复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用

第ig卷第2期上海海洋大学学报2010年 3 月JOURNAL OF SHANGHAI OCEAN UNIVERSITYMar.,2010文章编号：1674 - 5566(2010)02 - 0259 - 06复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用范志锋，李 平2,王丽卿，季高华,邱雪妹(1.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306;2上海青浦区水利排灌管理署，上海 201700 )摘 要:利用复合型人工湿地系统净化处理农业面源污染，研究了湿地系统对营养物质 、重金属的去除效果。结果表明，在低污染负荷的运行情况下，湿地系统对总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮的去除率分别为44 11%、18 90%、52 86%和73 32% ;对总磷、高锰酸盐指数和叶绿素a的去除率为 49. 46%、16. 77%和75. 82% ;处理后的水质较处理前可提高12个水质等级。湿地系统对有机物的去除效果不明显，而对叶绿素的净化效果显著。湿地系统对重金属的去除有显著效果，对铜、锌、砷、硒、汞、铬、铅的去除率分别为74 7%、85. 3%、21 2%、40. 0%、30. 4%、41. 3%和33 5%。湿地系统对总磷和叶绿素a的去除呈极显著差异，对亚硝态氮和。.呈显著差异。经湿地系统处理后，岀水水质完全达到温室蔬菜灌溉水环境质量标准的要求。关键词：复合型人工湿地系统；农业灌溉用水；水质净化；去除率中图分类号：S181文献标识码：AAppli cation of compound constructed wetland for treatingagri cultural nonoint source polluti on 1 2 1 1 2FAN Zhi2fe ng , L I Pi ng , WANG Li2qi ng , JI Gac2hua , QIU Xue2nei(1. College of Fisheries and L ife Science, Shanghai OceanU niversity, Shanghai, 201306, China;2 Shanghai Q ingpu D istrict Irrigation and D rainage M anagem ent B ureau, Shanghai, 201700, China)Abstract: Compound constructedwetland was applied in treating agricultural irrigation polluted water studied the removal effect on nu trie nts and heavymetals in flue need by it The results in dicated that in the case of low polluti on load, the removal rate on total nitrogen(TN) , ammonia nitrogen(NH32N) , nitrate nitrogen(N032 N) as well as ni trite n itroge n(NO2 2J) in wetla nd system were 44 11% , 18 90% , 52. 86% an d 73 32% regectively. The removal rate on total phosphorus (TP), organic compounds(CODMn) and chlorophyll a (Chla) were 49 46% , 16 77% and 75 82%. Correrondingly, the water has mp roved 1 - 2 water quality grade compared with that of water before treatm ent . The removal effect on organic compounds was not significant, while it had better purificati on effect on chlorophylla. The removal effect on heavymetals such as Cu, Zn, A s, Se, Hg, Cr and Pbwere 74. 7% , 85 3% , 21. 