环境工程学报, 12(10): 2998-3004

DOI 10.12030/j.cjee.201804107    中图分类号  X524   文献标识码  A


肖雨涵, 庞燕, 项颂, 等. 多级生态库塘对低污染水体的净化[J]. 环境工程学报,2018,12(10):2998-3004.
XIAO Yuhan, PANG Yan, XIANG Song, et al. Purification of multi-stage pond on low-polluted water [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(10):2998-3004.
多级生态库塘对低污染水体的净化
肖 雨涵 1,2, 庞 燕 2, 项 颂 2, 田 永静 1,* , 黄 天寅 1
1. 苏州科技大学环境科学与工程学院,苏州 215009
2. 中国环境科学研究院,北京 100012
第一作者:肖雨涵(1992—),女,硕士研究生,研究方向: 污水处理与回用技术。E-mail:1210345451@qq.com
*
通信作者, E-mail:tianyongjing@126.com
收稿日期: 2018-04-16; 录用日期: 2018-07-06
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07301006006,2017ZX07205001)

摘  要 

为分析多级生态库塘对入洱海低污染水体的净化效果,以大理市上鸡邑村新建多级串并联库塘为研究对象,跟踪监测了库塘各单元进出口水体中总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)变化情况,并对库塘净化效果进行分析。结果表明:多级串并联生态库塘对水体中TN、NH4+-N、TP的去除率分别达30.98%~54.96%、54.11%~64.17%、27.11%~47.83%,净化效果较好。库塘对低污染水氮磷去除效果在不同单元和季节存在差异,各净化单元中,稳定塘对水体净化效果最不理想,对水体中TN、NH4+-N、TP去除率分别为2.88%、−17.50%、−16.83%。库塘旱季对水体中氮磷净化效果优于雨季,对水体中 TN、NH4+-N、TP平均去除率分别为46.23%、84.43%、38.61%,均高于雨季。
Purification of multi-stage pond on low-polluted water
XIAO Yuhan 1,2, PANG Yan 2, XIANG Song 2, TIAN Yongjing 1,* , HUANG Tianyin 1
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 10012, China
*
Corresponding author, E-mail:tianyongjing@126.com

Abstract  

In order to study the purification effect of multi-stage ecological pond for low-polluted water that into Erhai, total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH4+-N), total phosphorus (TP) changes in inlet and outlet of each pond unit of the multi-stage series pond in Dali village was tracked and monitored, and purification effect of the pond was analyzed. The results showed that the removal rate of TN, NH4+-N, TP of the multi-stage pond were 30.98% to 54.96%, 54.11% to 64.17%, 27.11% to 47.83%. Different purification unit and season had great influence on multi-stage pond removal efficiency. In each purification unit, the effect of stabilization pond on water purification was the most unsatisfactory, the average removal rate of TN, NH4+-N, TP in stabilization pond were 2.88%,−17.50%,−16.83%. The effect of nitrogen and phosphorus purification in the dry season was better than that in the rainy season. The average removal rate of TN, NH4+-N, TP in the multi-stage pond were 38.9%, 27.52%, 36.04% in dry season, and those were 46.23%,84.43%,38.61% in dry season.
洱海,作为云南省第2大高原湖泊,正处于由中度营养向富营养化转变的阶段[1]。洱海西区是洱海入湖水源的核心区,由于西区水资源丰富,地理环境优越,也成为流域人口活动的密集区域,区域内高强度的土地利用及高密度的人口活动,导致以非点源污染为主的水污染日益加重。尤其是污染程度较低,水质浓度低于传统处理设施进水标准,但又不满足湖泊水质保护要求的“低污染水”大量产生,严重影响西区入湖水质,威胁洱海水环境[2]。针对此问题,大理市积极采取应对措施,开展了大量低污染水净化工程,其中2017年开展了环湖生态库塘建设工程,利用多级生态库塘净化低污染水,削减入湖负荷。
多级生态库塘是指通过植物、菌、藻的共生系统对水体进行净化处理,且具有灌溉、水电、防洪等目的的人工湿地[3]。生态库塘因结构简单,可充分利用实际地形,投资建设费用较低以及兼具景观功能的优点,越来越多地被应用于面源污染控制[4]。污水在进入多级生态库塘湿地后,水体中泥沙及大颗粒悬浮物自由沉降于塘底,氮磷等营养物在库塘水生植物、浮游植物及微生物群落吸附、硝化反硝化等作用下,浓度明显降低[5-8]
目前,国内外已针对库塘在面源污染控制中的应用开展了大量研究,王全金等[9]研究发现,人工库塘湿地组合系统在污染水体的治理方面具有耐负荷能力较强、出水稳定、出水水质更好等优点。其中,通过对库塘进行串联组合优化其净化效果是重要研究内容之一,崔理华等[10]采用复合垂直下行流人工湿地对运河的河道污水进行处理,结果表明,2级湿地出水各指标明显优于1级湿地,对TP的净化尤其突出。卢少勇等[11]为分析串联级数对除磷效果的影响,研究了1级、2级、3级串联系统对水体中TP的去除率,依次为14.98%、21.81%、26.85%,发现随着串联级数的增加,磷去除率升高。段田莉等[12]采用高效垂直流人工湿地+多级生态塘组合工艺对污水厂尾水进行深度处理,发现组合工艺对污水处理厂尾水有显著的净化效果,对 COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果可高达59.22%、81.06%、93.11%和55.81%。虽然目前已开展实验大量研究,但研究应用多集中于人工湿地系统间不同工艺的串联组合[13],对实际工程中生态库塘串并联组合能否优化其净化效果研究较少。
本研究基于此背景,依托大理市上鸡邑村新建串并联多级库塘系统开展现场实验研究,跟踪监测各级净化塘进出水水质,分析不同净化塘及不同季节对流经多级库塘中低污染水体中氮磷的削减效果。

