植物净化床在双龙湖水体治理中的运行效果分析

1、植物净化床对双龙湖水体有机污染物的去除效果分析张 智，张显忠*，杨骏骅重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045摘要：通过对双龙湖A、B两座植物净化床2004年6月至2005年5月间的进出水监测数据进行分析，确定植物净化床对水体有机污染物去除效果的年际变化。结果表明，A、B两座植物净化床对CODMn、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）均有很好的去除效果，对CODMn mg·L-1 mg·L-1；NH3 mg·L-1 mg·L-1。对硝态氮（NO3-N）的去除效果较差， mg·L-1。分析CODMn、TP、NH3-N

2、、TN和NO3-N去除效果的季节变化发现，各指标的去除效果和季节变化有一定关系。最后，作者对植物净化床的运行控制提出了相关建议。关键词：植物净化床；富营养化；双龙湖；综合治理中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）04-0708-06水体富营养化是全球性环境问题，可引起藻类以及其它水生生物过量繁殖，导致水体透明度下降，溶解氧降低，造成水质恶化，严重时发生“水华”并产生藻毒素严重威胁着人类的健康1-3。氮、磷是导致缓流水体富营养化的重要元素，氨氮（NH3-N）也是我国河流主要污染物之一4。目前，利用人工湿地等生态措施处理水体污染物研究较多，它对于COD、BOD

3、5、SS和大肠杆菌等指标有很好的去除效果，但对氮、磷的去除不稳定，变化较大5-6。植物净化床是在人工湿地形式的基础上形成的，选择最佳的植物栽种方式，栽种耐有机物污水的高等植物，并在床体内部填充多孔的、有较大比表面积的介质（如沙粒、沙土、碎石等）作为基质，以改善湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，同时也为水生植物提供了载体和营养物质7-8。水生植物在人工湿地污水净化中起着十分重要的作用，废水中的氮、磷在被植物和微生物作为营养成分直接吸收的同时，可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除，最后通过植物床填料的定期更换和植物的收割使污染物最终从系统中去除9-10。本

4、研究目的在于确定植物净化床对水体中有机污染物去除效果的季节变化规律，从而为双龙湖水质保持和污染防治治理提供重要依据，也为我国湖泊治理工程的生态治理的设计和建造提供参考。1 研究地区与方法1.1 研究地区概况双龙湖是一座以城市景观为主、兼有渔业等功能的浅水型城市湖泊11。2002年对双龙湖水体五个断面监测表明，总氮、氨氮、总磷、透明度、化学需氧量、叶绿素a、pH值等指标均超过湖泊类水体标准，特别是湖湾、湖汊，呈现严重富营养化状态，极大地影响了双龙湖的城市景观，对沿湖居民的生活造成了很大影响。2003年当地政府对双龙湖实施治理，治理采取生态措施、工程措施与管理措施相结合的综合治理方案，力求改善双龙

5、湖水环境。 双龙湖植物净化床简介双龙湖所采用的植物净化床共设2级，每级宽6 m，长3560 m，深 m，沿程坡度为i1%。植物床内以直径1020 mm的碎石为基质，碎石层厚度为1400 mm，选用耐有机污染物和高营养盐浓度的风车草，将其按1216株/m2的密度（即株距25 cm左右）栽种在碎石床中。在污水入水口靠近植物床的地方设置格栅，以拦截较大的固体污染物。各级植物净化床呈折叠并联形式，并且在高程上呈梯田式逐级降低，高差为100120 mm。每级植物净化床在出水端开口，以溢流的形式排水，各级净化床的出水自流进入下一级净化床，最后一级植物床的出水经溢流直接进入湖内。植物净化床设置于水深低于45

6、 cm的库尾，共三座，总面积大约为2000 m2，对入湖水进行渗滤及生态净化，保证入湖水质。1.3 监测项目与方法图1 双龙湖植物净化床位置Fig. 1 The location of planting purify bed in Shuanglong Lake为考察植物净化床对各有机污染物去除效果的季节变化规律，分别对A、B两座植物净化床进出水水质进行取样分析，其位置如图1所示。监测指标包括：CODMn、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和硝态氮（NO3-N），各指标监测方法均采用标准方法测定12。试验于2004年6月开始到2005年5月结束，每月取样两次，整个试验周期一年，共取

7、样24次。2 结果与讨论图2 A床CODMn各季节的去除情况Fig. 2 Eliminating situation of CODMn in different seasons of bed A图3 B床CODMn各季节的去除情况Fig. 3 Eliminating situation of CODMn in different seasons of bed B2.1 各季节CODMn的去除效果各季节CODMn的去除效果随季节变化关系分别如图2、图3所示。植物净化床A和B的CODMn去除率最低分别出现在6月和7月，最高分别出现在次年5月和当年10月；出水水质最低分别出现在8月和9月，最高都出现

