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目录 contents

    摘要

    为了解决丹江口库湾局部水体富营养化问题,以水体氮、磷削减负荷为目标,利用渗透坝对库湾水体进行净化,促进库湾水体流动循环。该技术以渗透坝为主体,包括提水风车、生态塘和布水系统,设计进水负荷为16.7 L·min-1。结果表明,三级坝系统对水体中TP、TN、NH4+-N和NO3--N负荷平均削减率分别为48.3%、46.8%、56.9% 和52.1%,进水中NO3--N负荷量的标准偏差较大,为2.01,出水氮磷负荷量波动比较稳定,TN削减负荷量标准偏差较大,为1.08。TSS出水负荷量出现升高现象,分析表明TSS主要成分为固体颗粒物质。该技术的应用对库湾水体氮磷负荷具有显著的削减作用,同时能够增强库湾水体的流动循环,可有效防止水体富营养化现象发生。

    Abstract

    In order to solve the problem of eutrophication in the bay of Danjiangkou reservoir, a permeable dam was used to purify water with nitrogen and phosphorus load reduction, and promote the water flow circulation in the bay. In this technology, a triple permeable dam is the main part, water pumping windmills, ecological pond and water distribution system are auxiliary units, the design water load is 16.7 L·min-1. The results showed that through the triple permeable dam, the average reduction rates in TP, TN, NH4+-N and NO3--N loads reached 48.3%, 46.8%, 76.9% and 69.07%, respectively. The standard deviation for the input NO3--N load was higher than other parameters with a value of 2.01, the fluctuations in nitrogen and phosphorus load of effluent were stable, the standard deviation for TN reduction was also high with a value of 1.08. The TSS load in effluent increased, and correlation analysis indicates that it mainly composed of solid particulates. The application of this technology could significantly reduce nitrogen and phosphorus load in the bay water, strengthen bay water flow circulation, and prevent eutrophication phenomenon.

    宋志鑫, 宋刚福, 唐文忠, 等. 渗透坝对丹江口库湾水体氮磷负荷削减的应用 [J]. 环境工程学报, 2019, 13(1): 88-94.

    目前,水体富营养化是一个世界范围内的环境问题,可引起藻类及浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧量下降、水质恶化,造成水生生物大量死亡等现[1,2,3,4,5,6,7]。氮、磷是水体中重要的2大营养元素,对整个水生生态系统的变化有着极为重要的影响。其中,磷酸盐、氨氮含量富集是发生富营养化的必要条[8,9,10,11,12]。因此,水体富营养化的治理关键在于削减水体中氮磷营养盐的负荷,丹江口水库作为南水北调的水源地,防治水体富营养化,是保持水源安全的有效措[13,14,15,16]

    丹江口水库区位于秦岭东西构造体系的南部边缘,地形具有坡度陡、切割深,地貌地形复杂的特点,库湾多而狭长,水流动性差,水库总体水质良好,局部库湾水质有超标现[17,18,19]。库湾水体的营养程度直接关系到水源地的水质安全,所以对库湾水体营养盐负荷削减控制技术的了解具有重要意[20]。常见末端净化技术包括水生植物净化技[21]、人工浮床技[22,23]、生物调控技术等,这些技术具有原位净化作用,但技术本身改变了水体生态系统,对库湾水生态造成风[24]。人工浮床面临净化效果受季节变化影响大、植物残体造成营养物质重新释放的问题。而生物调控本身不适合水体营养负荷的削减。因此,如何让库湾水体在循环过程中实现负荷的削减,并且对水体水生态及周边环境不产生影响是水源保护技术的研究方向。基于以上问题,本研究采用风车提水,经过三级渗透坝与土壤渗滤、植物吸收、微生物降解和物理吸附等净化机[25,26,27],对库湾水体进行净化,削减水体中氮磷营养盐负荷、促进水体循环,为保护库湾水资源提供技术设计思路和理论基础。

  • 1 材料与方法

    1
  • 1.1 实验材料

    1.1

    实验采用304不锈钢和热镀锌水泵;风车采用踏脚设计安装和L形预埋件,用螺栓将铁塔紧固于塔脚,铁塔倾斜度可灵活调节;生态塘采用水泥和砖构筑;塘内种植有芦苇和水葱;三级渗透坝为合金钢网兜装填卵石(直径10~20 cm)的小型石坝,以木桩护脚结构进行防护;采用直径为5~10 cm,厚约10 cm的砾石和水泥作为施工材料。

