农业径流湖滨带湿地处理系统中的氮去除及动力学研究

1、农业径流湖滨带湿地处理系统中的氮去除及动力学研究卢少勇*1,2 张彭义1 余刚1 (1清华大学环境科学与工程系，北京，1000842中国环境科学研究院，北京，100012)摘 要：构建于云南昆明的王家庄湖滨带湿地占地12, 000m2，湿地位于滇池东岸，主要植物为芦苇(Phragmites australis)、茭草(Zizania caduciflora)和菖蒲(Acorus calamus L)，湿地于2002年8月投入运行，湿地的来水来自6条农业区汇水干渠，经过布水堰布水后来水均匀流过湿地。2002年10月2004年6月期间湿地有效降低了农业区农业径流污染对滇池的污染。除了采集进水样外，

2、还采集从进水至出水点1/3处（记为出水1）、2/3处（记为出水2），旱季时进水流量为497.6m3/d。旱季时TN、氨氮和NO3-N的浓度分别为7.50，2.49和2.50mg/L。出水1（出水2）处的TN、氨氮和NO3-N的浓度分别为3.07(2.06)mg/L,0.35(0.43)mg/L和1.07(0.37)mg/L。出水1（出水2）处的TN、氨氮和NO3-N的去除率分别为66.6(58.5)%,67.4(58.1) %和56.1(43.6)%。雨季时进水流量为747.4m3/d。雨季时TN、氨氮和NO3-N的浓度分别为4.68，0.98和2.22mg/L。出水1（出水2）处的TN、氨氮

3、和NO3-N的浓度分别为2.51(3.11)mg/L,0.81(1.04)mg/L和1.10(1.41)mg/L。出水1（出水2）处的TN、氨氮和NO3-N的去除率分别为34.4(55.9)%, 64.6(62.6)%和51.8(80.6)%。旱季（每年11月翌年4月）时湿地中的氮去除呈现“V” 字形变化规律，雨季（每年5月10月）时湿地中氮去除呈现沿程降低的规律。具有较强的耐受冲击负荷的能力，在水力负荷为22.2cm/d ,TN、NO3-N和NH3-N的去除率均高于59%。全年来看，出水1（出水2）处的出水1（出水2）处的NO3-N在秋末冬初时，菖蒲的含水率比春季的低，干重比春季的高。菖蒲的

4、干重在秋末冬初时仍在增加。在菖蒲成熟和衰亡老季节时，收割部分的氮有一部分向残留部分转移。关键词：湖滨带，人工湿地，农业径流，氮，季节变化规律Abstract: Wangjiazhuang constructed wetland (WCD), with area of 12, 000 m2, located at the eastern lakeside area of Dianchi Lake, belong to Kunming, Yunnan Province. The major helophytes species were Phragmites australis, Zizania

5、caduciflora and Acorus calamus L. The wetland was in operation since August, 2002. The influent came from six agricultural region main watercollecting canals, and the influent was equispaced in the wetland. Nitrogen removal ability of WCD of influent ditches from October 2002 to June 2004 was summar

6、ized here. Influent sample, effluent sample point 1 (taken from 1/3 position of folwpath from inlet to outlet), effluent sample point 2 (taken from 2/3 position of folwpath from inlet to outlet). WCD can effectively decrease the agricultural runoff pollution load from agricultural region on Dianchi

7、Lake. During drought season, the inflow was 497.6m3/d. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of influent were 7.50mg/L, 2.49mg/L and 2.50mg/L, respectively. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of effluent wer

8、e 3.07mg/L, 0.35mg/L and 1.07mg/L in effluent sample point 1, 2.06mg/L, 0.43mg/L and 0.37mg/L effluent sample point 2, respectively. Total nitrogen (TN) removal rate, ammonia removal rate and nitrate removal rate were 66.6%, 67.4%and 56.1% in effluent sample point 1 of the wetland flowpath, 58.5%, 5