8、在6月。r(TP)/(mg×L-1)从图中去除率总体上看，先升高，在经历一个较为稳定的阶段后又有所下降，最后去除率又逐步上升。由于植物床进水水质波动较大，因而去除率也有所波动，但即便植物床进水水质起伏很大，两植物床进水CODMn质量 mg·L-1 mg·L-1，植物床的出水均较为稳定，两植物床出水CODMn质量 mg·L-1和 mg·L-1。两植物床对CODMn平均去除率分别达到71.4%和72.6%，说明两植物净化床对有机物的去除良好，效果稳定，且有较强的抗冲击能力。2.2 各季节TP的去除效果r(TP)/(mg×L-1)各季节TP

9、的去除效果随季节变化关系分别如图4、图5所示。图4 A床TP各季节的去除情况Fig. 4 Eliminating situation of TP in different seasons of bed A图5 B床TP各季节的去除情况Fig. 5 Eliminating situation of TP in different seasons of bed B植物净化床A的TP去除率最低出现在3月，最高出现在10月；出水水质最低出现在8月、10月和次年5月，最高出现在6月。植物净化床B的TP去除率最低出现在8月，最高出现在次年5月；出水水质最低出现在次年5月，最高出现在6月。从图中去除率来看，

10、植物净化床TP去除率受进水质量浓度影响较大，一般进水TP质量浓度越高，去除率越高。但无论进水水质如何波动，植物净化床出水TP去除效果均较为稳定，这是因为植物净化床对TP的去除主要途径是基质的截流沉淀作用。两植物床进水TP质量 mg·L-1 mg·L-1，而出水TP质量 mg·L-1 mg·L-1。两植物床对TP平均去除率分别达到83.0%和84.7%，说明两植物净化床对TP的去除良好，效果稳定，且有较强的抗冲击能力。2.3 各季节NH3-N的去除效果r(NO3-N)/(mg×L-1)图8 A床NO3-N各季节的去除情况Fig. 8 Elimin

11、ating situation of NO3-N in different seasons of bed A图9 B床NO3-N各季节的去除情况Fig. 9 Eliminating situation of NO3-N in different seasons of bed Br(NO3-N)/(mg×L-1)各季节NH3-N的去除效果随季节变化关系分别如图6、图7所示。r(NH3-N)/(mg×L-1)图6 A床NH3-N各季节的去除情况Fig. 6 Eliminating situation of NH3-N in different seasons of bed Ar

12、(NH3-N)/(mg×L-1)图7 B床NH3-N各季节的去除情况Fig. 7 Eliminating situation of NH3-N in different seasons of bed B植物净化床A和B的NH3-N去除率最低都出现在6月，最高分别出现在次年5月和当年10月；出水水质最低都出现在次年5月，最高分别出现在6月和次年2月。植物净化床对NH3-N的转化，主要通过硝化细菌的硝化作用来实现，植物的生长对NH3-N的转化也有一定的促进作用，NH3-N的去除受温度的影响较大，呈现出夏季去除效果好于冬季的情况。从图中去除率来看，植物净化床NH3-N去除率受进水质量浓度影

13、响较小。无论进水水质如何波动，植物净化床出水水质均较为稳定。两植物床进水NH3-N质量 mg·L-1 mg·L-1，出水NH3-N质量 mg·L-1 mg·L-1。两植物床对NH3-N平均去除率分别达到89.3%和90.3%，说明两植物净化床对NH3-N的去除良好，效果稳定，具有较强的抗冲击能力。2.4 各季节NO3-N的去除效果各季节NO3-N的去除效果随季节变化关系分别如图8、图9所示。植物净化床A和B的NO3-N去除率最低都出现在6月，最高都出现在10月；出水水质最低都出现在次年5月，最高分别出现在12月和次年2月。植物净化床对NO3-N的去除，主

14、要通过反硝化细菌的反硝化作用和植物的生长吸收作用实现。NO3-N的去除受多方面因素控制，主要包括硝化速度，反硝化速度和植物吸收利用情况，各因素受温度影响均较大，因此，同样呈现出夏季去除效果好于冬季。 r(TN)/(mg×L-1)图10 A床TN各季节的去除情况Fig. 10 Eliminating situation of TN in different seasons of bed Ar(TN)/(mg×L-1)图11 B床TN各季节的去除情况Fig. 11 Eliminating situation of TN in different seasons of bed B