1 项目概述

1.1 实验区概况

大理市地处低纬高原,在低纬度高海拔地理条件综合影响下,形成了低纬高原季风气候特点:四季温差小,雨旱季分明。5–10月为雨季,此期间降雨多发,降雨量占全年的85%~95%;11月至次年4月为旱季,期间基本无降水,降雨量仅占全年5%~15%。
上鸡邑村多级串并联生态库塘位于洱海西区大理镇上鸡邑村,占地1.48 hm2,临近洱海,与洱海岸直线距离小于2 km。该多级生态库塘于2017 年初完成建设并投入运行,主要处理周边未收集的村落污水和农田排水组成的混合水。雨季进水水量约2 478.60~3 124.45 m3·d−1,进水TN、NH4+-N、TP浓度分别为4.93~17.95、4.54~12.10、0.63~0.86 mg·L−1;旱季进水水量约1 015.37~1 306.12 m3·d−1,进水TN、NH4+-N、TP浓度分别为2.96~14.08、0.22~4.86、0.37~1.29 mg·L−1

1.2 工艺流程

该多级生态库塘系统由南北侧2个独立的净化处理系统并联,进水经由两侧的沟渠出水在稳定塘汇合后出水排至旁边沟渠,并最终汇入洱海(图1)。南侧净化系统由沉淀池S,S1、S2、S3级净化塘及稳定塘组成,各单元容积分别为1 800、2 280、2 100、2 190、2 190 m2;北侧净化系统由沉淀池N,N1、N2级净化塘及稳定塘组成,各单元面积分别为1 650、2 280、2 100、2 190 m2
净化塘内主要种植香蒲、梭鱼草等水生植物,其中S1、S3、N2级净化塘内设有生态浮床,分别种有水芹菜、水生美人蕉及茭草等经济作物。但由于后期运行维护管理不善,导致净化塘塘面浮萍较多,尤其是S2、S3、N2级净化塘及稳定塘,塘面浮萍盖度高达70%以上,此外北侧沉淀池N被当地居民用作洗菜池,塘面经常漂浮有菜叶等。
图1 多级串并联生态库塘平面图
Fig. 1 Layout of multi-stage ecological pond
图1 多级串并联生态库塘平面图
Fig. 1 Layout of multi-stage ecological pond
Cjee 201804107 t1