2% , 40 0% , 30 4% , 41. 3% and 33 5%. The total phosphorus and chlorophyll a showed an extreme significant difference the nitrite nitrogen and organic收稿日期:2009 209 218基金项目：上海市重点学科水生生物学建设项目（S30701）;上海市科委专项（08D21981000）作者简介：范志锋（1981 -）,男，助理实验师，主要从事水生生物生态学及水域生态修复方面的研究。E2nail: zffanshou edu cn通讯作者：王丽卿，E2mail: lqwangshou edu cn1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#compounds showed significant differenee after treatnent by wetland system. The water quality of treatedwater could absolutely meet theenvironmental quality standardof irrigation water for greenhousevegetables Key words: compound construeted wetland systm; agriculture irrigation water; water purifieati on ; removal rate1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#随着中国农村经济的发展，化肥、农药的大量使用，使得农业面源污染成为中国环境污染的 首要问题1。农业面源产生的主要污染物如化 肥、农药、杀虫剂等，虽然一部分可被植物体吸收 利用，但大部分却通过地表径流流入河流、湖泊等地表水体，造成受纳水体的富营养化2-3，丧失 应有的水体功能。因此，寻求一种合适有效的水 处理技术对农业面源污染进行处理，具有重要的现实意义和生态价值。人工湿地是20世纪70年代新兴的污水处理 技术，它利用土壤、人工填料和湿地植物组成的 独特生态系统中的物理、化学和生物的三重作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和 微生物分解来实现对污水的高效净化 。人工湿 地水处理技术广泛应用于城市污水4、工业废水、暴雨径流6等水体的处理，具有良好的净 化效果。建设复合型人工湿地系统对上海市青 浦区农业园区内接受面源污染的河道水体进行 净化处理，处理后的水应用于园区大棚蔬菜生 产，实现水资源的循环利用，同时为安全、安心的 生态农产品生产提供洁净的水源。本文对复合型人工湿地系统的水质净化效果进行研究，以期为因地制宜建设人工湿地进行农业面源污染的 生态补偿提供科学依据。1材料与方法1. 1试验场所及复合型人工湿地系统组成复合型人工湿地系统位于上海市青浦现代农业园区，园区内有稻田、菜地、还有精养鱼塘 ， 存在一定的农业面源污染 。园区内地处洼地的5条相对封闭河道，是面源污染的受纳水体。复合 型人工湿地系统位于连接中北河和蒸中河的河 道内，由水平流潜流湿地（4个单元，两两串联）、垂直流潜流湿地（3个单元）以及表面流湿地组成（图1）。复合湿地系统总面积为1 044 m2，其中水平流湿地 548 m2，潜流湿地600 m2俵1）。潜 流湿地填料为 3种不同粒径的滤料组成，填料总高度为0.9 m，分3层平铺，上冲、下3层滤料粒 径分别为1. 2、2 4、3 8 cm，湿地系统水力停留时 间为3. 5 h，水力负荷为 16 9 m /d。潜流湿地植 物分别种植美人蕉、千屈菜、石菖蒲、黄花鸢尾、 旱伞草等，表面流湿地为芦苇、水葱、香蒲等挺水 植物和苦草、轮叶黑藻、伊乐藻等沉水植物。湿地系统通过动力可以实现园区内河道水体的单 向流动；该系统由蒸中河进水，经垂直流 一水平流一表面流一水平流一垂直流湿地，由中北河出 水（图1）。1 2试验条件和方法本试验于2008年8 - 9月期间进行，取样时 水温为23 025 5 C。在湿地连续运行期间，隔天在湿地系统的进 水、出水口取样进行水质测定，连续取样测定6次。测定指标包括总氮 （TN）、总磷（TP）、高锰酸 盐指数（CODMn）、氨氮（NH32N）、亚硝态氮（NO2 2 N）、硝态氮（NO3 2J）和叶绿素a（Chla），测定方法 参照水和废水监测分析方法第四版）7。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用263表1青浦农业园区复合型人工湿地系统结构组成Tab. 