埋深 0.85m， 32 型测管平均埋深 1.22m， 32型测管平均埋深 1.63m，测点布置见图 1。 .研究内容 人工湿地降解水中氮磷机理试验研究课题以郑州市郑东新区 CBD 中心湖水环境生物保障工程人工湿地为研究3 / 7 对象，研究污染物在人工湿地中的降解规律以及微生物和植物在水处理中的作用等。本次主要研究内容包括： 营养物氮、磷在人工湿地中的存在形态分析； 人工湿地对水中营养物总氮、总磷的降解机理。 试验成果及数据分析 .1 营养物氮、磷在人工湿地中的存在形态 自然界氮循环是自然界中单质氮和化合态氮之间相互转换的物质循环。不同类型生态系统中氮循环主要包括生物固氮、氨化、硝化和反硝化等过程 ,不同形态氮在不同环境条件下发生形态之间的转化和介质中的迁移。已有研究表明，人工湿地对氮的去除主要 是通过湿地植物的吸收、基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发和湿地中微生物作用下硝化、反硝化共同作用来完成的。研究氮在人工湿地中的基本形态及其相互变化、人工湿地对污水中氮的去除作用对人工湿地处理系统的设计、运行具有十分重要的意义。 进入表面流人工湿地系统中的含磷化合物主要包括颗粒态磷、溶解有机磷和无机磷酸盐。磷不同于氮，不能形成氧化体或还原体，向大气释放，但具有以固体形态和溶解形态互相循环转化的性能。研究表明，人工湿地能够利用土壤、微生物、植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用实现对污水中磷元素的 去除。 .试验成果及数据分析 4 / 7 .2.1 总氮在碎石床中的降解研究 原型监测总氮测值见表 1，汇总图见图 2。从人工湿地运行时间上看，刚投入运行时水体中 TN 个别达到 7mg/L 左右，处于比较高的水平，且浓度波动较大。随着人工湿地的逐渐成熟， TN 浓度逐渐下降，最低达到 0.2mg/L，已经从 类水提高到了 类水的水平。说明人工湿地对 TN 的降解具有良好的效果，而且随着人工湿地的成熟运行，其效果越来越明显。 从季节处理效果看，冬、春季节湖水 TN 浓度相对较低，TN 沿程降解比较平稳，处理率较低；夏季进水 TN 浓度较高 ，但处理率较高，说明 TN 的降解受气温影响较大。另一方面，湖水 TN 受人类活动影响，冬季由游人和降雨带来的污染物量减少，因此进入湿地的 TN 浓度也低；夏季则反之。 从垂向分层处理效果来看，大部分监测显示碎石床最下层 TN 浓度较高，说明处理效果较差；中层和上层处理效果相差不大。 .2.总磷在碎石床中的降解研究 原型监测总磷测值见表 2，汇总见图 3。同氮在从人工湿地中的降解类似，在湿地运行初期，对 TP 的降解效果并不明显，随着湿地的成熟，降解效果有所提高。从磷的去除率来看，人工湿地对磷的去除率并不高，这与水中磷的浓 度过低也有关系。一些专家学者在实验中发现，当进水中磷的5 / 7 浓度过低时，物理、化学以及生物作用对磷的去除效果都不理想，当进水中 TP 的浓度在 0.20.mg/L 的范围内变化时，出水中的磷浓度稳定在 0.1mg/L 以下。郑东新区 CBD 湖 TP 浓度均在 0.mg/L 以下，因此降解效果也不太明显。 从垂向降解效果看，各层之间没有明显的规律，表现出降解效果的空间差异性。 结论与建议 .1 结论 郑东新区 CBD 湖人工湿地对保障湖水水质具有重要的作用，特别是防止湖水发生富营养化方面具有不可替代的效果。 人工湿地对 TN、 TP 的降解具有良好的效果，而且随着人工湿地的成熟运行，其效果越来越明显。对照地表水环境质量标准， CBD 湖水经人工湿地处理后其总氮含量能达到 类水的标准；总磷大部分时间水质可以达到 类水标准，部分时段水质为 类水。 .建议 .2.1 人工湿地本身可能存在污染物 根据监测结果分析，人工湿地运行初期进水口总氮浓度为 0.65mg/L，包括进水口附近都不超标，紧接着的位置总氮浓度却突然严重超标，超过标准倍多。从进水的质量判断，不应该是进水水质引起如此严重的超标，是不是湿地本身存6 / 7 在污染。因此做为水环境保障系统用 的人工湿地，建议建设前应该对构建材料进行挑选、清洗和处理。 .2.建议开展植物、气温对人工湿地的影响研究 从监测结果看，夏季植物生长较好，总氮总磷含量超标现象却多；冬季植物没有生长，水质反而较好。是夏季污染物多，人工湿地净化能力不足，还是植物不合适，还是湿地本身质量与温度有关。建议再专门开展此项研究。 参考文献 1高拯民等 .城市污水土地处理利用设计手册 M .XX：中国标准出版社， 1990. 2袁东海，景丽洁，高士祥，尹大强，王连生 .几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析 J .环境科学，2005， 26(1).51-55. 3吴振斌，徐光来，周培疆等 .复合垂直流人工湿地污水氮的去除效果研究 J .