人工湿地的碳氮磷循环过程及其环境效应

摘要

发展中地区普遍存在流域水环境污染和水生态失衡的问题。人工湿地具有处理效果稳定、投资低、管理方便和美化环境等优点，在发展中地区流域污染治理中具有突出的技术优势和广阔的应用前景。因此，积极开展人工湿地深度净化污染河水的碳氮磷循环过程及其环境效应研究对人工湿地工程设计、运营管理及推广应用具有重要的现实意义。
　　本文基于人工湿地小试系统，评价了人工湿地净化污染河水的长期运行效果，解析了污染物的降解运移特征;系统研究了人工湿地关键组成要素在去污过程中的作用和影响;采用静态箱-气相色谱法评价了人工湿地中温室气体释放特征及关键影响因素;通过建立人工湿地物质循环模型，明确了人工湿地中污染物的流向及归趋途径;基于规模化人工湿地工程的原位监测，综合评价了规模化人工湿地工程的环境效应。取得主要研究结论如下:
　　(1)人工湿地具有较好的长期水质净化效果，且具有明显的年际、季节变化特征。人工湿地出水COD、NH4+-N浓度满足国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，平均去除率分别65.63％～76.69％和83.61％～94.43％;TN、TP平均去除率分别44.78％～82.77％和36.65％～70.77％。人工湿地中COD降解最快，其次是NH4+-N和TN，TP最慢，其去除速率常数分别为0.39d-1、0.26d-1、0.11d-1和0.01d-1。人工湿地中有机物的去除过程主要在湿地基质-水界面层和表层水体的中前部;氮污染物在湿地基质-水界面和表层水体中的降解缓慢，主要在基质层根区得到生物转化和吸收;而磷的去除主要在系统基质层的前部。
　　(2)随着湿地系统的稳定运行，植物生长逐步趋于稳定，植物每年最大生物量为0.46～2.59kg/m2。植物泌氧能力为0.24～0.36mgO2/gFW/d和126.67～297.78mgO2/m2/d，发芽期、拔节生长期、成熟期及休眠期的泌氧速率大于其它生长期。植物有机物分泌能力为0.18～0.52mgTOC/gFW/d和120.48～431.31mgTOC/m2/d，生长旺盛期有机物分泌速率最大，休眠期最小。植物碳、氮、磷净累积量分别为151.52～878.29g/m2、9.22～42.51g/m2和1.89～4.29g/m2。不同湿地系统基质碳、氮、磷净累积量分别为23.88～37.81g/m2、10.94～14.13g/m2和3.98～4.17g/m2。植物收割对植物生长和水质净化效果有一定影响，宜在枯萎期（11、12月份）进行植物收割。
　　(3)人工湿地总体上表现为大气N2O和CH4的排放源，大气CO2的吸收汇。人工湿地N2O、CH4和CO2平均通量分别为215.39～514.3μg/m2/h、2.17～145.23μg/m2/h和-592.83～553.91mg/m2/h，夏季平均交换通量大于其季节。N2O释放通量高于旱作农田、草原和天然湿地，接近于水田生态系统;CH4释放通量高于稻田，接近于森林，远小于天然沼泽湿地和水库。植物促进湿地系统N2O和CH4的释放，减弱了湿地系统CO2的释放。随着进水浓度的增加，N2O、CH4和CO2的平均释放通量逐渐升高，但在过高的进水浓度条件下N2O释放降低。合理调蓄湿地进水和分区域适时收割植物是人工湿地温室气体释放的有效减排策略。
　　(4)人工湿地系统中有机物去除的主要途径是生物好氧分解代谢，其次是基质蓄积作用，CH4释放的贡献不大;脱氮的主要途径是微生物生物硝化反硝化作用，其次是植物吸收作用和基质蓄积作用，氨挥发作用的贡献较小;除磷的主要途径是基质填料的蓄积作用，其次是植物吸收作用。应用表面流人工湿地系统净化模拟污染河水时，生物呼吸作用释放CO2约占进水碳负荷的46.78～54.01％，基质蓄积约占10.15～16.08％;植物吸收积累的氮约占进水氮负荷的5.44～25.07％，基质蓄积约占6.45～8.32％，微生物硝化反硝化作用释放的N2O约占1.1～2.63％，而以系统微生物硝化/反硝化作用释放NO、N2的形式释放及其他流失方式输出的氮达35.89～48.92％;基质蓄积的磷约占28.27～33.92％，植物吸收积累的磷约占12.83～32.9％。
　　(5)武河湿地具有良好的水质净化效果，湿地出水COD、NH4+-N浓度基本达到地表Ⅲ类水标准，COD、NH4+-N削减负荷分别为3.95吨/公顷/年和0.75吨/公顷/年。具有一定的温室气体释放风险，表现为N2O、CH4的释放源，但其平均释放通量低于污水处理厂。此外，武河湿地实现了良好的生态修复效果，并在涵养水源、生物多样性保护、科普教育和生态风景观赏等方面发挥着重要作用。