2 样品采集及分析方法

监测取样时间为2017年9–12月,结合现场采样时的实际情况及大理当地降雨特征,9–10月为雨季,此期间降雨多发,库塘进水水量较大,各级净化塘进水连续无间断,采样时间为降雨停后隔天上午07:00–09:00;11–12月为旱季,此期间基本无降水,库塘进水水量极小,部分时段甚至出现断流,取样时间为取样日当天07:00–09:00。另外,11月9日,因管理不善,库塘南侧进水闸门被关闭,致使库塘出现水流倒流现象,导致部分污染物出水浓度高于进水浓度。
水样由专职取样人员采取,利用干净塑料桶沿水流方向采取各级净化塘进、出水口水样,采集的水样混合均匀后现场测定pH、溶解氧(DO)及氧化还原电位(ORP)等指标,随后装于500 mL干净塑料瓶中,在24 h内完成水样的化学分析测试。主要分析指标如表1所示,具体参照文献中的方法[14]
表1 水体氮磷指标测定方法
Table 1 Determination of nitrogen and phosphorus index in water
表1 水体氮磷指标测定方法
Table 1 Determination of nitrogen and phosphorus index in water
理化指标
测定方法
水样预处理
总氮
过硫酸钾消解、紫外分光光度法
直接测定
硝酸盐氮
氨基磺酸法
0.45 μm孔径醋酸纤维素滤膜过滤
氨氮
纳式试剂光度法
0.45 μm孔径醋酸纤维素滤膜过滤
总磷
过硫酸钾消解、钼梯抗分光光度法
直接测定
磷酸盐
钼锑抗分光光度法
0.45 μm孔径醋酸纤维素滤膜过滤

3 工程运行效果

3.1 多级生态库塘对水体中氮磷污染物的平均去除率

监测期间,多级串并联生态库塘对水体中氮磷污染物的平均去除率如图2所示。可知,多级生态串并联库塘南侧净化系统对水体中TN、NH4+-N、TP的去除率依次是54.96%、64.17%、47.83%;北侧净化系统对水体中TN、NH4+-N、TP的去除率依次是30.98%、54.11%、27.11%,库塘对低污染水氮磷污染物的净化效果较好。这是因为流经库塘的低污染水,水体中氮通过微生物的氨化、硝化反硝化作用,浮游生物的作用,水生植物的吸收,基质的吸附以及离子交换作用得以去除[15-17];水体中的磷可以被植物和微生物代谢利用,土壤的吸附、沉淀作用也能有效去除磷素[18-20]。南侧净化系统对水体中污染物的去除效果优于北侧,这可能是因为南侧净化系统因较北侧多一级净化塘,这与MASI等[21]的研究结论相同。
图2 氮磷污染物平均去除率
Fig. 2 Average removal rate of nitrogen and phosphorus
图2 氮磷污染物平均去除率
Fig. 2 Average removal rate of nitrogen and phosphorus
Cjee 201804107 t2

3.2 生态库塘不同单元对水体中氮磷污染物的净化

3.2.1 多级库塘各单元对TN的去除效果

监测期间,南北两侧净化系统各单元进出口平均TN浓度如图3所示。南侧净化系统沉淀池S、S1、S2、S3级净化塘及稳定塘对水体中TN去除率依次是31.30%、10.22%、2.07%、4.90%、8.18%;北侧净化系统沉淀池N、N1、N2级净化塘及稳定塘对水体中TN去除率依次是22.88%、7.59%、−14.53%、−2.41%。可知,南侧S2、S3级净化塘,北侧N2级净化塘及稳定塘去除效果较差,因为微生物的硝化过程中需要硝化菌群的存在及必要的好氧环境[22],而S2、S3及N2级净化塘塘面浮萍较多,塘面溶解氧较低,依次为3.5、1.6和1.32 mg·L−1,抑制了好氧硝化菌的硝化作用,从而影响了系统氮素的去除效果。建议当地库塘管理人员加强对库塘中水生植物的收割、清理等日常管理,保证塘面清洁。
图3 不同净化单元对水体TN浓度的影响
Fig. 3 Effect of different purification unit on TN concentration
图3 不同净化单元对水体TN浓度的影响
Fig. 3 Effect of different purification unit on TN concentration
Cjee 201804107 t3

