环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (8): 1271-1277  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.49

引用本文  

周恩慧, 侯泽英, 冯可心, 等. 硝酸盐氮对海菜花湿地处理低污染水的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(8): 1271-1277.
ZHOU Enhui, HOU Zeying, FENG Kexin, et al. Effects of Nitrate Concentration on the Running Characteristics of Ottelia acuminate Wetlands Treating Low-Level Contaminated Water[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(8): 1271-1277.

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07105-002)

责任作者

储昭升(1973-), 男, 安徽安庆人, 研究员, 博士, 主要从事湖泊富营养化研究, chuzs@craes.org.cn

作者简介

周恩慧(1990-), 男, 山西大同人, zhou_enhui@163.com

文章历史

收稿日期:2017-03-03
修订日期:2017-04-19
硝酸盐氮对海菜花湿地处理低污染水的影响
周恩慧1,2 , 侯泽英2 , 冯可心2 , 储昭升2 , 杨永哲1     
1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055;
2. 中国环境科学研究院, 国家环境保护湖泊污染控制重点实验室, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100012
摘要:为研究不同进水ρ(NO3--N)下海菜花湿地对氮磷的去除效果及海菜花的生长情况和经济效益,在进水ρ(NH4+-N)和ρ(TP)分别为(1.07±0.11)和(0.41±0.03)mg/L,水力负荷为0.05 m3/(m2·d)的条件下,构建了进水ρ(NO3--N)依次为(1.52±0.48)(5.62±0.41)和(9.78±0.24)mg/L的三组湿地.结果表明:① 进水ρ(NO3--N)为(1.52±0.48)(5.62±0.41)和(9.78±0.24)mg/L时,湿地运行稳定所需时间分别为15、55和69 d,ρ(NO3--N)越高,湿地运行稳定所需的时间越长;运行稳定后三组湿地出水ρ(NO3--N)分别为(0.24±0.03)(0.30±0.01)和(0.65±0.14)mg/L,NO3--N去除率均达85%以上.② 湿地运行50 d后出水ρ(TP)均高于进水,后续试验应对基质进行改良.③ 进水ρ(NO3--N)为(9.78±0.24)mg/L的湿地中海菜花叶片叶绿素及茎的收获量均明显低于其余两组湿地,较高的ρ(NO3--N)对海菜花生长有明显的抑制作用.④ 进水ρ(NO3--N)为(5.62±0.41)mg/L的湿地经济效益最大,为6.2×104元/(hm2·a).研究显示,ρ(NO3--N)低于10 mg/L时,海菜花湿地能有效去除低污染水中的NO3--N;当ρ(NO3--N)为5 mg/L左右时,湿地有较好的经济价值.
关键词硝酸盐氮    低污染水    海菜花    人工湿地    
Effects of Nitrate Concentration on the Running Characteristics of Ottelia acuminate Wetlands Treating Low-Level Contaminated Water
ZHOU Enhui1,2 , HOU Zeying2 , FENG Kexin2 , CHU Zhaosheng2 , YANG Yongzhe1     
1. School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China;
2. State Environment Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: To study the influence of nitrate on the nitrogen and phosphorus removal and Ottelia acuminate growth and its benefits, three O. acuminate wetlands were built for different influent nitrate concentrations (ρ(NO3--N)) of (1.52±0.48) (5.62±0.41) and (9.78±0.24) mg/L. All wetland influent ammonia concentration (ρ (NH4+-N)), total phosphorus concentration (ρ(TP)) and hydraulic load were (1.07±0.11) mg/L, (0.41±0.03) mg/L and 0.05 m3/(m2·d). The results showed:(1) when the influent ρ(NO3--N) was (1.52±0.48) (5.62±0.41) and (9.78±0.24) mg/L, the times needed for the wetlands to reach stable state were 15, 55 and 69 days respectively, and the higher the influent ρ(NO3--N), the longer the time needed. The corresponding effluent ρ(NO3--N) was (0.24±0.03) (0.30±0.01) and (0.65±0.14) mg/L, and the nitrate removal rates were all above 85% at stable state. (2) After 50 days' operation, the effluent ρ(TP) was higher than influent ρ(TP) for all experimental wetlands, and the wetland substrate should be improved in future study. (3) The Ottelia leaf chlorophyll and Ottelia stem harvested at (9.78±0.24) mg/L influent ρ(NO3--N) were significantly lower than those at (1.52±0.48) and (5.62±0.41) mg/L influent ρ(NO3--N), which indicated that high nitrate concentration had obvious inhibitory effect on Ottelia growth. 4) The highest economic benefit (6.2×104 RMB/(hm2·a)) was obtained at (5.62±0.41) mg/L influent ρ(NO3--N) condition. NO3--N could be removed effectively from the low-level contaminated water when the influent ρ(NO3--N) was lower than 10.00 mg/L, and better economic benefit could be obtained when the influent ρ(NO3--N) was about 5.00 mg/L.
Keywords: nitrate concentration    low-level contaminated water    Ottelia acuminate    constructed wetland    