15、由图中去除率可以看出，部分监测结果出现负NO3-N去除率，其原因在于该阶段硝化生成NO3-N的速度大于反硝化和植物吸收作用去除NO3-N的速度，导致出水NO3-N反而含量增加。此外，植物净化床对NO3-N的去除率普遍较低，原因在于植物净化床内氮素的转化增加了NO3-N的质量浓度，使得虽然通过植物净化床去除的NO3-N高于进水的NO3-N含量，但出水的NO3-N的质量浓度仍有可能高于进水NO3-N质量浓度。植物净化床对NO3-N去除率受进水水质一定影响，但植物净化床出水水质均较为稳定。两植物床进水NO3-N质量浓度最大值与最小值差异分别达到 mg·L-1和 mg·L-1，而出

16、水NO3-N质量浓度最大值与最小值差异仅分别为 mg·L-1和 mg·L-1。两植物床对NO3-N平均去除率分别为6.91%和32.47%，说明两植物净化床对NO3-N的去除效果不好，但对冲击负荷具有一定的缓冲能力。2.5 各季节TN的去除效果各季节TN的去除随季节变化关系分别如图10、图11所示。植物净化床A和B的TN去除率最低都出现在6月，最高都出现在10月；出水水质最低都出现在次年5月，最高分别出现在次年1月和2月。植物净化床对TN的去除，主要受硝化作用和反硝化作用的控制，植物的吸收作用对TN的去除有一定促进作用。由于硝化细菌和反硝化细菌活性和植物的生长受温度影响较大

17、，因而TN的去除也有一定的季节规律。从图中去除率来看，植物净化床TN去除率受进水质量浓度影响较大，通常进水TN质量浓度越高，去除率也越高。无论进水水质如何波动，植物净化床出水水质均较为稳定。两植物床进水TN质量 mg·L-1 mg·L-1，而出水TN质量 mg·L-1 mg·L-1。两植物床对TN平均去除率分别达到60.9%和65.5%，说明两植物净化床对TN的去除良好，效果稳定，具有较强的抗冲击能力。3 结论及建议通过对双龙湖植物净化床A、B一年的运行效果分析，可以得到以下结论：（1）根据植物净化床一年的运行情况，可以将植物净化床的运行分为四个时期：启

18、动期（6月运行开始至8月）、稳定期（8月至12月）、反弹期（12月至次年2月）和恢复期（次年3月至5月）。（2）A、B两座植物净化床对CODMn、TP、NH3-N和TN都有很好的去除效果，其平均去除率分别为71.41%和72.58%，83.01%和84.70%，89.28%和90.30%，60.90%和65.48%。对NO3-N的去除效果受进水水质一定影响，去除效果较差，平均去除率为6.91%和32.47%。植物净化床对各指标的去除效果和季节变化有一定关系。（3）植物净化床的运行情况良好，对有机污染物负荷去除率高，去除效果稳定，且具有较强的抵抗冲击负荷的能力，较好地高效低耗地控制了双龙湖水体的

19、富营养化，保护了双龙湖水质，也是今后水体生态修复的经济实效方法。为保证植物净化床的合理运行，对其运行控制提出如下建议：（1）定期对植物净化床中的植物进行收割清理。植物生长过程中通过根沉积可释放很多有机复合物到土壤中，由根分泌的有机碳一方面可作为微生物的碳源，另一方面也容易造成一定的积累14。根据对双龙湖植物净化床的观察，由于植物净化床中种植的风车草属多年生植物，为保证植物对污水中营养物的高效吸收，所以在每年1到2月份对植物收割一次，收割的同时对地下的部分植物根系进行清除，以保证植物净化床设计的植株密度。（2）定期对植物净化床进行停水晾晒以恢复系统活性。根据有关资料15及双龙湖植物净化床的运行情

20、况，系统每运行3到4个月停水晾晒一次，晾晒时间15 d左右，以恢复系统的渗透性能。在实际操作中，应根据实际的污水水质情况和对出水水质的要求等因素进行调节。为保证植物净化床连续稳定地处理污水（不间断进水），在进行设计时应留有余地，以便在运行期间使多个系统轮番淹水轮番晾晒。（3）重视冬季植物净化床管理。由于冬季气温偏低，微生物活性较低，与一年中其它季节相比，冬季人工湿地效果相对较差是普遍现象，可通过减少湿地注水量和增加水力停留时间来降低污染物负荷，从而提高污染物的去除效果16。（4）根据实际情况不定期的更换植物净化床中的填料。当植物净化床中填料对污染物的吸收达到饱和，污染物去除效果明显降低，且通过

21、落干晾晒的方法植物净化床活性恢复不明显时，可以在系统维护期间，对植物净化床中的填料进行置换。参考文献：1 DUY T N, LAM P K S, SHAW G R, et al. Toxicology and risk assessment of freshwater cyanobacterial (blue-green algae) toxins in water J. Reviton Contam Toxicol, 2000, 163: 113-186. 2 ARTOLA C G, PAREJA B L, GARCIA P G. Impact on hydrology and nutrie