9、8.1%and 43.6% in effluent sample point 2 of the wetland flowpath, respectively. During drought season, the inflow was 747.4m3/d. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of influent were 4.68mg/L, 0.98mg/L and 2.22mg/L, respectively. Total nitrogen (TN) conc

10、entration, ammonia concentration and nitrate concentration of effluent were 2.51mg/L, 0.81mg/L and 1.10mg/L in effluent sample point 1, 3.11mg/L, 1.04mg/L and 1.41mg/L effluent sample point 2, respectively. Total nitrogen (TN) removal rate, ammonia removal rate and nitrate removal rate were 34.4%, 6

11、4.6%and 51.8% in effluent sample point 1 of the wetland flowpath, 55.9%, 62.6%and 80.6% in effluent sample point 2 of the wetland flowpath, respectively. Nitrogen removal in wetland during drought season, which was from November to next April, presents the “V” shape regularity along the flow distanc

12、e. Nitrogen removal in wetland during rainy season, which was from May to October, presents the decreased regularity along the flow distance. This wetland had strong load impact resistant capability, TN、NO3-N and NH3-N removal rate were larger than 59, when the influent hydraulic load equaled to 22.

13、2 cm/d. NH3-N removal dynamic constants equal to 0.702 and 0.574 in effluent sample point 1 and effluent sample point 2. NO3-N removal dynamic constants equaled to 0.702 and 0.574 in effluent sample point 1 and effluent sample point 2. Harvest part of Acorus calamus L. had low water content but high

14、 dry weight in last autumn or early winter than in spring. Dry weight of Acorus calamus Ls harvest part increased form 15th November to 1st December. Some nitrogen of Acorus calamus Ls harvest part transferred to its remaining part among mature period and senescence phase.Keywords: Lakeside area, co

15、nstructed wetland, agricultural runoff, nitrogen, seasonal various regularity.1 序论 随着湖泊周围经济的发展，来自湖泊周围的污染源（城镇、村落、农田和工厂等）对湖泊的污染日趋严重，而且湖滨带遭到不同程度的人为活动的破坏，如围湖造田导致的湖滨带被蚕食，湖周过渡养鱼和放牧对湖滨带生态多样性的破坏，营养物负荷过高，动植物栖息地的丧失和分割，外来物种的侵入，水文规律的改变。解决此问题的一些途径有农业生产的改进，村落和农业垃圾的及时收集与处置；增建畜禽污水处理厂；合理处理畜禽粪便（如堆肥产沼）；在农田和湖泊之间进行湿地和湖滨

16、生态系统的修复和建设。其中人工湿地系统具有污染物处理效果较好、耐受冲击负荷能力强、建设费用和运行费用低的优点，因此人工湿地在湖泊污染防治中具有良好的应用前景。1-4就污染物负荷而言，如果全部通过建设传统的污水二级处理厂来控制这些污染，那么由于污染源的高度分散性，因此管道建设费用过高，而且维护费用很高，因此湖泊污染的控制需要寻求污染物处理效果较好、耐受冲击负荷能力强、建设费用和运行费用低的技术。人工湿地处理能满足这些要求且维护管理简便，是修复湖滨带的合适技术。5-6本文着重报道位于中国云南滇池东岸靠近农业区的湖滨带湿地中的氮去除效果和去除动力学。2 材料和方法2.1 位置描述王家庄湿地位于滇池东

17、岸，滇池位于昆明东部（图1）。王家庄湿地处于北亚热带地区，年均降雨量高，为7971007mm，其中有85%发生在夏季。由于地下水位高，因此湿地的型式选用表面流。王家庄湿地（12,000 m2）的进水为来自上游农田区域（0.66 km2）的农业径流（图2）。在雨季（5月9月）时滇池水位低于湿地出水，在旱季（从10月翌年4月）时滇池水位高于湿地出水。2.2 常规物理化学分析 水样分析 进水流量采用浮标法测定，每次采集水样时测定各条沟渠的规则沟渠段的流动距离与时间，沟渠水深与水面宽度，进水总流量为各沟渠流量的总和。进水流量的计算：Q=D×L×W×0.8/T式中, Q=沟