低污染水指水体水质受到一定污染,其水质指标优于城镇污水处理厂污染物排放标准,但相对湖泊仍为污染源的一类水,主要包括污水处理厂处理尾水、城镇地表径流及农田径流等.低污染水的治理是我国湖泊环境治理的重要组成部分[1],因其污染物浓度较低,水质不稳定,水量波动大等特点[2],传统污水处理工艺无法对其进行处理.

人工湿地由于对污染物去除效果良好、运行稳定以及良好的生态景观效益等优点在低污染水处理中受到广泛关注[3-8].植物是人工湿地的重要组成部分,可直接吸收污水中溶解性氮磷,达到对污水的净化效果,同时植物根际效应可为微生物生长创造良好的生存环境,有利于促进湿地微生物对污染物的生物降解[9-11].低污染水中营养盐含量少,易导致植物不能正常生长,因此在处理低污染水过程中对植物的选取更为关键.

海菜花(Ottelia acuminata)属水鳖科沉水植物,是云贵高原特有的国家Ⅱ级保护濒危物种[12],其对水体营养盐含量要求低[13],可有效改善水下光照和溶解氧条件[14].此外,海菜花还具有良好的食用、药用及观赏价值[15],若将海菜花用于湿地不仅可以净化水质,还会有很好的景观和经济价值.

目前关于海菜花在湿地技术中的应用已有部分研究. CHEN等[16]研究了海菜花作为湿地植物处理4种污水时对氮磷的吸收效果;储昭升等[17]对海菜花-螺狮湿地处理农田低污染水进行了小试研究.低污染水中NO3--N占比较高,目前关于海菜花湿地中试单元及低污染水中不同ρ(NO3--N)对湿地海菜花的影响还尚未研究.该试验建设中试规模的海菜花表流湿地单元,考察不同进水ρ(NO3--N)下海菜花湿地对氮磷的去除效果,同时观测NO3--N对海菜花生长的影响,为海菜花湿地处理低污染水实际应用提供数据支持和理论基础.

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验在云南省大理市才村进行,历时69 d.共设3组三级海菜花表流湿地,每组湿地各级长、宽及高分别为2.0、1.5和1.35 m,有效水深为90 cm(见图 1),湿地有效容积为8.1 m3.湿地基质采用大理当地农田冲击性稻田土,铺设在湿地底部,厚度为25 cm.选择长势个体大小相近、叶片完整,株高在55~60 cm之间的海菜花进行种植,种植密度为10株/m2.

注:图中数值单位为mm. 图 1 海菜花湿地单元示意 Figure 1 Schematic diagram of the Ottelia wetlands

试验用水以自来水配置,采用(NH4)2SO4、NaH2PO3和NaNO3调节营养盐含量. 3组湿地进水ρ(NH4+-N)为(1.07±0.11) mg/L,ρ(TP)为(0.41±0.03) mg/L,ρ(NO3--N)依次为(1.52±0.48)(5.62±0.41) 和(9.78±0.24) mg/L.湿地以进水ρ(NO3--N)从低到高依次编号为1#、2#和3#,1#湿地第一至第三级分别编号为1-1、1-2和1-3,2#和3#湿地第一至第三级编号分别为2-1、2-2、2-3和3-1、3-2、3-3.试验设计水力负荷为0.05 m3/(m2 ·d),HRT(水力停留时间)为20 d,处理规模为0.41 m3/d.