22、nt movement of developments in river basins draining into reservoirsJ. Water Res, 1995, 29: 601-609.3 MOORE J W, SCHINDLER D E, SCHEUERELL M D, et al. Lake Eutrohication at the Urban FringeJ. Seattle Region, USA. AMBIO: A Journal D, the Human Environment, 2003, 32(1):13-18.4 朱铭捷, 胡洪营, 何苗, 等. 河道滞留塘系统

23、对污染河水中氮磷的去除特性J. 生态环境, 2006, 15(1): 11-14.ZHU Mingjie, HU Hongying, HE Miao, et al. NH3-N and TP removal performance of polluted river water with On-stream Detention Pond System J. Ecology and Environment, 2006, 15(1): 11-14. 5 宋志文, 王仁卿, 席俊秀, 等. 人工湿地对氮磷的去除效果与动态特征J. 生态学杂志, 2005, 24(6): 648-651.SONG Zh

24、iwen, WANG Renqing, XI Junxiu, et al. Nitorgen and phosphorous removal efficiency and dynamic feature of constructed wetlands for sewage treatmentJ. Chinese Journal of Ecology, 2005, 24(6): 648-651.6 MEULEMAN A F M, VAN LOGTESTIJN R, RIJS G B J, et al. Water and mass budgets of a vertical-flow const

25、ructed wetland used for wastewater treatmentJ. Ecological Engineering, 2003, 20(1): 31-44.7 白晓慧, 王宝贞, 余敏, 等. 人工湿地污水处理技术及其发展应用J. 哈尔滨建筑大学学报, 1999, 32(6): 88-92.BAI Xiaohui, WANG Baozhen, YU Min, et al. Development of constructed wetland wastewater treatment technology and its application in ChinaJ. Jo

26、urnal of Harbin University of C. E. and Architecture, 1999, 32(6): 88-92.8 梁威, 吴振斌, 詹发萃, 等. 人工湿地植物根区微生物与净化效果的季节变化J. 湖泊科学, 2004, 16(4): 12-14.LIANG Wei, WU Zhenbin, ZHAN Facui, et al. Seasonal variation of macrophytes Root-zone microorganisms and purification effect in the constructed wet system J. J

27、ournal of Lake Sciences, 2004, 16(4): 12-14.9 潘科, 杨顺生, 陈钰. 人工湿地污水处理技术在我国的发展研究J. 四川环境, 2005, 24(2): 71-75.PAN Ke, YANG Shunsheng, CHEN Yu. Advances in the research of constructed wetland wastewater treatment technology in ChinaJ. Sichuan Environment, 2005, 24(2): 71-75.10 NYAKANG'O J B, van BRUGG

28、EN J J A. Combination of a well functioning constructed wetland with a pleasing landscape design in NairobiJ. Kenya Water Science and Technology, 1999, 40(3): 249-256.11 张智, 梁健, 林艳. 双龙湖富营养化状况及其综合防治J. 重庆环境科学, 2003, 25(12): 81-87.ZHANG Zhi, LIANG Jian, LIN Yan. Eutrophications status and integrated co

29、ntrol of Shuang-long lakeJ. Chongqing Environmental Science, 2003, 25(12): 81-87.12 水和废水监测分析方法编委会. 水和废水监测分析方法M. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002: 81-190.Edit Group for Water and Wasterwater Analysis Technology. The Monitor and Analysis Methods of Water and WastewaterM. 4th ed. Beijing: China Environmental Sc

30、ience Press, 2002: 81-190. 13 CHEN N C, TONG Q X. Role of rhizosphere in environmental scienceJ. Chinese Journal of Ecology, 1994, 13(3): 45-52.14 莫凤鸾, 王平, 李淑兰, 等. 人工湿地系统的维护J. 云南环境科学, 2004, 23(增刊): 5-8.MO FENGLUAN, WANG PING, LI SULAN, et al. Maintenance of artificial wetland systemJ. Yunnan Environ

31、mental Science, 2004, 23(supplement): 5-8.15 STEVENSON F C, KNIGHT J D, WENDROTH O, et al. A comparison of two methods to predict the landscape-scale variation of crop yieldJ. Soil and Tillage Research, 2001, 58(3/4): 163-181.16 HOUSE C H, BERGMANN B A, STOMP A M, et al. Combining constructed wetlan

32、ds and aquatic and soil filters for reclamation and reuse of waterJ. Ecological Engineering, 1999, 12 (1/2): 27-38.Analysis of the efficiency of organic contamination removalby planting purify beds in Shuanglong LakeZHANG Zhi，ZHANG Xianzhong，YANG JunhuaKey Laboratory of the Three Gorges Reservoir Areas Ecology and Environment, Ministry of Education/Chongqing University, Chongqing 400045, ChinaAbstract: To evaluate pollutants removal capacity of organic contamination removal of planting purify beds, through water quality analysis of