  • 1.2 实验装置

    1.2

    提水风车是库湾水循环系统的动力设施,主要能量来源为风能,将电能作为提水风车的补充能源。采用低风速技术启动风车,在1.6~2 m·s-1的风速下即可启动,风车可以随风向调整,对风具有敏捷的感知力和汇聚[28,29]。叶轮直径为3.6 m的不锈钢片,可将水从40 m深的地方抽出。

    生态塘根据对现场地形构建,功能是储水和对三级渗透坝的合理布水。生态塘设置坡度为1∶1的边坡,深1.5 m,顶部长10 m,宽2.5 m,体积可容纳强风24 h的提水量。

    图1
                            三级渗透坝实景

    图1 三级渗透坝实景

    Fig.1 Scene of three-level permeable dam

    三级渗透坝共3座:前坝(一级坝)顶长15 m;中坝(二级坝)顶长10 m;后坝(三级坝)顶长5 m。坝高0.5 m,坝顶宽0.3 m,底部宽0.5 m,分别构筑高程为185、175和170 m。石坝迎水端以1∶2边坡抛筑,背水段以木桩护脚结构进行防护。此外,在背水段1 m范围内铺设直径为5~10 cm颗粒,厚约10 cm的砾石,防止石坝位移和偏滑,总石方量约30 m3。实体工程如图1所示。

  • 1.3 实验方法

    1.3

    库湾水体净化系统构建的关键技术采用提水风车-生态塘-渗透坝的基本模式。其中,提水风车为水循环动力系统;生态塘为水循环配水系统,经过补水管线进入渗透坝;渗透坝为水循环的净化系统,污染负荷通过生态塘、渗透坝和土地漫流得到净化。具体流程如图2所示。

    图2
                            库湾水体净化系统工艺流程

    图2 库湾水体净化系统工艺流程

    Fig.2 Process flow of water purification system in a reservoir bay

    实验场地设置在丹江口松涛湾,位于丹江口水库坝前区域,为典型的陡坡型库岸带。提水风车安装在山腰处,山顶平地构建生态塘,依据山谷建设三级渗透坝,接纳生态塘的出水。实验用水为该生态塘出水,三级渗透坝水力负荷为16.7 L·min-1,期间水温8~23 ℃,进水水质见表1

  • 1.4 分析方法

    1.4

    2017年10月—2018年7月,对净水循环系统进行连续采样,每月取样4次,设置采样点4个,分别为渗透坝进水和末端出水(如图3所示),每个样点采集水样300 mL,早上9点与下午4点各取一次后混合,监测混合水样。水质监测指标主要为TP、TN、NO3--N、NH4+-N和TSS。该实验有关监测指标的分析均参考文献中的方[30]。pH使用麦隆多功能6P便携式水质测试仪检测;TP采用钼酸铵分光光度[31]检测;TN使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度[32]检测;NO3--N根据《水质 无机阴离子的测定 离子色谱法[33]检测;NH4+-N采用纳氏试剂分光光度[34]检测。TSS采用重量[30]检测。实验数据使用SPSS13.0和Origin8.5进行分析。

    表1 进水主要水质指标

    Table 1 Main quality indexes of influent water

    统计量pHTP/(mg·L-1)NH4+-N/(mg·L-1)NO3--N/(mg·L-1)TSS/(mg·L-1)
    浓度范围7.5~8.50.01~0.120.1~0.280.25~0.50.02~0.70
    平均浓度7.8±0.30.1±0.040.15±0.60.4±0.150.27±0.16
    图3
                            采样点分布

