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復(fù)合生態(tài)塘-濕地處理系統(tǒng)水生植物分布對(duì)氮、磷去除的影響
氮磷的豐富加劇了水體的富營(yíng)養(yǎng)化,促進(jìn)了水生植物的生長(zhǎng),改變了水生植物的時(shí)空分布結(jié)構(gòu)。另一方面,不同的水生植物也以各種方式改變了水環(huán)境,而水環(huán)境的變化不可避免地會(huì)影響氮和磷的去除。水生植物和氮、磷的這種相互影響在復(fù)合生態(tài)處理系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出。污水中充足的氮源和磷源加大了水生植物生物量,加劇了處理單元間生物群落的時(shí)空分布差異;而水生植物的分布差異又影響著水環(huán)境變化,使單元間氮、磷表現(xiàn)出不同的去除規(guī)律。利用某生態(tài)處理單元,比較不同水生植物對(duì)氮、磷去除的影響已成為生態(tài)處理研究中的熱點(diǎn)。但目前的研究主要集中于生活型(lifeform)接近的群落間的橫向比較,研究范圍較窄。例如對(duì)某型濕地,不同浮葉植物對(duì)氮、磷去除效果的模擬比較。本實(shí)驗(yàn)主要以實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的復(fù)合生態(tài)塘-濕地處理系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以不同發(fā)展水平的水生植物的季節(jié)演替為基礎(chǔ),考察水生植物時(shí)空分布與氮、磷去除的關(guān)系,試圖進(jìn)一步了解不同生態(tài)處理單元中氮、磷去除的周期性差異。1實(shí)驗(yàn)方法1.1系統(tǒng)進(jìn)行了行業(yè)自實(shí)驗(yàn)選擇在水環(huán)境變化復(fù)雜、水生植物時(shí)空分布變化顯著的山東某生態(tài)處理系統(tǒng)進(jìn)行。該污水處理工藝主要包括生態(tài)塘和濕地兩部分,工藝流程依次為:復(fù)合兼性塘(HFPs)?曝氣塘(APs)?曝氣養(yǎng)魚(yú)塘(AFPs)?魚(yú)塘(FPs)?水生植物塘(HPs)?蘆葦濕地(CWs)。1.2浮葉植物形態(tài)分析實(shí)驗(yàn)從2001年到2003年,每周采集水樣2~3次。水溫和DO分別采用精密溫度計(jì)和Hach-16046溶解氧儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),pH利用PHS-3C酸度計(jì)于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。樣品首先用不銹鋼篩(孔直徑2mm)過(guò)濾以去除較大的浮葉植物,再進(jìn)行氮磷分析。各種形態(tài)氮和磷的測(cè)定按照APHA(1995)的標(biāo)準(zhǔn),其中NOx--N采用戴氏合金法測(cè)定以消除氯離子的干擾。在浮游藻類(lèi)分析中,水樣用有機(jī)玻璃采水器于水面下0.5m處采集。取1000mL水樣,加入15mL盧戈氏液固定,靜置24h后吸去上清液,定容至30mL。顯微鏡檢計(jì)數(shù)時(shí),充分搖勻,吸取0.1mL滴入計(jì)數(shù)框內(nèi),用視野法計(jì)數(shù)各屬的細(xì)胞數(shù)和個(gè)體數(shù)。2結(jié)果與討論2.1浮葉動(dòng)植物的時(shí)空分布格局水生植物時(shí)空分布格局異質(zhì)性主要通過(guò)各單元浮游藻類(lèi)數(shù)量和分布的季節(jié)變化來(lái)衡量。