人工湿地在农业面源污染控制中的应用研究

1、收稿日期:1996-03-26*/八五0国家科技攻关项目成果(85-908-02-01人工湿地在农业面源污染控制中的应用研究*刘文祥(中国环境科学研究院,北京 100012摘 要 由漂浮植物池、沉水植物池、挺水植物池以及草滤带组成的人工湿地,对氮、磷、泥沙以及有机物有较好的吸收、吸附以及物理沉降作用,可以控制农田径流污染,具有工艺简洁,运行管理方便,生态环境效益显著,投资少等优点,是控制农业面源污染的实用工程技术。关键词 人工湿地 农业面源 污染控制 应用农业面源是湖泊水源地的主要污染源之一。由于农药化肥大量使用和土地耕作强度大,引起土壤流失和氮、磷等营养物质流失,这些污染物主要以面源形式进入

2、湖泊,促进了湖泊富营养化和泥沙淤积,加重了湖泊污染。湖泊农业面源污染已引起国际上广泛关注,但由于其复杂的发生机制导致治理难度增大和治理费用提高,至今还没有建立高效低费用成熟的治理技术。在/八五0攻关课题/滇池防护带农田径流污染控制工程技术研究0中,首次引进处理城市生活污水的人工湿地工程技术处理农田径流废水,取得了十分满意的社会环境效益,为我国和发展中国家控制农业面源污染提供了具有参考价值的技术方法。1 湿地工艺流程根据滇池流域农业面源污染特征和湖泊湿地生态系统结构1,人工湿地工程采用如图1所示工艺流程,既实现湿地进出水均匀控制,又保证污染物在湿地系统中沉降和吸附吸收,提高了污染物净化效果。图1

3、 人工湿地工艺流程2 湿地工程平面结构研究中利用1257m 2低洼弃耕地改造成人工湿表1 人工湿地设计结果表项 目参 数总面积(m 21257(4119m 30m 进水渠宽016m,设计水深017m 飘浮植物池宽3m,设计水深017m 挺水植物池宽16m,设计水深017m 沉水植物池宽m,设计水深112m 出水池宽016m,设计水深017m 草滤带宽10m,设计水深0105m总蓄水量(m 34501408有效面积(m 2114616设计排水滞留时间(d15地,控制径流面积为0118km 22,3,人工湿地平面结构见图2,湿地设计结果见表1。图2 人工湿地总平面结构图第10卷 第4期1997年

4、7 月环 境 科 学 研 究Research of Environmental SciencesVol.10,No.4July 19973湿地生态系统311设计原则人工湿地生态系统中种类选择遵循以下原则:a1在滇池地区有较好适应性,以选择本地(滇池现有或原有生物种类为主;b1选择对N,P等营养性污染物具有较强去除能力的生物种;c1选择在滇池地区具有广泛用途或经济价值较高的生物种类。312选择程序及方法a1滇池沿岸地区水生生物群落结构调查分析;b1水生生物去除N,P等污染物能力调查;c1滇池地区水生生物开发利用现状调查;d1水生生物优化比较;e1确定生物种类。313湿地生态系统根据调研分析48,

5、人工湿地生态系统中生物种类确定如下:飘浮植物小叶浮萍。小叶浮萍在滇池地区具有较强生长适宜性,在许多池塘均能发现。小叶浮萍有利用价值,如用于养殖业。浮萍对N,P等污染物具有较强的除能力。挺水植物芦苇。芦苇是国内去除污染物能力研究较多的挺水植物,去除N,P能力较强,芦苇除本身吸收N,P外,芦苇根部造成的湿生环境,对污染物吸收和吸附作用很大。也可种植同样有较好净化效果的水芹、慈菇等经济植物。沉水植物菹草。沉水植物对N,P具有较好吸收作用,同时增加了湿地容积,增加了滞留时间,提高了湿地承载负荷。也可种植莲藕、菱角等经济植物。草滤带天然草种。以野生自然草种形成草滤带。4湿地净化效果分析根据14个月运行监