3.2.2 多级库塘各单元对NH4+-N的去除效果

图4为实验监测期间,多级串并联生态库塘各单元进出水平均氨氮浓度。南侧净化系统各组成单元对水体中NH4+-N去除率依次是37.52%、−181.54%、21.88%、41.47%、−25.18%;北侧净化系统各组成单元对水体中NH4+-N去除率依次是50.62%、−37.32%、16.92%、−9.81%。净化系统中各净化单元对水体中NH4+-N的去除效果差异性较大,尤其是S1、N1净化塘及稳定塘,出现进水NH4+-N浓度低于出水NH4+-N浓度现象,由图4可知,这一现象多发生于旱季,这是因为旱季库塘中水流较小,部分时间段甚至断流,导致旱季N1、S1净化塘塘面溶解氧浓度较低(低于1.5 mg·L−1),影响了好氧硝化菌的硝化反应[22],从而导致水体中氨氮浓度仍较高。
图4 不同净化单元对水体NH4+-N浓度的影响
Fig. 4 Effect of different purification unit on NH4+-N concentration
图4 不同净化单元对水体NH4+-N浓度的影响
Fig. 4 Effect of different purification unit on NH4+-N concentration
Cjee 201804107 t4

3.2.3 多级库塘单元对TP的去除效果

实验监测期间,多级串并联生态库塘各单元进出口TP浓度如图5所示。南侧净化系统各组成单元对水体中TP去除率依次是27.70%、8.09%、17.34%、11.81%、−11.46%;北侧净化系统各组成单元对水体中TP去除率依次是18.36%、4.75%、8.68%、−22.20%。系统中各级净化塘对水体中TP均具有一定的去除效果。但根据监测结果显示,监测期间,稳定塘大多时间段对水体中TP没有去除效果,旱季经常出现进水TP浓度高于出水TP浓度的现象。这可能是因为旱季稳定塘几乎没有进水,塘面表面DO浓度为1.05~2.18 mg·L−1,故塘底底泥DO浓度极低,因厌氧条件下,增加了底泥向水体中磷的释放量[23],导致水体中TP浓度仍较高。
图5 不同净化单元对水体TP浓度的影响
Fig. 5 Effect of different purification unit on TP concentration
图5 不同净化单元对水体TP浓度的影响
Fig. 5 Effect of different purification unit on TP concentration
Cjee 201804107 t5

3.3 雨、旱季多级生态库塘对水体中氮磷污染物的净化

3.3.1 雨、旱季多级库塘对水体中TN的去除

监测期间,多级串并联生态库塘对低污染水体中TN的去除效果如图6所示。由图3图6可知,系统对水体中TN的去除率较为理想。雨季进水TN浓度4.93~17.95 mg·L−1,平均值10.81 mg·L−1,去除率为2.99%~53.8%,平均值38.90%;旱季进水TN浓度2.96~14.08 mg·L−1,平均值7.78 mg·L−1,去除率为−13.58%~76.44%,平均值46.23%。
根据监测数据分析,雨季进水TN浓度波动较大,而旱季进水TN浓度总体呈先增长后下降趋势。这可能是因为,在雨季,含氮污染物随地表径流流入库塘,导致水力停留时间及进水TN浓度变化较大,影响多级库塘对水体中氮的硝化反硝化作用,从而影响了TN去除率;而旱季TN去除率为先升高后降低的趋势,这是因为旱季水力停留时间较雨季有所延迟,但此时气温逐渐降低,系统植物、微生物的生长繁殖活动减弱,导致对TN去除效果逐渐减弱[24]
图6 多级串并联生态库塘TN去除率
Fig. 6 Removal efficiencies of TN of multi-stage ecological pond
图6 多级串并联生态库塘TN去除率
Fig. 6 Removal efficiencies of TN of multi-stage ecological pond
Cjee 201804107 t6