1 The constructed wetland structure composition of Q ngpu agr iculture park人工湿地类型面积（m2）湿地植物配置垂直流潜流湿地150美人蕉黄花）垂直流潜流湿地285旱伞草+美人蕉（红花）水平流潜流湿地177菖蒲水平流潜流湿地277千屈菜水平流潜流湿地352. 5石菖蒲表面流湿地1548芦苇冰葱，香蒲水平流潜流湿地452. 5石龙瑞+水毛花水平流潜流湿地577黄花鸢尾水平流潜流湿地677千屈菜垂直流潜流湿地353亚菊在湿地系统连续运行的第9天,取样测定进出水口重金属含量，测定指标包括铜、锌、砷、硒、 汞、铬（六价）、铅，测定方法参照国家地表水环境 质量标准规定方法。复合型人工湿地系统对不同营养物质的去 除效果利用SPSS16 0统计软件进行显著性方差 分析（ANOVA）。2结果2 1复合型人工湿地系统对不同营养物 质的去除效果受蒸中河河道水质变化的影响，湿地系统进水水质不稳定，进水主要水质参数变化范围为TN0. 25 0 62 mg/L、TP 0. 10 0. 19 mg/L、CODMn 8. 111. 0 mg/L。根据地表水环境质量标准基 本项目标准限值 （GB3838 2002），该进水水质 处于IIIV类水。2. 1. 1复合型人工湿地系统对水体中氮的去除 效果复合型人工湿地进、出水中氮素营养物质浓 度变化见图2,从中可知：湿地系统对水体TN的去除效果不稳定，其中系统运行的第5天和第9天去除率较低，平均去除率为 44.11%,变幅11. 47%77. 42%;湿地系统对氨氮的去除则比较 稳定，但去除率较低，为5. 86%25 34% ,在系 统开放的第9天效果较差，去除率只有 5. 86% , 这可能与进水的氨氮浓度较低有关，其他时间测定的去除率都在 21. 15%左右,经过复合型人工 湿地系统处理后的总氮和氨氮指标可达到地表 水II类水质标准。湿地系统对硝态氮的去除效 果比较明显,最高可达 75.97%,平均去除率为52 86%，从图中可以看出，在系统连续运行的第 7天，去除率反而比之前降低，这可能与进水硝态 氮的浓度较高有关，其他时间的硝态氮的进水浓 度都较低。湿地系统对亚硝态氮的去除率是3种形态氮中最高的，去除率平均高达73 73%，变幅为52 08%97. 05% ,且对亚硝态氮的去除比 较稳定。人工湿地去除氮的主要方式包括物理、化学和生物3个方面，物理方式为挥发、吸附，化学方 式主要为氨化、硝化、反硝化和植物摄取8。一般认为，表面流湿地通过湿地植物吸收、根系微生物降解的方式实现，潜流湿地以硝化 、反硝化作用作为氮的主要去除机理。表面流湿地中沉水植物通过根系作用对营养物质吸收净化 ，可以 对水质中营养物质的去除达到很好的效果 ，而 潜流湿地主要通过湿地植物的吸收和不同粒径 的填料表面形成的生物膜来吸附、降解有机物和氮磷营养物质。湿地系统对总氮去除率不高 ，主 要因为湿地系统的进水浓度较低 ，污染负荷较 低。研究表明，低污染负荷的人工湿地对氮磷营 养物质的去除率要低于高污染负荷 10。湿地系 统对硝态氮和亚硝态氮的去除效果明显 ，这可能 由于潜流湿地的面积大（占43 3% ）,湿地进水污染负荷小，潜流湿地溶氧充足，湿地植物在此季 节生长旺盛，植物通过蒸腾作用，加上湿地填料 微生物活性较强，从而硝化和反硝化能力较强。硝态氮既可以被湿地中沉水植物群落直接吸收 利用，也可以被潜流湿地填料中的微生物通过硝 化和反硝化作用去除。2. 1. 2复合型人工湿地系统对磷的去除效果湿地系统对总磷的去除效果明显（图3），平均去除率为49 46%,湿地运行初期，总磷的去除 率只有28. 7% ,随着系统的连续运行，去除率逐步升高。Tanner等研究表明，潜流湿地运行初期 对磷的去除率不高，有时甚至会出现负值，可能 与湿地填料初期的磷的释放有关11 ,吴振斌也有类似报道12。本试验虽然没有出现负值情况，但 运行初期对磷的去除率低,与前人研究结果相符。人工湿地对磷的去除主要是通过湿地填料 的吸附和微生物生物膜的降解作用来实现的13。湿地系统潜流湿地填料为砾石，具有很高的磷吸附能力14,加上潜流湿地有效体积大（为377. 1m3）,因此,湿地系统对总磷的去除效果明显。尽管湿地系统的表面流的水生植物占有面积很大 但植物对磷净化效果作用较小15 。湿地系统运行到第7天，进水总磷浓度达到地表水 V类标准，但出水水质还能控制在 II类，因此，湿地系统 在稳定的情况下，尽管进水浓度可能升高，但出水水质仍然可以得到保证。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#357911时间旳a.对总鮭的去除一进水*出水5 4 3 2 1 o.(koBdo.3、管】、辿舞拯送鑑厚进水出水11进水 -*-出水l.o r *8 6 4 2 O.O.O.CJ 3、曽 ss13579 II时间用b.