三组湿地注满自来水对海菜花预培养3周,随后用潜水泵分别泵入相应设计浓度的配水至1#~3#海菜花湿地,待湿地被进水穿透后改用蠕动泵连续进水,试验开始正式运行.正式运行后,每隔5~7 d采样一次,分别测定ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ(TN)及ρ(TP);植物样两周采集一次,每级湿地随机采6片海菜花叶,测量株高、叶片长宽及湿质量、叶片叶绿素和叶表面叶绿素,同时收割花茎用于估算湿地经济效益.

1.2 检测及分析方法

ρ(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定,ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法测定,ρ(TP)均采用钼锑抗分光光度法测定,植物叶片采集后准确切取10 cm2后用500 mL蒸馏水冲洗叶表面,按文献[18]的方法测定表面叶绿素.叶片叶绿素用体积比为2 :1的丙酮与乙醇提取液提取测定[19].

试验数据采用Excel 2010和Origin 7.5进行分析与作图,数据差异性采用单因素方差分析法.

2 结果分析 2.1 ρ(NO3--N)对海菜花湿地NO3--N去除效果的影响

图 2可见,1#和2#湿地分别运行15和55 d后出水达到稳定状态,稳定阶段出水ρ(NO3--N)分别为(0.24±0.03) 和(0.30±0.01) mg/L,NO3--N去除率分别为87.26%±1.91%和94.98%±0.43%. 3#湿地出水ρ(NO3--N)在运行期间持续降低,第69天时出水ρ(NO3--N)为0.55 mg/L,NO3--N去除率为94.48%,并且从趋势上分析湿地基本达稳定运行状态,以上结果表明湿地运行稳定时间随着ρ(NO3--N)升高明显延长.

图 2 海菜花湿地进出水ρ(NO3--N)及NO3--N去除率 Figure 2 The influent and effluent ρ(NO3--N) and removal efficiency of the Ottelia Wetlands

稳定运行后三组湿地第一级NO3--N去除率分别为85.76%、78.78%和82.84%,表明海菜花湿地在该条件下NO3--N的去除主要发生在第一级,随ρ(NO3--N)的增加,第一级出水和最终出水的ρ(NO3--N)差异增大,表明湿地第二级和第三级的去除效果逐渐增强.

2.2 海菜花湿地对NH4+-N和TP的去除效果

3组湿地在运行10 d后出水ρ(NH4+-N)均达到稳定状态,稳定阶段出水ρ(NH4+-N)分别为(0.30±0.09)(0.36±0.11) 和(0.46±0.18) mg/L,NH4+-N去除率分别为72.08%±9.29%、65.98%±14.57%和54.3%±16.93%.经检验,1#和2#湿地出水ρ(NH4+-N)无显著差异(P>0.05),3#湿地出水ρ(NH4+-N)显著高于1#湿地(P<0.05),但与2#出水没有显著差异(P>0.05).

试验期间,各湿地出水ρ(TP)均表现出先降低后升高的趋势,1#和2#湿地在运行15 d后达到最低值,最低浓度分别为0.26和0.22 mg/L;3#湿地ρ(TP)在运行22 d后降至最低(0.12 mg/L). 1#和2#湿地在运行50 d后出水ρ(TP)高于进水,3#湿地在运行62 d后ρ(TP)出水(0.58 mg/L)高于进水(0.41 mg/L).

2.3 海菜花生长情况及经济效益 2.3.1 叶长、叶宽、叶片湿质量及茎收获量

随试验的进行,1#~3#湿地各级的海菜花均有一定的生长(见图 4).其中,1#和2#湿地中海菜花株高、叶长、叶宽及叶片湿质量均没有显著性差异(P>0.05),而1#和3#湿地中海菜花在株高、叶长、叶宽及叶片湿质量有显著性差异(P<0.05).