6、测,人工湿地对径流污染物净化效果分析如下:411TN净化作用人工湿地进出水TN浓度及去除率见表2,可以看出:湿地系统对T N平均去除率为3515%,变化幅度较大,为-2813%9115%。湿地对TN去除率与湿地运行状况有关,1995年工程较完善,生物系统生长良好, TN去除率较高,1994年工程不完善,TN去除率变化较大。夏季去除率高于冬季,湿地工程对暴雨径流有较强净化能力。从1995年开始,工程处于良好运行状态,湿地生态系统不断完善,湿地对TN去除率大于30%,平均去除率在60%左右。表2人工湿地对TN去除能力项目199420620619942082161994208223199420823

7、019942092061994209209199421021019942112241995205225199520720419952072191995208215进水(mg/L3916311494137319541492136213521058108517561118196出水(mg/L1417111641179210431872168111521635153114901525104去除率(%6412-1011591048141318-13165111-28133116741191154318去除率范围(%-28139115平均去除率(%3515412TP净化作用人工湿地对TP净化作用见表3,

8、可以看出:人工湿地对T P平均去除率为2414%,去除率范围为-1417% 8715%。工程尚未完善的1994年去除TP效果明显不如1995年,1995年平均去除率达到4718%。冬季(10月份以后TP去除效率不如夏季。人工湿地正常运行情况下,TP去除率在50%左右。表3人工湿地对TP去除能力项目199420620619942082161994208223199420823019942092061994209209199421021019942112241995205225199520720419952072191995208215进水(mg/L013401600125011401240108

9、011101100143011001090131出水(mg/L013901430122011501230101011201100124010701060105去除率(%-141728131210-6164128715-9110104412301033138318去除率范围(%-14178715平均去除率(%241416环境科学研究第10卷413 TDN 净化作用人工湿地对TDN 去除率见表4,可以看出:人工湿地对TDN 平均去除率为4112%,变化范围为-2913%100%,1995年去除效果好于1994年,夏季好于冬季。人工湿地正常运行情况下,TDN 去除率不低于45%。表4 人工湿地对TD

10、N 去除能力项 目199420620619942082161994208223199420823019942092061994209209199421021019942112241995205225199520720419952072191995208215进水(mg/L3719501544137112841372109211711981160515441586116出水(mg/L1213101281151010031642150018021561191111901004175去除率(%6716481165141001617-19166311-2913-191478151002219去除率范围

11、(%-291310010平均去除率(%4112414 TDP 净化作用人工湿地对TDP 去除能力分析结果见表5,可以看出:人工湿地的T DP 去除率为918%,去除率范围为-1518%8313%。总体上看,对TDP 去除作用不明显,这与湿地运行方式有关,若能保证截留时间,湿地对TDP 去除作用也将十分明显。在湿地正常运行状态下,TDP 去除率将在20%左右。表5 人工湿地对TDP 去除能力项 目19942062061994208216199420822319942082301994209206199420920919942102101994211224199520522519952072041

12、9952072191995208215进水(mg/L012801350119011101230106010801080136010301050103出水(mg/L012001350121011201230101010801080124010301050102去除率(%-711-1518-911831333133313去除率范围(%-15188313平均去除率(%918415 SS 净化作用人工湿地对SS 去除能力见表6,可以看出:人工湿地对SS 具有较好的去除效果,平均去除率达到4919%,去除率范围为-6113%9619%,一般情况下,SS 去除率大于70%,极个别情况下没有明显去除作用。表

13、6 人工湿地对SS 去除能力项 目199420620619942082161994208223199420823019942092061994209209199421021019942112241995205225199520720419952072191995208215进水(mg/L1252711314833128431405518831134613679181111241912795118出水(mg/L31310215411021910511190510581336119481551510911165去除率(%751288192710961956117817-61138210221423

14、1921178718去除率范围(%-61139619平均去除率(%491917第4期刘文祥:人工湿地在农业面源污染控制中的应用研究416COD C r净化作用有机物不是农田径流中主要污染物,监测结果表明,人工湿地在良好运行情况下,对有机污染物也有一定的净化作用,平均去除率为614%,最高去除率为8313%。良好运行状态下,人工湿地对COD Cr去除率在20%左右,见表7。表7人工湿地对COD C r去除能力项目199420620619942082161994208223199420823019942092061994209209199421021019952052251995207204199