对氨氮的去除时间加吐对亚硝酸盐氮的去除 ,1 0504030 0 001M0To.时间用对硝義盐氮的去除1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#图2湿地系统对总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的去除效果Fig. 1. 3复合型人工湿地系统对水体有机物（以CODm n表示）的去除效果湿地系统对有机物去除效果不显著（图4），去除率最高只有 25 87%，出水水质达地表水V类COQn标准。湿地系统运行3天后去除率有所 下降，之后又反弹，变化规律不明显 。这可能与 表面流湿地的沉水植物对水体中CODMn的去除效果不明显9有很大关系。 The removal effect on TN, NH 3 2N，NO22N and NO 3 2N in wetland system1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#图3湿地系统对总磷的去除效果Fig 3 The removal effect on TP in wetland systen31逞一*进水一1出水图4湿地系统对CODMn的去除效果Fig. 4 The removal effect on CODMn in wetland systen2 1 4复合型人工湿地系统对水体中叶绿素a（Chl a）的影响如图5所示，湿地系统能够明显降低Chla含量,去除率为53 6%84 0%，系统开放前5天, 系统对Chla的去除率逐渐升高，5天以后去除率 一直维持在80%以上。这说明，潜流湿地填料的 过滤、沉降作用是 Chla含量降低的重要原因，同 时湿地系统中的沉水植物对浮游藻类有一定的 抑制作用16；湿地系统进水 Chla均值为26 43 卩g/L，根据我国湖泊富营养化评价标准17，该水 体为中富营养型，出水Chia均含量为7. 14卩g/L, 属中营养型，因此，湿地系统可有效净化富营养 化水体。时间图5湿地系统对叶绿素a的去除效果Fig. 5 The removal effect on Chia in wetland systm2 2湿地系统对重金属的去除效果在湿地系统运行第9天,从系统的进、出水口分别取水样进行重金属的检测，并计算各个指标的去除率，如表2所示。表2湿地系统对重金属物质的去除效果Tab. 2 The rem oval effect on heavy metal n wetl ands system指标进力/mg/L出水/mg/L去除率铜0.003 360. 002 5174. 7%锌0.001 760. 001 585. 3%砷0.002 60. 000 5521. 2%硒0.000 210. 000 08440. 0%汞0.000 0560. 000 01730. 4%铬（六价）0.001 090. 000 4541. 3%铅0.002 360. 000 7933. 5%从表2中可以看出，进水重金属含量均较 低，除汞浓度达到II类地表水汞的标准外，其他指标均小于I类地表水标准上限值。但是，尽管重金属含量低，湿地系统对铜、锌的去除效果还 是非常显著，分别达到74 70%和85 23%，对其 他几种指标的去除率也较显著，湿地系统对汞的去除率为 30 36%，出水浓度为 0 000 017 mg/L。 经过复合型人工湿地处理，水体中重金属含量均达到国家地表水环境质量I类水质标准。研究指出，湿地植物（如美人蕉等）对金属铬有较好的去 除能力18，湿地系统对汞的吸收主要通过植物体 对汞的富集来实现19，本湿地系统中的湿地植物 对重金属吸收富集以后，通过收割进行转移，从 而达到移位生态修复的目的。以上结果表明，湿地系统能有效地去除水体中的重金属。2 3湿地系统对各水质因子进、出水的显 著性差异检验通过SPSS16 0统计软件显著性方差分析得 出，经湿地系统处理后、出水总磷和叶绿素a与进水相比呈极显著差异（P 0 01），亚硝态氮和CODMn呈显著差异（P 0. 01），其他水质因子均 无显著性差异。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#Tab. 3 Thesign if icanced ifference test for d ifferen t wa ter qua lity before and aftertrea tm ent nwetl and system显著性检验总氮氨氮硝态氮亚硝态氮总磷CODM n叶绿素aF值4.4980. 7351. 3177. 786 319. 800 3 37. 178315. 81633表3湿地系统不同水质因子进、出水的显著性差异检验注：3 表示 P 0 05； 3 3 表示 P 0. 