18、渠的流量，m3d-1；L=水流长度，m；D=水深，m；W=水面宽度，m；0.8=系数；T=通过指定距离L所需的时间，d。水样采自进水沟渠、3号采样路自进水端起算1/3处，2/3处以及末端。其中化学需氧量(CODcr)，氨氮(NH3-N)，硝酸盐氮，总氮(TN)和总磷(TP)平均每月测定四次，生化需氧量（BOD5）和亚硝氮（NO2-N）仅仅抽测，NO2在水中的含量甚微8，因此不测定。CODcr图1 湿地位置图的测定采用重铬酸钾法测定；TN的测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法(220nm和275nm)；NH3-N的测定采用纳氏试剂光度法（420nm）；所有氮化合物的浓度均以氮的浓度计。TP的测定采

19、用钼锑抗分光光度法。9抽测结果表明：NO2-N的含量均很低，可以忽略不计。 植物样分析鉴于湿地中植物的重要性10-12，分析了植物的生物量、株高、含水率和营养物含量。考虑到湿地中为便于植物收割后植物的再生长，收割后植物的地面残留高度为30cm，因此本研究中将植物分成两部分，其一为收割部分（地上部分扣除30cm的地上残余高度），其二为残留部分（为植物的地下部分和地上残余高度30cm）。植株全氮采用H2SO4-混合加速剂-蒸馏法测定，全磷采取钒钼黄吸光光度法测定，全钾采取火焰光度法测定。含水率采用常压恒温干燥法（10530分钟，65至恒重）测定。3 结果与讨论 分季节讨论氮的去除效果和氮的去除动力

20、学。3.1 旱季处理效果旱季（2002年10月2003年4月和2003年10月2004年4月）的湿地进水水质和处理效果见表1，本阶段的平均日流量为497.6m3/d。图2 王家庄湿地平面布置图 7由图2可见，旱季的在湿地的沿程1/3处的TN、NO3-N和NH3-N的平均去除率高于湿地的沿程2/3处。由于此阶段滇池水位高，滇池水反灌湿地，去除率最大点并非为湿地出水端。 图2 旱季的进水水质和污染物去除率Inf: 进水水质, Eff-1: 位置1的水质, Eff-2: 位置2的水质, Rr-1: 位置1的去除率, Rr-2: 位置2的去除率。3.2 雨季处理效果3.2.1 雨季平均去除效果2003

21、年5月2003年9月和2004年5月2004年6月的湿地进水水质及处理效果见图3，本阶段的平均日进水流量为747.4m3/d。图3 雨季的进水水质和污染物去除率Inf: 进水水质, Eff-1: 位置1的水质, Eff-2: 位置2的水质, Rr-1: 位置1的去除率, Rr-2: 位置2的去除率。由图3可见，雨季时在湿地沿程1/3处的TN和NO3-N的平均去除率高于湿地沿程2/3处，而两处的NH3-N平均去除率较接近。这是因为为确保滇池周围农田的安全，此阶段，滇池下游开闸放水，因此滇池的水位低于湿地的出水水位，滇池水对湿地出水有返混作用，去除率最大点基本上在湿地的出水端。对比旱季和雨季的处理

22、效果可知，旱季和雨季的NO3-N进水浓度较接近，雨季的NO3-N去除率比旱季的高，雨季湿地水深较大，因此湿地在雨季比在旱季具有更多的缺氧和厌氧条件，利于NO3-N的转化。而雨季的TN和NH3-N的去除率比旱季高。雨季的TN和NH3-N的进水浓度比旱季的低。旱季和雨季时污染物的沿程变化规律：雨季时，进水浓度>沿程1/3处浓度>沿程2/3处浓度，说明湿地中污染物浓度沿程降低。表明湿地出水受滇池水的影响很小。而旱季时，沿程1/3处中的TN、NO3-N、NH3-N和TP的浓度高于沿程2/3处中的浓度，即湿地出水（尤其在低浓度进水时期）受滇池水的影响较大，湿地内的沿程污染物浓度呈“V”字形规