    图3 采样点分布

    Fig.3 Sampling point distribution

  • 2 结果与讨论

    2
  • 2.1 TP和TSS负荷变化特征

    2.1

    渗透坝对总磷去除效果如图4(a)所示,进水TP经过三级渗透坝拦滤后负荷量明显降低。由于进水滞留、下渗和蒸发等因素导致出水量下降,为准确表示净化效果,采用单位时间内污染物负荷量计算。生物塘出水的总磷平均负荷为0.79 mg·min-1,经过一级坝,出水平均负荷降低为0.5 mg·min-1,二级坝出水平均负荷降低到0.4 mg·min-1,三级坝出水平均负荷进一步降低至0.3 mg·min-1。在时间尺度上,各级坝体出水总磷负荷在系统运行初期呈略微上升趋势,波动比较明显,12月之后趋于稳定。三级渗透坝对总磷负荷的去除效果随着水流方向递减规律显著。另外,随着季节变化,总磷的净化效果受温度影响小,磷的去除主要靠基质吸附作用,与多孔介质中的矿物质进行反应,如铁的羟基氧化物和碳酸盐[35]。经过三级渗透坝的净化,从而减少库湾水体中的磷元素。由于渗透坝与土壤基质对磷的吸附存在一定饱和度,随着磷元素在系统基质里面的累积,削减效率会出现下降现象。为了延缓该净化系统使用年限,需要在秋季对坝体之间的植被进行收割。

    但是,水体经过三级渗透坝和坝体之间的土壤植被,出水中固体颗粒物是否增加,需要参考相应指标进行分析。TSS是水体中总固体颗粒物浓度的含量,能够反映水体透明度。本研究选取TSS作为检测指标。由图4(b)可以看出,TSS在进出水中的负荷很低,含量变化相对稳定,平均负荷量为0.27 mg·min-1。运行期间,三级坝出水中TSS负荷整体为上升趋势(尤其在运行初期),可能由于坝体与土壤基质松软造成初期TSS波动较大。另外,强降雨天气也会导致出水TSS突然升高,出水TSS负荷平均为0.68 mg·min-1,高于进水负荷。这是由于经过土壤渗滤,会把一些固体颗粒物质(土壤颗粒、植物碎屑等)带进水体,造成TSS升高。经与进出水TP的变化比较发现,TP负荷的削减并未受到TSS的影响。这可能与进出水体中TSS的成分有关。系统运行稳定后,TSS的成分主要为水流冲刷流失的土壤矿物颗粒物,容易沉降而不会造成出水水体中的磷含量升高。

    图4
                            进水及各级坝出水TP和TSS负荷变化

    图4 进水及各级坝出水TP和TSS负荷变化

    Fig.4 Change of TP and TSS load of the influent and effluence of each permeable dam

  • 2.2 氮负荷变化特征

    2.2

    氮的化学形态包括有机态和无机态,细分为NH4+-N、NO3--N和NO2--N。由于NO2--N形态变化复杂且含量少,故本研究选取TN、NH4+-N和NO3--N为主要参考指标。实验期间,进水和各级坝体出水的TN负荷变化如图5(a)所示。进水的总氮负荷波动较大,平均负荷为8 mg·min-1,而出水TN负荷为4 mg·min-1。11月,三级渗透坝的进水和出水中TN的负荷整体较高,12月之后,逐渐下降,在运行初期,土壤中有一定量的可溶性氮,与水接触直接增加出水的含氮[36]。各级坝体出水的总氮负荷均低于进水负荷,说明渗透坝系统对总氮同样具有明显的去除能力。各级坝体出水的总氮负荷存在差异,顺着水流方向,总氮负荷呈下降趋势。运行初期,各级坝体出水的总氮负荷波动较大,整体呈现下降的趋势。

    图5
                            进水及各级坝出水TN、NH4+-N和NO3--N负荷变化

    图5 进水及各级坝出水TN、NH4+-N和NO3--N负荷变化

    Fig.5 Change of TN, NH4+-N and NO3--N load of the influent and effluence of each permeable dam

    对库湾富营养化水体中氨氮的净化机理主要是依靠植物的吸收和微生物硝化反硝化的协同作用下完成的。由图5(b)可知,进水NH4+-N平均负荷为1.8 mg·min-1,一级坝出水平均氨氮负荷为1.2 mg·min-1,三级坝出水平均氨氮负荷为0.4 mg·min-1。其中一级坝出水氨氮负荷变化幅度较大,而二、三级出水相对稳定,说明坝体对溶解性的氨氮具有较强的缓冲作用;但是,NH4+-N受温度影响较显著,2月之后,温度适合植物和微生物的生长,进水和各级坝出水氨氮负荷都有所上升。氨氮去除主要依靠植物根系和微生物的吸附和吸收作用,截留和吸附作用较小;另外,三级渗透坝系统中植物的根毛输氧和传递特性,使得基质表层内部呈现出好氧状态,有利于硝化作用,从而改善氨氮的去除效果;温度升高能够促进氨氮的挥发作用,但是在7月有升高的趋势,温度升高,微生物活性提高,促进腐败植物分解释放NH4+-N,从而提高出水中负荷,因此,秋季收割植物能够减少植被残体腐败造成的营养盐向水体中的释放。