15、52072191995208215进水(mg/L431812179271041513024107241243110145188481505316834139出水(mg/L451512113311202414820181121124214337133311333314040164去除率(%-31758313-1514-610013155010-3618181635143718-1812去除率范围(%-60108313平均去除率(%6145讨论511工程适应性分析农业面源具有不稳定特性,径流量和径流中污染物浓度因水文条件不同而不同,从运行监测结果可以看出,几种主要污染物浓度变化都很大,人工湿地能够

16、适应这种变化,1994年工程建成试运行时已产生净化作用,1995年正常运行时净化作用较好。由于来水水量影响,人工湿地水力滞留时间变化较大,一般情况下保持在15d,连续降水时最少为0127h。正常运行时充分发挥湿地中生物吸收吸附作用,污染物净化效果较好。连续降雨时生物作用减弱,物理沉降作用仍很大,同样使污染物得到净化,尤其是颗粒态污染物。人工湿地生物和物理作用,适应了面源不稳定特性,对面源污染物有较好净化作用,因此人工湿地适合处理农田废水。512投资效益分析1257m2人工湿地总投资213万元,年去除污染物为:T N01701114t,TP010350105t,TDN0140 0167t,TDP

17、0101201014t,TSS41846158t,取得了较好环境效益。工程运行时,仅需一般性管理,运行费用极少。单位污染物去除量投资额分别为:TN2102 3129万元/t,T P461065171万元/t,T DN31435175万元/t,TDP16412991167万元/t,TSS350148万元/t,投资额以及运行费用均远低于常规污水处理工艺。513应用边界与范围由于占地面积较大,该技术应用受到局限,主要适用于重污染农业区,如蔬菜地。如果土地条件允许,也可广泛应用,对控制水土流失和农田径流污染均有较好效果。年降水量在8001100mm地区,湿地面积约为控制区域面积的百分之一,降水量小,湿

18、地面积减小,降水量大,湿地面积增加。应用该技术时,应考虑降水及土地资源状况。6结论人工湿地工程对农业面源污染物具有较好的净化作用,在正常运行情况下,面源主要污染物去除率达到:TN60%,TP50%,TDN40%,TDP20%,TSS70%, COD Cr20%。工程具有投资少,效益好,运行管理方便以及抗面源负荷冲击能力强等优点,适合我国国情,是我国控制农业面源污染,尤其是重污染农业区污染的有效技术手段,具有较好推广应用前景,目前在滇池、洱海等许多湖泊面源污染控制中拟采用人工湿地工程技术。7参考文献1昆明市环境科学研究所1滇池富营养化调查研究1昆明:云南科技出版社,1992142522高拯民,等

19、1城市污水土地处理利用设计手册1北京:中国标准出版社,199112252493Hammer D A.Design i ng contructed wetlands systems to treat agricultural nonpoi nt source pollution.Ecological Engi neering, 1992,Vol.1NOS1/2,494杨文龙,等1滇池内环境水生植物除磷除氮研究1云南环境科学,1992,2(11:75吴玉树,余国莹1根生沉水植物菹草对滇池水体的净化作18环境科学研究第10卷用1环境科学学报,1991,11(4:4126 吴玉树,李森林1水生维管束植

20、物对滇池水体的净化效应1生态学报,1988,8(4:3487 曹萃禾1四种生态类型的水生维管束植物净化能力的研究1水产科学,1990,9(3:88 刘庆系,等1漂浮水生植物对污水处理的研究1农业环境保护,1991,10(3:101Study on the Application of Artificial Wet 2land in AgricultureNon 2Point Source PollutionLIU Wenxiang(Chinese Research Academy of Envir onmental Sciences,Beijing 100012Abstr act T he artificial wet 2land composed of float vegetation pond,submerged vegetation pond and emergent vegetation pond and grass filtering belt can absorb,adsorb and physically