3.3.2 雨、旱季多级库塘对水体中NH4+-N的去除

图7为监测期间,多级生态库塘对水体中NH4+-N去除效果。雨季,进水氨氮浓度为4.54~12.10 mg·L−1,平均进水浓度为7.70 mg·L−1,去除率为−4.68%~51.38%,平均值为27.52%;旱季进水氨氮浓度为0.22~4.86 mg·L−1,平均进水浓度为1.35 mg·L−1,去除率为64.71%~99.10%,平均值为84.43%。
图7所示,雨季进水氨氮浓度较高且波动性较大,旱季进水氨氮浓度较低呈上升趋势。旱季,水体中氨氮浓度较低时,各级净化塘对水体中氨氮具有较好的去除效果,在氮浓度低的情况下,浮萍会优先吸收、利用氨态氮[25],但后期净化塘表面溶解氧逐渐减小,从而限制了好氧硝化菌的增长和硝化反应的发生,氨氮去除效果逐渐减小;雨季,水体中氨氮浓度较高时,各级净化塘对水体中氨氮去除效果极不稳定,这可能是因为在氮浓度较高的情况下,浮萍可能会吸收更多的硝态氮,而不是氨态氮[26],加之进水氨氮浓度变化较大,导致水体中氨氮浓度难以沿程降低。
图7 多级串并联生态库塘NH4+-N去除率
Fig. 7 Removal efficiencies of NH4+-N of multi-stage ecological pond
图7 多级串并联生态库塘NH4+-N去除率
Fig. 7 Removal efficiencies of NH4+-N of multi-stage ecological pond
Cjee 201804107 t7

3.3.3 雨、旱季多级库塘对水体中TP的去除

图8为监测期间,多级串并联生态库塘对流经水体的TP去除效果。由图8可知,雨季进水TP浓度0.63~0.86 mg·L−1,平均值为0.73 mg·L−1,TP去除率为9.32%~60.41%,平均值为36.04%;旱季进水TP浓度0.37~1.29 mg·L−1,平均值为0.8 mg·L−1,TP去除率为−72.89%~78.88%,平均值为38.61%。
除 11月9日因库塘水流倒流导致系统进水TP浓度小于出水TP浓度,其余时间系统对水体中TP均具有较好的去除效果。雨季,大量含磷污染物随地表径流流入库塘,导致雨季库塘对水体中TP去除效果不太稳定。旱季初期,因水力停留时间的增长,有利于含磷颗粒物的沉降,且土壤、植物能吸收对水体中含磷污染物为自身生长所需的元素,因此,旱季TP 去除效果优于雨季,但随着停留时间的增长,各单元表面溶解氧逐渐降低,导致塘底底泥向水体中释放磷,故旱季TP去除率呈先增加后减小的趋势。
图8 多级串并联生态库塘TP去除率
Fig. 8 Removal efficiencies of TP of multi-stage ecological pond
图8 多级串并联生态库塘TP去除率
Fig. 8 Removal efficiencies of TP of multi-stage ecological pond
Cjee 201804107 t8

4 结论

1)并联多级生态库塘湿地对水体中N、P污染物均具有较好的净化效果,其中南侧净化系统对水体中TN、NH4+-N、TP的去除率依次是54.96%、64.17%、47.83%;北侧净化系统对水体TN、NH4+-N、TP的去除率依次是30.98%、54.11%、27.11%。
2)库塘系统对TN的净化效果,南侧S2净化塘、S3净化塘较差,去除率低于5%;北侧N2净化塘、稳定塘较差,去除率为−14.53%、−2.41%。库塘南北两侧净化系统各单元对NH4+-N、TP的净化效果较为一致,对NH4+-N的净化效果均在第1级净化塘和稳定塘最差,尤其是第1级净化塘去除率分别低至−181.54%、−37.32%;对TP的净化效果均在稳定塘最差,去除率为−11.46%、−22.20%。整体而言,稳定塘单元因塘内植物腐败、水流极小等原因,致使其对低污染水的净化效果最不理想。
3)多级库塘不同季节对低污染水净化效果不同,雨季对水体中TN、NH4+-N、TP平均去除率分别为38.9%、27.52%、36.04%;旱季对各污染物去除率依次是46.23%、84.43%、38.61%,旱季对水质的净化效果优于雨季。

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