    如图5(c)所示,进水中NO3--N的负荷平均值为3.3 mg·min-1。运行初期,硝态氮负荷整体上升,之后趋于稳定,三级坝体出水的硝态氮负荷在运行后期基本稳定在0.5 mg·min-1。这说明整个系统运行稳定,而且NO3--N去除率受季节变化影响较小。

  • 2.3 氮磷负荷削减效果

    2.3

    通过实验分析,验证了该技术方案设计的有效性。在进水量为16.7 L·min-1,对三级渗透坝系统的进出水进行监测,同时对监测数据进行统计分析。三级渗透坝进出水的平均负荷量结果如图6所示。氮磷4种参考指标的箱体图显示,渗透坝对水体中TP、TN、NH4+-N和NO3--N的平均削减负荷率分别为48.3%、46.8%、56.9%和52.1%。由此可知,出水污染物负荷量波动较小,这是由于氮受到环境影响因素较多、TN削减负荷率波动氛围较大所导致的。因此,通过渗透坝和土壤的渗滤对水质有明显的净化作用,能够达到对库湾水体富营养化防治及水体循环的目标。

    图6
                            4种参考指标削减负荷率的箱体图

    图6 4种参考指标削减负荷率的箱体图

    Fig.6 Box-and-whisker plots for the reduction rates of four reference indexes

  • 2.4 相关性分析

    2.4

    通过对进出水监测指标的相关性分析,研究库湾水体氮磷污染物的来源以及与固体颗粒物成分。如果参考指标之间显著相关,则说明它们出自同一来源或者组分的可能性较大。对所有数据进行正态分布检验,进行不同指标之间的相关性分析(如表2所示)。可以看出,进水中TP与NH4+-N和TSS指标之间具有相关性(P<0.05);TN与NO3--N指标之间相关性显著(P<0.01)。这说明,进水氮磷负荷来源比较相似,固体颗粒物为有机悬浮颗粒物质。出水中TSS 与NO3--N指标之间相关性显著(P<0.01),与TP相关系数为负。可见,水体经过渗透坝之后,氮磷被截留,固体颗粒物成分发生改变。综上表明,系统运行稳定后,三级渗透坝有显著的净化效果;而且出水中TSS的成分主要为无机矿物颗粒物,能够有效降低水体中营养盐的含量。

    表2 参考指标之间的相关性分析

    Table 2 Pearson correlation coefficients for the relationships between reference indexes

    进水TPTNNH4+-NNO3--NTSS出水TPTNNH4+-NNO3--NTSS
    TP1TP1
    TN0.1571TN0.3211
    NH4+-N0.446*0.2101NH4+-N0.1240.1191
    NO3--N-0.3000.701**0.2191NO3--N-0.4380.212-0.0711
    TSS0.451*-0.1510.249-0.3421TSS-0.184-0.185-0.220.687**1

    注:* P<0.05;** P<0.01 (双尾检验), n=24。

  • 3 结论

    3

    1) 通过三级渗透坝的生态方法对库湾水体进行净化,可避免对水生态环境产生不良影响。该方法具有运行维护成本低、操作简单等优点。

    2) 采用风车提水、生态塘储水配水和渗透坝净化的技术工艺,对库湾滞留水体进行提取和回流,促进了水体流动循环,对水体中氮磷营养盐负荷具有显著的削减作用,能够有效防止库湾局部水体富营养化。

    3) 加强场地恢复工作,实施覆草压实、引入土著湿生植物群落、在出水处设置沉淀池来降低TSS负荷等措施,可进一步完善该技术的设计方案,充分发挥对库湾水体的净化功能。

  • 参 考 文 献

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宋志鑫

机 构:

1. 华北水利水电大学环境与市政工程学院,河南省水环境模拟与治理重点实验室,郑州450011

2. 中国科学院生态环境研究中心,环境水质学国家重点实验室,北京100085

Affiliation:

1. Key Laboratory of Henan Provincial Water Environment Simulation and Control, School of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China