23、律变化。3.2.2 暴雨期间处理效果以2003年6月6日暴雨时王家庄湿地的运行数据为例来说明本工程在大雨日的运行效果。进水量为1866m3/d，水力负荷为22.2cm/d，水质和去除率情况见表3。表3 不同大雨暴雨期间王家庄湿地平均水质和去除率NH3-NNO3-NTN进水（mg/L）2.689.5311.8出水（mg/L）0.462.984.73去除率（%）82.968.759.8由表3可见，大雨和暴雨期间，王家庄湿地的水力负荷略超出高拯民等的推荐值(220cm/d)的上限值。TN、NO3-N和NH3-N的去除率均较高。3.3 动力学参数 动力学参数Kt受多种因素影响，其中主要受污染物的性质与

24、浓度、水力负荷、填料介质的粒径和种植植物的种类及生长状况等的影响。目前尚不能将这些因素对Kt的影响做全面的分析，有关研究结果也只能作参考。氮的形态也很重要，湿地中硝酸盐氮比氨氮容易去除。表面流人工湿地中的NH3-N和NO3-N的动力学参数计算方程如下：3.3.1 NH4+-N去除动力学方程氮的去除也和温度有关而且对低温十分敏感。一旦在冬天时温度降至5以下，则氮的去除就会成为问题。氨氮的去除依式（1）计算13： (2)式中：TKN进水凯氏氮，mg/L； Ceff出水中氨氮浓度，mg/L； Kt与温度有关的速率常数，对于表面流湿地，Kt可如下计算：Kt=a×(1.048)(T-20)（式

25、中T为水温，单位）。文献91中提出a=0.2187。 HRT水力停留时间，d。对于典型的温和冬天气候，水温在510，Kt值为0.20.25。3.3.2 NO3-N去除动力学方程硝氮的去除依式（2）计算14： (5-3)式中：Cinf进水硝酸盐浓度，mg/L； Ceff出水硝酸盐浓度，mg/L； Kt与温度有关的速率常数，对于表面流湿地，Kt可如下计算：Kt=a×(1.15)(T-20)（式中T为水温，单位）。文献91中提出a=1.0。对于典型的温和的冬天气候，水温在510，Kt的值在0.120.25。反硝化比硝化对低温更敏感，但水温高于10时反硝化速率比氨去除速率大，如水温为15时，

26、反硝化速率和氨去除速率常数分别为0.49和0.31。3.3.3 动力学参数计算结果由上述公式计算得到王家庄湿地的动力学参数，见表4。表4 王家庄湿地的动力学参数表旱季雨季全阶段三分之一处Kt-NO3-N0.3420.4870.466a-NO3-N26.80.1561.49Kt-NH4+-N0.4710.9610.702a-NH4+-N40.50.3372.46三分之二处Kt-NO3-N0.2391.090.470a-NO3-N18.70.3501.50Kt-NH4+-N0.3670.9240.574a-NH4+-N31.50.3242.01由表4可见，雨季时的Kt值均高于旱季时。全年看来，氨氮

27、的去除动力学常数介于文献13和15所推荐的范围（0.2192.88）内。旱季时氨氮去除的动力学方程为： 1/3处 2/3处旱季时硝氮去除的动力学方程为： 1/3处 2/3处雨季时氨氮去除的动力学方程为： 1/3处 2/3处雨季时硝氮去除的动力学方程为： 1/3处 2/3处 全年的氨氮去除的动力学方程为： 1/3处 2/3处 全年的硝氮去除的动力学方程为： 1/3处 2/3处3.5 植物生长2004年5月30日，菖蒲的生物量（鲜重）为4.57kg/m2。2004年6月14日，菖蒲的生物量（鲜重）为4.64 kg/m2。2002年12月起测定的植物高度（以菖蒲为例）见表7。菖蒲的茎叶和根组织中的营

