富营养化水体人工湿地生态修复机理及应用研究

摘要

本文着重对氮磷人工湿地生态修复工程基质和植物的选择和筛选进行了系统研究，并进一步探讨了不同人工湿地基质和不同湿地植物根际微生物活性(微生物生物量碳、微生物生物量氮、基础呼吸和酶活性)对氮去除的影响，以及湿地植物根表铁氧化物胶膜对植物吸收磷的影响。在此基础上，根据已筛选出的植物、基质、人工湿地床结构和水力学参数设计等集成了人工湿地生态修复技术，并在杭州植物园设计和建造了人工湿地，以处理杭州植物园观鱼池南苑水体，且进行了调试和运行。主要结论如下：
　　 人工湿地基质是人工湿地生态工程的主要组成部分之一，人工湿地基质直接影响了人工湿地的净化能力和使用寿命。采用Langmuir等温吸附方程和达西定律研究了9种不同基质对磷的吸附能力和渗透率，结果表明不同基质对磷的吸附能力存在显著(p<0.05)差异。炉渣对磷的吸附能力最大，砂子Ⅱ最小，炉渣对磷的最大吸附量是砂子Ⅱ的68.4倍，而黄筋泥对磷的最大吸附量是红砂土的2.9倍，同样地，砂子Ⅰ对磷的最大吸附量是砂子Ⅱ2.2倍。9种基质对磷的最大吸附量顺序是：炉渣>粉煤灰>黄筋泥>膨润土>红砂土>砂子Ⅰ>砂子Ⅲ>砂子Ⅳ>砂子Ⅱ。不同基质的渗透率也存在很大的差异，炉渣和砂子的渗透率比较高，而黄筋泥渗透率则比较低，砂子和黄筋泥混合后能显著提高黄筋泥的渗透率。采用Langmuir方程最大磷吸附量估计了不同的基质在人工湿地中的使用寿命，结果显示炉渣可以使用22年，而砂子Ⅱ的使用寿命则小于9个月。室内实验和中试结果均表明采用Langmuir等温吸附方程和达西定律相结合的方法筛选人工湿地基质是可行的。
　　 人工湿地植物也是人工湿地的重要组成部分。通过营养液培养实验研究了11种植物对氮、磷的吸收能力，结果发现湿地植物生物量变化范围在9.31～49.53g/株之间(干重)，湿地植物地上部分与地下部分生物量的比值在1.21～3.09之间，美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇有较高的地上部分生物量，而麦冬的地上部分生物量较低；地上部分植株氮磷含量变化范围分别是22.13～33.03 mg·g-1和2.53～5.38 mg·g-1(干重)，湿地植物对氮磷的吸收量分别是252.99～1279.98 mg/株和23.55～251.83 mg/株，氮和磷的吸收主要受湿地植物生物量的影响。湿地植物对氮磷去除率分别是10.91％～59.32％和50.13～87.26％。美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇对氮、磷都有较好的吸收能力。
　　 选用4种人工湿地基质和4种湿地植物研究了基质微生物活性的变化及其对氮去除的影响。发现4种基质的微生物活性(微生物生物量碳、氮、基础呼吸和酶活性)存在差异，其大小顺序是：砂子/土壤/泥炭混合物>土壤>土壤/砂子混合物>砂子，其中砂子/土壤/泥炭混合物的微生物生物量碳、氮和基础呼吸都显著(p<0.05)高于其它3种基质，加入有机物(泥炭)能显著增加基质的微生物活性。不同湿地植物根际与非根际微生物活性也存在比较大的差异，湿地植物根际微生物生物量碳、氮和基础呼吸都显著(p<0.05)高于与非根际。湿地植物根际微生物活性也存在差异，芦苇和菩提子根际的微生物生物量碳、氮都显著(p<0.05)高于美人蕉和茭白；4种植物根际的基础呼吸大小顺序为：芦苇>菩提子>美人蕉>茭白，差异达到显著性水平(p<0.05);不同湿地植物根际酶活性也存在差异，脲酶和磷酸酶活性的大小顺序为：芦苇>菩提子>美人蕉>茭白。氮的去除受微生物活性的影响，微生物生物量碳、氮和基础呼吸以及酶活性都与氮的去除有关。
　　 湿地植物种类和根际铁含量都影响了湿地植物根表铁氧化物胶膜的形成。铁氧化物胶膜随根际铁含量的增加而增加，且根表铁氧化物胶膜与根际吸附态铁含量呈显著(p<0.01)正相关。不同湿地植物根表铁氧化物胶膜存在差异，茭白根表铁氧化物胶膜含量最高，依次是水葱和鸢尾，而美人蕉根表铁氧化物胶膜含量最低。铁氧化物胶膜的存在影响了湿地植物对磷的吸收，湿地植物根表铁氧化物胶膜吸附的磷可能是一个磷库。铁氧化物胶膜上吸附磷越多，更多的磷将以扩散的方式进入根中，相应的增加植物对磷的吸收，相反当太多的铁氧化物胶膜在根表形成时，铁氧化物胶膜可能作为一层物理障碍层而阻碍了植物对磷的吸收。湿地植物根际对磷的束缚能力大于非根际，湿地植物根际对磷的吸附量随铁氧化物含量的增加而增加，与对照(CK)相比，加入铁都显著(p<0.05)增加了根际对磷的束缚量。湿地植物根际形成的铁氧化物能增加磷的束缚，这对于人工湿地提高磷的去除率以及抑制基质(或底泥)吸附磷的释放有着重要的意义。
　　 设计并建立676m2的人工湿地生态工程。采用3个不同流量(90m3·d-1、145m3·d-1、180 m3·d-1)进行调试，结果显示人工湿地的净化能力受停留时间影响显著，一般随停留时间的延长而有增加的趋势。人工湿地对BOD5和CODCr的去除效果特别明显，即使在处理负荷比较高的(180 m3·d-1)情况下，湿地对有机物的去除也在70％左右，这说明人工湿地对有机物的去除率比较高。本人工湿地采用145 m3·d-1的处理量是比较合理的，对氮和磷的去除率分别在63.12％和40.74％左右。