农田径流人工湿地处理中磷的去除研究

摘要

随着点源污染治理力度的加大，面源污染的控制逐渐成为削减外源污染负荷的关键。而农田径流携带的污染物是农业区面源污染的重要组成部分，外源磷输入是导致湖泊、河流和海洋等水体富营养化的重要因素。因此控制农田径流携带的磷对于污染防治和富营养化风险的削减具有重要的意义。人工湿地最初是用来处理城镇生活污水和农村污水的，以去除BOD5和SS为主，随着N、P标准的提高，关于人工湿地的研究逐步转向了对污水中TN、TP去除的研究。目前，人们对人工湿地处理污水方面开展了很多的研究，为人工湿地的推广和应用提供了理论基础，但关于人工湿地处理农田径流方面的研究较为缺乏。据此，本研究通过静态试验分析了重庆常见的4种人工湿地填料对磷的吸附特征，从动力学和热力学的角度探讨了人工湿地填料除磷的机理，为填料的选择提供理论依据；通过长期定点监测的方式调查分析了农田径流污水水质特征，并在此基础上通过中试模拟的方式，对人工湿地处理农田径流中磷作了重点分析和研究，最后通过模拟暴雨径流分析了人工湿地抗氮磷冲击负荷的能力。
　　 结果表明，农田径流各指标的浓度变化基本无规律，在本试验条件下农田径流中总氮基本由硝态氮和铵态氮组成，两者平均值接近1:1；总磷主要成分是可溶性磷，占总磷的88.51％；TN、NH4-N、NO3-N、TP、DP的浓度范围分别为0.53～12.11、0.30～1.29、0.18～2.67、0.045～0.688、0.040～0.664 mg/L。以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中三级标准作标准，采用Nemerrow指数评价方法对农田径流污水作评价分析可知零肥料与农药处理农田径流污水达到轻度污染程度，而常规肥料与农药处理达到了严重污染的程度，因此，农田径流污染应给予高度关注。
　　 Langmuir和Freundlich等温吸附方程均能很好地描述4种填料对磷素的吸附过程，其磷素理论饱和吸附量大小顺序依次为石灰岩＞河沙＞页岩＞紫色土，分别为666.67、500.00、434.78、416.67mg/kg。Elovich方程对拟合填料对磷素的等温吸附动力学特征最好(R2=0.831～0.966)。从饱和填料对磷的解吸率来看，4种填料释磷风险为河沙＞页岩＞石灰岩＞紫色土。4种填料对磷的吸附都是自发进行的，主要为物理吸附。从磷素的最大吸附容量、吸附速率、释磷的安全性评价方面综合考虑，石灰岩更适合作为人工湿地填料。
　　 3种人工湿地系统对农田径流中磷均有很好的削减作用，在本研究条件下出水水质均达到地表水Ⅲ类标准。TP的去除率随停留时间的增加而提高，且在同一停留时间下3个系统除磷
　　 效果为风车草床＞美人蕉床＞无植物床。系统除磷的稳定性随停留时间的增加而更加趋于稳定，用y=ax+b线性方程拟合系统总磷负荷率与其去除速率，风车草床、美人蕉床和无植物床的关系式分别为：y1=0.7881x1+2.9707(R2=0.9891)；y2=0.7299x2+5.1386(R2=0.9680)；y3=0.6762x3+6.8917(R2=0.9469)潜流构造湿地TP的去除满足一级推流反应动力学关系，风车草床、美人蕉床、无植物床一级反应动力学常数K分别为0.0755、0.0669和0.044(1/d)，指数方程能较好地拟合TP的沿程动态去除情况，方程分别为y1=0.8905e-0.0181X1(R2=0.9752)，y2=0.9543e-0.0171X2(R2=0.9812)，y3=1.0048e-0.0157X3(R2=0.9749)，可为实际工程设计提供参考。
　　 潜流人工湿地能有效地用于暴雨径流中污染物的控制，具有较强的耐冲击负荷能力。无植物床、美人蕉床和风车草床对暴雨径流中TP有较好削减作用。植物在整个径流污染负荷削减过程中具有重要作用。当平均水力负荷为59.733cm/d时，系统对TP的去除效果为风车草床＞美人蕉床＞无植物床。系统对TP的平均去除率分别为57.056％、54.623％、48.232％；比较而言风车草床的控制效果相对较好。在暴雨径流过程中，TP和TN出水浓度随时间呈现出缓慢升高，缓慢回落的趋势。植物在人工湿地系统中具有重要的作用，对于去除TN来说：系统中美人蕉和风车草贡献率分别为10.368％和13.355％；对于除TP来说：系统中美人蕉和风车草贡献率率分别为11.187％和14.145％。但主要去除途径都还是填料作用。

目录

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第一章文献综述

1.1磷与面源污染

1.1.1磷素的环境效应

1.1.2农业面源污染

1.2人工湿地概述

1.3人工湿地除磷的机理

1.3.1填料吸附沉淀

1.4人工湿地控制面源污染

1.4.1湿地运行过程中除磷

1.4.2湿地运行中的堵塞

1.4.3人工湿地研究进展

1.4.4研究展望

1.5选题切入点

第2章引言

2.1研究目的与意义

2.2研究内容

2.2.1农田径流水质特征调查

2.2.2人工湿地填料的筛选和特征参数的确定

2.2.3人工湿地中试除磷效果试验研究

2.2.4人工湿地控制暴雨径流中的氮磷

2.3技术路线

第3章材料与方法

3.1供试材料

3.1.1污水来源

3.1.2填料来源

3.1.3植物的选择

3.2试验方法

3.4计算方法

3.4.1等温吸附曲线

3.4.2动力学模型

3.5测定方法

3.5.1填料理化性质测定

3.5.2水质特征参数测定

3.5.3土壤理化性质测定

3.5.4植株特征参数测定

第4章结果与讨论

4.1农田径流水质特征分析

4.1.1农田径流水质描述型统计分析

4.1.2径流污染与水质标准的对比分析

4.2填料筛选与特征参数的确定

4.2.1填料磷素吸附等温线的拟合

4.2.2填料对磷吸附动力学特征分析

4.2.3填料释磷特征及其安全性分析

4.2.4填料对磷的吸附热力学特征分析

4.3人工湿地除磷中试效果分析

4.3.1水力停留时间对人工湿地除磷效果的影响分析

4.3.2负荷率与磷去除之间的关系

4.3.3一级动力学模型分析及除磷模型预测

4.3.4植株对氮磷的吸收及去除途径分析

4.4人工湿地控制农田暴雨径流中的氮磷

4.4.1控制农田暴雨径流中磷

4.4.2控制农田暴雨径流中氮

第5章结论与建议

5.1主要研究结论

5.2建议

参考文献

致谢

发表论文及参加课题