生长时间/d:1—1;2—10;3—20;4—34;5—48;6—62.注:运行至62 d时3-3未采植物样,下同. 图 4 不同湿地海菜花株高、叶长、叶宽及叶片湿质量的变化 Figure 4 Variation of Ottelia height and leaf length, width and wet weight in different Ottelia wetlands

对海菜花茎长及茎的个数统计发现,3个湿地中海菜花茎长没有明显区别,这是由于海菜花茎生长与水深有明显的关系[20],而各湿地中有效水深相同.试验期间茎收获量从多到少依次为2#>1#>3#,并且后4次采样中3#湿地海菜花茎没有生长,表明进水ρ(NO3--N)为(5.62±0.41) mg/L时,对海菜花茎的生长有一定促进作用;而进水ρ(NO3--N)为(9.78± 0.24) mg/L时会对海菜花茎的生长产生明显的抑制作用.

2.3.2 叶片叶绿素及叶片附生藻量

1#~3#湿地海菜花w(叶片叶绿素)分别为(8.1×102±1.4×102)(7.1×102±1.6×102)和(4.4×102±1.7×102)μg/g.从图 5可见,在整个试验期间1#~3#湿地海菜花w(叶片叶绿素)呈波动状态,3#湿地海菜花w(叶片叶绿素)明显低于1#和2#湿地.单因素方差分析表明,在运行期间,1#和2#湿地海菜花w(叶片叶绿素)显著高于3#湿地(P<0.05);1#湿地除第一级海菜花w(叶片叶绿素)显著高于2#湿地第一级外(P<0.05),其余两级没有明显差异(P>0.05),导致这一结果是由于2#湿地进水ρ(NO3--N)较高,经第一级处理后ρ(NO3--N)明显下降,后两级与1#湿地差别不大.上述结果表明ρ(NO3--N)的升高对海菜花叶片的生长有一定的影响作用.

生长时间/d:1—1;2—10;3—20;4—34;5—48;6—62. 图 5 湿地海菜花w(叶片叶绿素)变化 Figure 5 Variation of Ottelia leaf chlorophyll in different wetlands

叶片附着藻量以w(叶表面叶绿素)为判断依据,1#~3#湿地海菜花w(叶表面叶绿素)分别为(0.09±0.06)(0.06±0.03) 和(0.86±0.85)μg/cm2,1#和2#湿地各级海菜花w(叶表面叶绿素)明显低于3#(见图 6),表明ρ(NO3--N)为(9.78±0.24) mg/L时会明显促进藻类的生长.

生长时间/d:1—1;2—10;3—20;4—34;5—48;6—62. 图 6 湿地海菜花w(叶表面叶绿素)变化 Figure 6 Variation of Ottelia leaf surface chlorophyll in different wetlands
2.3.3 经济效益分析

海菜花常年开花,其主要经济价值是茎的收获,由于冬季温度低影响海菜花收获量,因此在估算海菜花经济价值时以8个月计算[17].试验期间不同ρ(NO3--N)对海菜花生长及茎的收获量有明显影响.经计算,1#湿地海菜花茎收获总量为7.8×103 kg/(hm2 ·a),低于2#湿地收获的10.3×103 kg/(hm2 ·a),远高于3#湿地收获的1.0×103 kg/(hm2 ·a).根据当地市场海菜花价格6元/kg估算,1#~3#湿地收益分别为(4.7×104)(6.2×104)和(0.6×104)元/hm2 ·a).

3 讨论

海菜花在20世纪80年代后期就已从洱海中消失[21],导致这一结果的主要原因可能是洱海中植物种类多,竞争激烈,洱海水质变化时苦草及眼子菜等水生植物表现出更强的竞争性和适应性.海菜花竞争较弱使其对污水的净化能力未体现出来,因而多数人认为海菜花对污水较敏感.试验中海菜花在人工干预条件下成为绝对优势种时,对低污染水体现出良好的净化能力.从试验结果来看,进水ρ(NO3--N)为(1.52±0.48) 和(5.62±0.41) mg/L,水力负荷为0.05 m3/(m2 ·d)时,湿地稳定运行后对NO3--N的去除率均达85%以上,并且海菜花生长稳定,对NO3--N有良好的耐受性.洱海流域范围内低污染水ρ(NO3--N)基本均在5 mg/L以下[16-17],故从去除NO3--N角度来说海菜花用于湿地处理低污染水是可行的.