從圖1可以看出,各單元浮游藻類(lèi)的數(shù)量季節(jié)差異明顯。冬季浮游藻類(lèi)數(shù)量增長(zhǎng)慢,而夏季浮游藻類(lèi)數(shù)量在曝氣養(yǎng)魚(yú)塘中迅速升高,但在魚(yú)塘和蘆葦濕地中又迅速減小。這是由于冬季低水溫、低光照強(qiáng)度和短日照,浮游藻類(lèi)活性低,生長(zhǎng)速度慢;夏季日照增強(qiáng),在污染負(fù)荷略低的曝氣養(yǎng)魚(yú)塘內(nèi)浮游藻類(lèi)大量增殖;由于魚(yú)塘中原生、后生動(dòng)物的捕食作用,水生植物塘中浮葉植物的抑制作用,蘆葦濕地中蘆葦根系的截濾作用共同導(dǎo)致浮游藻類(lèi)數(shù)量迅速降低。此外,鏡檢發(fā)現(xiàn)浮游藻類(lèi)群落分布也有顯著的時(shí)空差異。夏季,浮游藻類(lèi)以籃、硅藻為主。其中從復(fù)合兼性塘到蘆葦濕地,藻類(lèi)逐漸從體積較小的小球藻(Chlorellavulgaris)、固氮魚(yú)腥藻(Anabaenaazotica)為主過(guò)渡到體積較大的針桿藻(Synerdiaacus)和月芽藻(Selenastrum)為主,此外水生植物塘中生長(zhǎng)著大量的浮萍(Duckweed)和金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum),蘆葦濕地中生長(zhǎng)著蘆葦和浮萍。這就使夏季植物群落呈浮游藻類(lèi)?沉水植物?浮葉植物?挺水植物的空間分布格局。而冬季,各單元中水生植物僅剩少量浮游藻類(lèi),并以顫藻(Oscillatoria)和隱藻(Chroomonasacuta)為主,植物群落空間格局變化不明顯。受水生植物時(shí)空分布異質(zhì)性影響,各單元環(huán)境因子也周期變化。例如從冬季到夏季,復(fù)合兼性塘、曝氣塘的pH和DO變化較小;曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘的pH明顯升高,DO略升;而蘆葦濕地的pH和DO逐漸降低。這就對(duì)各單元氮磷去除產(chǎn)生不同影響。2.2浮低和低去除率的比較圖2為不同月份各生態(tài)處理單元出水NH3與原水NH3(虛線)的比值,各曲線間的差值反映了不同單元NH3的去除率變化??梢钥闯?隨溫度升高,各單元塘NH3的去除率也相應(yīng)升高。這是由于在生態(tài)塘系統(tǒng)中,NH3主要通過(guò)揮發(fā)、生物硝化/反硝化、生物同化吸收3種機(jī)制去除,而各去除機(jī)制的效率都直接或間接地受浮游藻類(lèi)的影響。隨溫度升高,浮游藻類(lèi)活性和數(shù)量增長(zhǎng),生物同化吸收NH3速率加快;同時(shí)藻類(lèi)的代謝活動(dòng)吸收CO2并釋放O2,提高了水體的DO和pH,這又加強(qiáng)了生物硝化/反硝化和氨氮揮發(fā)水平,因此隨浮游藻類(lèi)增長(zhǎng)各單元塘NH3的去除速率增加。從圖2還可以看出,高溫期曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘中NH3去除率升高幅度遠(yuǎn)高于復(fù)合兼性塘和曝氣塘。全年NH3主要在曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘中去除,去除率分別為29.5%、16.9%、24.5%。這是由于在復(fù)合兼性塘和曝氣塘,浮游藻類(lèi)含量少,對(duì)水環(huán)境影響小,水體全年呈厭氧和兼性狀態(tài),且pH較低,因而NH3去除率低;而曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘中,水生植物季節(jié)演替明顯,高溫期水生植物對(duì)水環(huán)境影響大。