稻田湿地处理农村生活污水脱氮除磷及其径流试验研究

摘要

农村生活污水的排放对地表水环境的恶化有着十分显著的贡献，富营养化现象的发生与农村生活污水氮磷的大量排放有着密切的关系。本研究运用田间试验、室内模拟、微观示踪等方法，考察了太湖地区稻田湿地处理农村生活污水氮素的降解行为和脱氮机理，研究了稻田湿地田面水磷素的浓度特征及去除过程，明确了稻田湿地氮素的迁移、转化、分配及平衡过程，分析了稻田湿地径流氮素及磷素的流失特征、产生条件及其影响因素，建立了径流氮磷浓度与施肥降雨间隔时间、淹水深度、降雨强度及降雨时间等影响因素之间的线性回归方程，并采用野外田间试验数据对模拟方程进行了验证。主要研究结论如下：
　　 1、稻田湿地处理农村生活污水田间试验表明，7月13日水稻移栽后，由于水稻土壤的吸附，稻田湿地田面水总氮(TN)含量迅速下降，但追肥后又快速上升，且TN含量顺序为：地表水(SW)>灰水(GW)>生活污水(DW)>黑水(BW)>对照(CK)。经过水稻的一个生长周期的处理，氮去除率顺序为：BW(96.8％)>DW(96.2％)>GW(95.6％)>SW(94.1％)>CK(93.8％)，同时，11月13日各处理出水化学需氧量(COD)均稳定在20 mg L-1左右，可满足地表水环境质量IV类标准。计算发现，来自农村生活污水的氮素去除率(62.9％.69.3％)显著高于源自尿素的氮素去除率(27.5％-32.7％)，表明源自农村生活污水中的氮素相对化肥氮更易于被稻田湿地去除。田面水总氮负荷(TNL)具有与TN相似的变化特征，同时，COD与TN浓度及TNL具有正相关性。此外，GW、DW和BW的水稻产量要显著高于CK、SW以及当地平均水稻产量，说明稻田湿地处理农村生活污水不但能生态高效脱氮，而且可以增加水稻产量。
　　 2、与氮肥不同，7月13日磷肥施用后COD变化不大，但总磷(TP)迅速升高，随后逐渐下降，并在10月15日左右COD和TP浓度逐渐趋于稳定，CK、SW、GW、DW和BW出水中的COD分别为：13.54、20.98、20.87、21.09和17.86 mg L-1，TP去除率顺序为：GW(98.17％)DW(97.28％)BW(97.04％)SW(96.78％)>CK(75.20％)。同时，GW、DW和BW中来自农村生活污水中磷的去除率(60.3％-71.4％)显著性(P≤0.05)高于化肥磷的去除率(26.8％-36.7％)，表明相对于磷肥，农村生活污水中磷的形态更易于被稻田湿地去除。随着水稻的生长，磷素从根部分别向茎部、叶部迁移，最后在谷籽中富积。除CK外，其它处理稻田湿地总磷负荷(TPI)和TP浓度随时间非线性下降，直到10月1日达到稳定。此外，五个处理的水稻产量差异不显著(P≤0.05)，说明采用农村生活污水替代地表水灌溉稻田湿地可在保证水稻产量的同时高效除磷。
　　 3、15N示踪试验表明，对照处理(CK)、普通尿素处理(UR)与同位素尿素处理(15NUR)的氨挥发量在10月1日达到了一个稳定值10.3 mg pot-1，最终UR与15NUR氨挥发量分别占施入肥料氮总量的43.54％和41.18％。追肥后UR和15NUR田面水TN浓度快速上升，分别达到了最大值19.52和18.64 mg L-1，而CK仅为3.78 mg L-1，并在10月1日后达到了稳定值，分别为0.32、1.05和0.93 mg L-1。分蘖期水稻植株吸收的氮素浓度逐渐上升，并在孕穗期达到了较高的水平，CK、UR、15NUR的吸氮量分别为：45.3、165.4和173.6 mg pot-1。从水稻各生长期吸氮量的变化来看，秧苗期吸氮量低，孕穗期吸氮量最高，成熟期下降，且水稻吸氮总量为：15NUR>UR>CK。CK中的氮残留量最低(0.0649 pot-1)，UR的残留量及残留率比15NUR分别高0.1719 pot-1和1.4％，但氮肥利用率、氮素回收率却分别低3.95％、2.55％。同时，UR和15NUR的硝化反硝化损失率分别为5.81％和5.69％，其产量较CK分别增加了33.69％和29.90％，再次说明施氮对增加水稻产量是十分必要的。
　　 4、人工降雨模拟试验表明，稻田湿地径流是一种典型的机会径流。产流时间随降雨强度增大而减少，径流TN与降雨强度呈正相关性，与施肥降雨时间间隔和淹水深度呈明显的负相关性，与降雨时间基本无关。同时，时间间隔对径流TN的影响最大，淹水深度次之，降雨强度再次之，降雨时间最小。在各种试验条件下的径流TN都超过地表水环境质量标准中规定的TN标准限值2 mg L-1，并可用线性回归方程y=-2.124x1-1.147x2+0.097x3+0.001x4+32.987来模拟四个影响因素作用下的机会径流TN流失浓度，这在田间试验得到了很好的验证。NO3-和NH4+是稻田湿地径流氮素流失的主要形态，各处理条件下NO3-和NH4+比重分别在32％-75％、24％-66％之间波动；TN流失负荷随时间间隔的延长明显降低，NO3-流失风险主要发生在前7d内，其后流失风险将大大降低。
　　 5、稻田湿地是一个天然的弱碱性缓冲系统，早期径流中溶解态磷(DP)比重较大(83％左右)，后期颗粒态磷(PP)比重逐渐升高(38％左右)，但总体上DP还是主要流失形态。径流TP与降雨强度、时间间隔及降雨时间呈正相关性，与淹水深度负相关。与TN相似，时间间隔对径流TP浓度的影响最大，淹水深度次之，降雨强度再次之，降雨时间最小。在各种试验条件下，径流TP都超过了地表水V类标准限值0.4 mg L-1，并可采用线性回归方程y=-0.548x1-0.243x2+0.014x3-0.001x4+7.386来模拟径流TP浓度。稻田湿地磷素的流失风险主要发生在施肥后前10 d内，其后将大大降低。因此，施肥后短期径流会导致氮磷等肥料养分的大量流失，但可通过淹水深度的合理调配来避免径流发生，可以实现稻田湿地从氮磷库的输出源转变为吸收氮磷的汇，从而生态高效去除农村生活污水的氮磷，减轻农村生活污水面源污染。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章 绪论