海菜花湿地进水ρ(NO3--N)为(9.78±0.24) mg/L时,运行前20 d海菜花生长与另外两组湿地差异不大,20 d后湿地海菜花w(叶片叶绿素)明显低于进水ρ(NO3--N)为(1.52±0.48) 和(5.62±0.41) mg/L的湿地,表明海菜花短时间内仍对较高浓度NO3--N〔(9.78±0.24) mg/L〕有一定耐受性,但长时间会导致湿地稳定性变差.研究[22]表明,这主要是由于较高的ρ(NO3--N)引起海菜花体内POD(过氧化物酶)活性降低不能保证足量清除H2O2,导致海菜花机体受伤,影响海菜花生长.此外,沉水植物在生长过程释放的化学物质会对藻类的生长产生一定的抑制作用[23],李杰等[24]将海菜花种植水配置成培养液对藻类进行培养,表明海菜花在生长过程有抑藻作用.因而ρ(NO3--N)升高对海菜花生长产生影响时,会导致湿地对藻类生长抑制能力的下降,而藻类以NO3--N为氮源时可正常生长,并且氮磷比(质量比)为20~30时藻类生长良好[25-26].试验中进水ρ(NO3--N)为(9.78±0.24) mg/L时,氮磷比约为27.5,海菜花叶片附着藻类远远高于其他两组湿地(见图 6),叶表面大量附着藻类与沉水植物产生光照和CO2的竞争[27],进一步对海菜花生长产生抑制,这也是导致湿地海菜花花茎产量明显减少的原因.

湿地对磷的去除效果较差,各组湿地出水中ρ(TP)均表现出先降低后升高的趋势(见图 3),究其原因主要有以下几方面:湿地采用冲击性稻田土为基质,虽然可为海菜花生长提供充足的营养物质,但稻田土含磷量相对较高,吸附性能较差,湿地中磷去除的主要途径是基质的吸附作用[28];较高的pH及生物扰动都会导致磷的释放[29-30],运行过程中湿地pH随水流方向逐渐升高,最终出水可达10.0以上.出水pH较高可能是由于湿地土壤有机质释放,微生物异养反硝化作用导致[31],为避免湿地出水对洱海水质的影响,建议在出水前考虑对pH进行调节.同时运行初期,湿地不稳定,各类微生物及浮游动植物生长较快,对磷的吸收大于土壤释放,在逐渐达到稳定状态过程中,浮游动物及微生物活动增强导致底泥中的磷释放加速,使出水ρ(TP)升高.因此在后续试验中有必要对湿地基质进行改善,增强湿地磷的去除效果.此外,进水ρ(NO3--N)为(9.78±0.24) mg/L的湿地磷的升高相对滞后,与湿地内藻类大量生长有密切关系[32].

图 3 1#~3#海菜花湿地进出水ρ(NH4+-N)和ρ(TP) Figure 3 ρ(NH4+-N) and ρ(TP) in influent and effluent of the Ottelia Wetlands
4 结论

a) 进水ρ(NO3--N)为(1.52±0.48)(5.62±0.41) 和(9.78±0.24) mg/L时,海菜花湿地对NO3--N均有良好的去除效果,稳定阶段去除率分别为87.26%、94.98%和94.48%,海菜花湿地能有效去除低污染水中的NO3--N, 并且ρ(NO3--N)为5 mg/L海菜花经济效益最大,为6.2×104元/(hm2 ·a).

b) 海菜花对NO3--N有一定的耐受性,但ρ(NO3--N)较高时对海菜花生长具有抑制作用,ρ(NO3--N)为(1.52±0.48) 和(5.62±0.41) mg/L时海菜花可正常生长,ρ(NO3--N)为(9.78±0.24) mg/L时对海菜花产生明显抑制.

c) 1#~3#湿地运行稳定后对NH4+-N去除率均在54%以上,对TP基本无去除,海菜花湿地以稻田土为基质时对磷的去除效果较差,应对基质进行改良.

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