28、养物、鲜重和含水率见表8。表7 菖蒲高度测定结果时间平均株高最大株高最小株高2002年12月10日103.1113.091.22003年7月15日111.2120.196.32003年11月5日106.2115.196.22003年12月1日112.2123.3105.62004年6月13日107.9115.0101.0表8 菖蒲的茎叶和根组织中的营养物、鲜重和含水率年-月-日收割部分残留部分鲜重*（kg/m2）干重*（kg/m2）含水率*（%）氮（g/kg dw）氮（g/kg dw）2003-11-1515.1514.442.420.5577.42003-12-119.1919.042.26

29、0.6471.72004-4-1726.1017.282.590.2490.6* 鲜重、干重和含水率均是指收割部分的。由表8可见，在秋末冬初时，菖蒲的含水率比春季的低，干重比春季的高，这与我们在外观上所观测到的菖蒲的茎叶在春季和秋末冬初时的外观一致：在春季时为鲜嫩的绿色枝叶，而在秋末冬初时，菖蒲的茎叶略发黄，而且趋于凋落。12月15日菖蒲的干重比11月15日的大，说明菖蒲的干重在秋末冬初时仍在增加。生长季节时，残留部分的氮含量低于收割部分的，而在植物成熟和衰亡季节时，残留部分的氮含量和收割部分的氮含量较接近。说明在植物成熟和衰亡季节时，收割部分的氮有一部分向残留部分转移。4 结论4.1 构建于

30、云南昆明的王家庄湖滨带湿地占地12, 000m2。2002年8月至2004年7月两年间，湿地能有效降低了农业区农业径流对滇池的污染。旱季（每年11月至翌年4月）时湿地中的氮去除呈现“V” 字形变化规律，雨季（每年5月至10月）时湿地中氮去除呈现沿程降低的规律。4.2 本湿地具有较强的耐受冲击负荷的能力，在水力负荷为22.2cm/d ,TN、NO3-N和NH3-N的去除率均高于59%。4.3 4.4 从进水到出水不同位置的土壤中的全氮、碱解氮和有机质均沿程降低，而pH值升高。来水的污染物以沿程逐渐降低的方式分布于湿地上。4.5 菖蒲中的氮含量测定结果表明，在秋末冬初时，菖蒲的含水率比春季的低，干

31、重比春季的高。菖蒲的干重在秋末冬初时仍在增加。4.6在菖蒲成熟和衰亡季节时，收割部分的氮有一部分向残留部分转移。致谢：本研究承蒙国家重大科技专项“滇池流域面源污染控制研究”（2000-03）的资助。参考文献：1 Mitsch W. J., Lefeuvre Jean-Claude, Bouchard V., 2002. Editorial. Ecological engineering applied to river and wetland restoration. Ecological Engineering 18: 529541. 2 21(2):51-53.3 欧阳作富,杨苏树,倪喜云

32、. 洱海湖滨带现状浅析. 农业环境与发展,2002,2:29-30.4 卢少勇, 张彭义, 余刚, 等. 2003. 19(11):75-77.5 Luederitz V., Eckert E., Lange-Weber M., et al. 2001. Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flow and horizontal flow constructed wetlands. Ecological Engineering, 18(2), 157-171.6 卢少勇, 张彭义, 余刚, 等,2005. 人工湿地处理农业径流的研究进展. 中国水环境污染控制与生态修复术高级研讨会. 2005年9月，武汉.7 卢少勇, 张彭义, 余刚, 等. 2004. 农田排灌水湖滨带湿地处理系统的设计与运行.农业环境科学学报, 23(5):998-1002.8 Andersen, F.O. and Olsen, K.R., 1994. Nutrient cycling in shallow, oligotrophic lake Kvie, Denmark I: effects of isoetids on t