1.1农村生活污水的分类及其危害

1.2稻田湿地系统研究

1.2.1人工湿地概况

1.2.2人工湿地处理污水机理

1.2.3稻田湿地概况

1.2.4稻田湿地处理污水研究进展

1.3稻田湿地地系统氮磷流失特征

1.3.1稻田湿地水稻种植及其影响

1.3.2稻田湿地中氮磷的流失特征

1.3.3稻田湿地氮磷流失量影响因素

1.3.4径流流失主要途径及其研究方法

1.3.5流失研究技术与方法

1.3.6氮磷素流失浓度及负荷

1.3.7氮磷素流失形态特征及变化规律

1.3.8氮磷在稻田湿地系统中的迁移转化

1.4稻田湿地系统氮磷素平衡研究

1.4.1作物吸收

1.4.2径流和排水作用

1.4.3挥发作用

1.4.4渗漏及淋洗损失

1.4.5其它损失

1.5本研究的目的和意义

1.5.1研究目的

1.5.2本研究的意义

1.5.3主要研究内容

1.5.4研究技术路线

第二章 稻田湿地处理农村生活污水脱氮试验研究

2.1前言

2.2材料与方法

2.2.1试验地点概况

2.2.2试验材料

2.2.3试验方案设计

2.2.4试验采样及分析

2.2.5数据处理

2.3结果与讨论

2.3.1不同处理水稻产量

2.3.2稻田湿地田面水COD浓度变化

2.3.3稻田湿地田面水氮素浓度分析

2.3.4稻田湿地田面水氮素形态分析

2.3.5稻田湿地田面水总氮负荷分析

2.4.本章小结

第三章 稻田湿地处理农村生活污水除磷试验研究

3.1前言

3.2材料与方法

3.2.1田间试验设计

3.2.2试验采样与分析测试

3.2.3数据分析

3.3结果与讨论

3.3.1水稻产量对不同处理的响应

3.3.2稻田湿地田面水COD浓度变化

3.3.3稻田湿地田面水磷素浓度分析

3.3.4稻田湿地田面水总磷负荷分析

3.4本章小结

第四章 稻田湿地氮素同位素示踪试验研究

4.1前言

4.2材料与方法

4.2.1试验场地

4.2.2土壤理化性质

4.2.3稻田湿地模拟装置

4.2.4试验用水及同位素

4.2.5试验方案设计

4.2.6采样及分析方法

4.2.7数据处理

4.3结果与讨论

4.3.1稻田湿地田面水COD浓度变化

4.3.2稻田湿地田面水磷素浓度分析

4.3.3稻田湿地氨挥发分析

4.3.4稻田湿地田面水氮素浓度分析

4.3.5稻田湿地水稻植株氮素分析

4.3.6稻田湿地土壤氮素残留分析

4.3.7稻田湿地氮素利用率、回收率及损失率分析

4.3.8稻田湿地氮素平衡分析

4.3.9稻田湿地产量分析

4.4本章小结

第五章 人工降雨稻田湿地径流氮素流失试验研究

5.1前言

5.2材料与方法

5.2.1土壤理化性质

5.2.2稻田湿地模拟装置设计

5.2.3人工降雨模拟装置

5.2.4试验方案设计

5.2.5采样及分析方法

5.3结果与讨论

5.3.1产流时间与径流量

5.3.2降雨强度对径流TN浓度的影响

5.3.3降雨时间对径流TN浓度的影响

5.3.4施肥降雨时间间隔对径流TN浓度的影响

5.3.5淹水深度对径流TN浓度的影响

5.3.6径流影响因素正交分析

5.3.7径流氮素及污染物浓度特征分析

5.3.8径流氮素形态分析

5.3.9氮素流失负荷及流失系数

5.4本章小结

第六章 人工降雨稻田湿地径流磷素流失试验研究

6.1前言

6.2材料与方法

6.2.1土壤理化性质

6.2.2稻田湿地模拟装置设计

6.2.3模拟降雨装置

6.2.4试验方案设计

6.2.5采样及分析方法

6.2.6数据分析

6.3结果与讨论

6.3.1产流过程分析

6.3.2降雨强度对径流TP浓度的影响

6.3.3降雨时间对径流TP浓度的影响

6.3.4施肥降雨时间间隔对径流TP浓度的影响

6.3.5淹水深度对径流TP浓度的影响

6.3.6径流磷素浓度特征分析

6.3.7径流磷素形态分析

6.3.8磷素流失负荷与流失系数

6.3.9优化管理减少氮磷流失

6.4本章小结

第七章 结论及展望

7.1研究结论

7.2研究特色

7.3研究展望

参考文献

作者简历