01； df1 = 1； df2 = 10。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用2651994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2期范志锋，等：复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用#3结论复合型人工湿地系统能有效地去除N、P等营养物质，处理低污染负荷的农业面源污染水 体，总氮、总磷去除率可达 44 1%和49 5%，出水 水质比进水可提高 12个地表水水质等级；但 对有机物质的去除率不高，仅为16 8%;湿地系统对 Chla的去除效率高达 75 8%。复合型人工湿地系统在水力负荷为16 9 m /d，水力停留时间为 3 5h的条件下，系统对低污染 负荷的河道水体的去除率不高，低污染负荷是影响湿地系统去除效果的主要因素。农业园区的湿地系统连续运行 10 d后对水体营养物质的去除趋向稳定。复合型人工湿地系统使灌溉用水中重金属 物质含量的大幅下降，出水浓度大大低于I类地表水标准的上限，根据温室蔬菜产地环境质量 评价标准（HJ 33322006），处理后的水完全符合 温室蔬菜灌溉水环境质量标准，该人工湿地系统 的建设不仅为农业面源污染实现了生态补偿，还可实现水资源的循环利用。参考文献：1李海鹏，张俊飈.中国农业面源污染的区域分异研究J.生态保护，2009, （4） : 43 - 452潘少军.农业面源污染亟待治理N .人民日报，2008 - 4-15(10).3 朱兆良，孙波.中国农业面源污染控制对策研究J,污染 减排,2008, 394: 4 - 6.4 曹优明.人工湿地对城市生活污水的净化研究J,水处理技术,2008, 34(9) : 26 - 295 藉国东，孙铁珩,李顺.人工湿地及其在工业废水处理中 的应用J,应用生态学报,2002, 13(2) : 224 - 228.6 张荣社，李广贺，周琪等.潜流湿地控制暴雨径流中氮磷 冲击负荷中试研究J,中国给水排水,2007, 23(1) : 64 - 68.7 国家环保总局水和废水监测分析方法编委会.水和废 水监测分析方法M . 4版.北京：中国环境科学出版社, 2002: 123 - 207, 344 - 391.8 卢少勇，金相灿，余刚.人工湿地的氮去除机理J .生态 学报,2006, 26(8) : 2670 - 26769 王丽卿，李燕,张瑞雷.6种沉水植物系统对淀山湖水质 净化效果研究J.农业环境科学学报,2008, 27(3): 1134-1139.10 向长生，张彭义，卢少勇，等.以马蹄莲为主体植物的人工湿地处理低浓度污水中试研究J .生态环境，2007, 26(5) : 1368 - 1371.11 Tanner C C, C layton J S, Upsdell M P Effect of L oading Rate and Planting in Constructed W etlands 2l. Rem oval of N itrogen and Phosphorus J. W at Res, 1993, 29 (1): 27 - 34.12 吴振斌，陈辉蓉，贺锋,等.人工湿地系统对污水磷的净化 效果J.水生生物学报，2002, 25(1) : 28 - 35.13 帖靖玺,钟云，郑正，等.二级串联人工湿地处理农村污水的脱氮除磷研究J .中国给水排水,2007, 23 (1): 88 -9614 郭本华，宋志文，李捷，等.3种不同基质潜流湿地对磷的 去除效果J.环境污染治理技术与设备,2006, 7(1) : 110-11315 M cjannet C L. N itrogen and phosphorus tissue concentrations in 41 w etland p lant: a comparison across habitats and functional groups J . Functional Ecology, 1995, 9(5): 231 -238 .16 由文辉.我国利用水生植物监测和净化污水的研究进展J.环境科学动态,1993, (2): 8 - 11.17舒金华.我国湖泊富营养化程度评价方法的探讨J.环境污染与防治,1990, 12 (5) : 2 - 7.18 张超兰，陈文慧，韦必帽,等.几种湿地植物对重金属铬胁 迫的生理生化响应 J.生态环境，2008, 27 (4) : 1458 - 1461.19王起超，刘汝海，吕宪国，等.湿地汞环境过程研究进展J.地球科学进展,2002, 27 (6) : 881 - 885.1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.