2. State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

角 色:第一作者

Role:First author

邮 箱:song_zx321@163.com

第一作者简介:宋志鑫(1988— ),男,博士研究生。研究方向:水环境与水生态。E-mail:song_zx321@163.com

宋刚福

机 构:华北水利水电大学环境与市政工程学院,河南省水环境模拟与治理重点实验室,郑州450011

Affiliation:Key Laboratory of Henan Provincial Water Environment Simulation and Control, School of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China

唐文忠

机 构:

2. 中国科学院生态环境研究中心,环境水质学国家重点实验室,北京100085

3. 中国科学院大学,北京100049

Affiliation:

2. State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

角 色:通讯作者

Role:Corresponding author

邮 箱:wztang@rcees.ac.cnwztang@rcees.ac.cn

作者简介:唐文忠(1982— ),男,副研究员。研究方向:河流生态恢复等。E-mail:wztang@rcees.ac.cn

李海华

机 构:华北水利水电大学环境与市政工程学院,河南省水环境模拟与治理重点实验室,郑州450011

Affiliation:Key Laboratory of Henan Provincial Water Environment Simulation and Control, School of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China

闫丹丹

机 构:华北水利水电大学环境与市政工程学院,河南省水环境模拟与治理重点实验室,郑州450011

Affiliation:Key Laboratory of Henan Provincial Water Environment Simulation and Control, School of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China

王蒙蒙

机 构:华北水利水电大学环境与市政工程学院,河南省水环境模拟与治理重点实验室,郑州450011

Affiliation:Key Laboratory of Henan Provincial Water Environment Simulation and Control, School of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China

金曙光,郑晓梅,张利田

角 色:中文编辑

Role:Editor

/html/teepc_cn/201807115/alternativeImage/7d2bf516-51ce-42ee-87f3-d4e73050d36b-F001.jpg
/html/teepc_cn/201807115/alternativeImage/7d2bf516-51ce-42ee-87f3-d4e73050d36b-F002.jpg
统计量pHTP/(mg·L-1)NH4+-N/(mg·L-1)NO3--N/(mg·L-1)TSS/(mg·L-1)
浓度范围7.5~8.50.01~0.120.1~0.280.25~0.50.02~0.70
平均浓度7.8±0.30.1±0.040.15±0.60.4±0.150.27±0.16
/html/teepc_cn/201807115/alternativeImage/7d2bf516-51ce-42ee-87f3-d4e73050d36b-F003.jpg
/html/teepc_cn/201807115/alternativeImage/7d2bf516-51ce-42ee-87f3-d4e73050d36b-F004.jpg
/html/teepc_cn/201807115/alternativeImage/7d2bf516-51ce-42ee-87f3-d4e73050d36b-F005.jpg
/html/teepc_cn/201807115/alternativeImage/7d2bf516-51ce-42ee-87f3-d4e73050d36b-F006.jpg
进水TPTNNH4+-NNO3--NTSS出水TPTNNH4+-NNO3--NTSS
TP1TP1
TN0.1571TN0.3211
NH4+-N0.446*0.2101NH4+-N0.1240.1191
NO3--N-0.3000.701**0.2191NO3--N-0.4380.212-0.0711
TSS0.451*-0.1510.249-0.3421TSS-0.184-0.185-0.220.687**1

图1 三级渗透坝实景

Fig.1 Scene of three-level permeable dam

图2 库湾水体净化系统工艺流程

Fig.2 Process flow of water purification system in a reservoir bay

表1 进水主要水质指标

Table 1 Main quality indexes of influent water

图3 采样点分布

Fig.3 Sampling point distribution

图4 进水及各级坝出水TP和TSS负荷变化

Fig.4 Change of TP and TSS load of the influent and effluence of each permeable dam

图5 进水及各级坝出水TN、NH4+-N和NO3--N负荷变化

Fig.5 Change of TN, NH4+-N and NO3--N load of the influent and effluence of each permeable dam

图6 4种参考指标削减负荷率的箱体图

Fig.6 Box-and-whisker plots for the reduction rates of four reference indexes

表2 参考指标之间的相关性分析

Table 2 Pearson correlation coefficients for the relationships between reference indexes

image /

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

无注解

* P<0.05;** P<0.01 (双尾检验), n=24。

  • 参 考 文 献

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