尤其在水生植物塘中,大量生長(zhǎng)的浮萍不僅提高了水體的pH,還為硝化菌的生長(zhǎng)提供載體,促進(jìn)了生物的硝化速率。因而這3個(gè)單元NH3的去除變化幅度遠(yuǎn)高于復(fù)合兼性塘和曝氣塘。值得注意的是蘆葦濕地在單獨(dú)使用時(shí)NH3的去除率通常較高,但與水生植物塘連用的濕地主要用來(lái)降低出水SS和BOD5,對(duì)NH3的去除能力通常較低(圖1),這一點(diǎn)已被Senzia和Kemp的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這是由于水生植物塘出水中含有大量的浮萍和浮游藻類(lèi),這部分水生植物絕大部分被截濾在濕地內(nèi),它們的腐敗和分解必將釋放出相當(dāng)量的NH3。此外蘆葦濕地中茂密的蘆葦和浮萍不僅抑制了藻類(lèi)進(jìn)一步生長(zhǎng),也通過(guò)降低水體的DO和pH減弱生物硝化/反硝化和揮發(fā)對(duì)NH3的去除貢獻(xiàn),導(dǎo)致了蘆葦濕地NH3的低去除率。綜上可知,水生植物的時(shí)空分布格局異質(zhì)性對(duì)各單元NH3的去除機(jī)制和去除規(guī)律影響明顯。2.3復(fù)合兼性塘和駁岸濕地對(duì)有機(jī)氮的去除從圖3可以看出,不同季節(jié)各處理單元有機(jī)氮的去除規(guī)律也明顯不同。低溫期有機(jī)氮主要在復(fù)合兼性塘去除(39.7%),高溫期復(fù)合兼性塘和魚(yú)塘中有機(jī)氮的去除率明顯升高,分別為32.3%和28.1%;而曝氣養(yǎng)魚(yú)塘表現(xiàn)為負(fù)去除,去除率與葉綠素含量相關(guān)性較高(r2=0.71)。在生態(tài)處理系統(tǒng)中,有機(jī)氮不僅來(lái)源于原水中的有機(jī)物,系統(tǒng)內(nèi)部大量生長(zhǎng)的微生物及其釋放產(chǎn)物也是有機(jī)氮的重要來(lái)源。在復(fù)合兼性塘和曝氣塘,水生生物對(duì)水體的影響少,有機(jī)氮主要通過(guò)氨化作用去除,這與這兩個(gè)單元有機(jī)物的去除率較高一致。而從曝氣養(yǎng)魚(yú)塘到蘆葦濕地,有機(jī)氮的變化受水生植物的種類(lèi)和季節(jié)演替影響增強(qiáng)。高溫期,曝氣養(yǎng)魚(yú)塘中浮游藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)和分解促進(jìn)了有機(jī)氮的增長(zhǎng);而魚(yú)塘中枝角類(lèi)對(duì)藻類(lèi)的捕食又迅速降低了這種負(fù)影響;水生植物塘中藻類(lèi)的自沉降作用促使有機(jī)氮進(jìn)一步緩慢減小;蘆葦濕地中植物根系的截濾作用能有效地去除絕大部分懸浮有機(jī)物(包括藻類(lèi)),因而也能有效地去除水中的有機(jī)氮。與之比較,低溫期植物群落在各單元間分布差別小,對(duì)有機(jī)氮的影響低,因而各單元有機(jī)氮去除主要受污水?dāng)y帶有機(jī)顆粒影響,并隨有機(jī)物在復(fù)合兼性塘的大量降解而迅速減小,其余單元有機(jī)氮變化較緩。綜上,原水有機(jī)氮負(fù)荷和植物群落共同影響有機(jī)氮的組成和去除。在系統(tǒng)前端,原水有機(jī)氮的分解對(duì)系統(tǒng)有機(jī)氮去除的貢獻(xiàn)較大;而系統(tǒng)后端,高溫期水生植物分布對(duì)有機(jī)氮去除的影響較大。2.4水環(huán)境硝化過(guò)程和nox-的變化從圖4可以看出,各單元NOx-的變化規(guī)律明顯不同。復(fù)合兼性塘和曝氣塘,全年NOx-穩(wěn)定。而從曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘到水生植物塘,低溫期NOx-增長(zhǎng)緩慢;高溫期NOx-增長(zhǎng)迅速,并在魚(yú)塘或水生植物塘達(dá)到最大值。在好氧生態(tài)塘中,硝化菌主要分布在好氧底泥表層、塘壁以及水生生物表層,水中硝化菌含量低;又由于硝化菌世代期長(zhǎng),因而硝化過(guò)程是生物硝化/反硝化過(guò)程的限制因子;所以提供硝化菌生存的有效載體將是促進(jìn)水體中硝化作用增長(zhǎng)的有效方式。在好氧的曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘,水生植物和微生物都可以作為硝化菌的有效載體,并能提供硝化菌生長(zhǎng)必需的DO,因而高溫期NOx-含量增加較快。而復(fù)合兼性塘和曝氣塘全年呈厭氧和兼性厭氧狀態(tài),硝化菌難以大量存活,因而生物的硝化作用弱,NOx-質(zhì)量濃度緩降。圖4還可以看出,全年蘆葦濕地出水NOx-基本上小于0.4mg/L,其中4月份蘆葦濕地出水的NOx-較高,但6~10月蘆葦濕地的NOx-迅速降低,出水NOx-小于0.2mg/L。這是由于蘆葦和浮萍在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水環(huán)境的影響不同。4月份蘆葦和浮萍生物量低,對(duì)水環(huán)境影響小;而隨溫度升高,整個(gè)濕地逐漸被蘆葦和浮萍覆蓋,水體處于缺氧狀態(tài),反硝化速率加強(qiáng),硝化受到進(jìn)一步抑制,因而6~8月出水NOx-的含量低。2.5不同濕地對(duì)磷的去除的效果圖5為不同月份各生態(tài)處理單元出水總磷(TP)與原水TP(虛線)的比值,各曲線間的差值反映了不同處理單元TP去除率變化。可以看出在低溫期(1~4月)TP去除率較低,TP主要在曝氣養(yǎng)魚(yú)塘去除;高溫期(7~11月)TP去除率明顯升高,TP主要在曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘去除,去除率分別為30.1%、17.8%、19.4%。此外,與常規(guī)的生態(tài)塘和濕地系統(tǒng)不同,該處理系統(tǒng)TP的最低去除率不是出現(xiàn)在低溫期,而是出現(xiàn)在5~6月,這與TP負(fù)荷的突然降低以及底泥磷的釋放有關(guān)。各生態(tài)單元TP去除也受水生植物時(shí)空分布影響。生態(tài)處理系統(tǒng)中,TP主要通過(guò)化學(xué)沉淀、藻類(lèi)細(xì)菌的合成代謝、水生植物的吸收去除,其中與水Fe3+、Ca2+、Al3+等金屬離子的化學(xué)沉淀是磷的主要去除方式。前已述及,高溫期曝氣養(yǎng)魚(yú)塘、魚(yú)塘和水生植物塘水體pH和DO在一定范圍內(nèi)升高,這能促進(jìn)金屬離子與磷的化合沉淀。在復(fù)合兼性塘和曝氣塘,水生藻類(lèi)含量少,對(duì)水環(huán)境影響小,磷酸鹽分級(jí)實(shí)驗(yàn)顯示懸浮磷沉降是TP的主要去除途徑。由于沉降作用受溫度影響小,因而復(fù)合兼性塘中TP去除率全年保持穩(wěn)定。此外,蘆葦濕地中TP去除率較低,這也應(yīng)與蘆葦所截濾的浮游藻類(lèi)的腐敗、釋放有關(guān)。3復(fù)合兼性塘、曝氣塘、養(yǎng)魚(yú)場(chǎng)、淡水濕地、濕地氮磷去除的影響(1)復(fù)合生態(tài)塘-濕地處理系統(tǒng)水生植物時(shí)空分布差異導(dǎo)致氮、磷去除規(guī)律的周期性變化。此外,各處理單元水生
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