[美國(guó)]　R.V.伯尼 等

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美國(guó)生態(tài)浮島除氮能力測(cè)試分析

[美國(guó)]R.V.伯尼 等

濕地浮島可減少水庫(kù)蓄水期間中水的總氮濃度。為探索其去除總氮的效率,對(duì)佛羅里達(dá)州帕斯科縣的濕地浮島進(jìn)行了測(cè)試。在一個(gè)接收帕斯科縣控制再利用系統(tǒng)中水的池塘內(nèi)，按線性布置，設(shè)置并監(jiān)控20個(gè)濕地浮島,按分布式進(jìn)行網(wǎng)格連接， 評(píng)估3個(gè)連續(xù)階段，即培植期(濕地浮島實(shí)施前6個(gè)月)、運(yùn)行期(濕地浮島實(shí)施后8個(gè)月)和控制期(從池塘中去除濕地浮島的后3個(gè)月)的處理性能。濕地浮島的主要作用是減少池塘有機(jī)氮的輸出。通過(guò)評(píng)估濕地浮島運(yùn)行期和控制期氮去除量的差異說(shuō)明，布設(shè)濕地浮島后，每年總氮去除率得以提高。

濕地浮島；中水分布系統(tǒng)；最大日負(fù)荷；總氮；佛羅里達(dá)州；美國(guó)

1　概　述

帕斯科縣控制再利用系統(tǒng)(PCMRS)屬于地區(qū)中水(也稱再生水)分布系統(tǒng)，是美國(guó)佛羅里達(dá)州帕斯科縣僅有的廢污水管理設(shè)施。結(jié)合區(qū)域內(nèi)農(nóng)田灌溉和流域系統(tǒng)快速滲透，將帕斯科縣所有廢污水處理廠(WWTF)尾水回用，從而實(shí)施這一全面再利用策略。此外，PCMRS包括容量23.5萬(wàn)m3的蓄水池(里塔(Rita)湖)、蘭奧萊克斯(O’Lakes)WWTF37.9萬(wàn)m3的已建水庫(kù)和189.3萬(wàn)m3的在建水庫(kù)。

坦帕(Tampa)灣氮管理協(xié)會(huì)確定坦帕灣地區(qū)的氮最大日負(fù)荷。希爾斯伯勒灣(Hillsborough)屬于坦帕灣流域，運(yùn)行PCMRS。2012年坦帕灣合理保證建議書(2012年坦帕灣河口項(xiàng)目)提到，PCMRS每年排放到希爾斯伯勒灣流域的總氮(TN)負(fù)荷限值為5.3 t。自從氮負(fù)荷限值確定以后，正常運(yùn)行期間，帕斯科縣按指定氮限值排放。PCMRS排放的氮主要是硝酸鹽。

帕斯科縣排放的中水中，大約30%被希爾斯伯勒灣流域利用。該流域也代表了未來(lái)中水利用客戶增長(zhǎng)的大部分區(qū)域。該縣正在建設(shè)大型中水儲(chǔ)存水庫(kù)，在庫(kù)內(nèi)設(shè)置降氮的濕地浮島(FWI)，以使氮排放限制地區(qū)更多地利用中水。

FWI可改善天然水體或用于存儲(chǔ)和輸送的人工水體的水質(zhì)。FWI利用浮游濕地物種種植在固定的浮墊上。2014年有學(xué)者對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)估后指出，控制期FWI除磷率達(dá)2%～55%，除氮率達(dá)12%～42%。匈牙利曾開展過(guò)FWI探索性試驗(yàn)，在試驗(yàn)水體中投放濃度為 5 mg/L的氧化氮，結(jié)果顯示水體中TN降低了85%。2010年有學(xué)者指出，浮墊顯著提高了合流污水中TN的去除率，控制期TN平均減少33%。2013年有學(xué)者指出，暴雨TN濃度下降歸因于濕地浮島處理；之所以硝酸鹽含量較高的暴雨反硝化作用增強(qiáng)，是因?yàn)樵贔WI控制下，水體內(nèi)溶解氧濃度低及濕地浮島內(nèi)植被根部可用的有機(jī)碳增加。

為了探究FWI去除TN的效率，在接收PCMRS中水的池內(nèi)安裝FWI并進(jìn)行了監(jiān)控，歷時(shí)18個(gè)月。設(shè)計(jì)的中水應(yīng)用速率，應(yīng)滿足水力停留時(shí)間(HRT)相對(duì)較短，與水庫(kù)水體實(shí)際停留時(shí)間一致的要求。

2　方法與材料

在韋斯利污水處理中心，建有面積1.6 hm2的塑料襯底水池，池內(nèi)搭建20個(gè)FWI。PCMRS中水通過(guò)臨時(shí)管道輸送到池內(nèi)。池塘溢流引到WWTF附近廢棄的池塘，然后再用泵抽回到WWTF渠首。

2.1浮島設(shè)置

FWI購(gòu)于美國(guó)洛杉磯巴吞魯日的馬丁生態(tài)系統(tǒng)公司。每個(gè)浮墊規(guī)格為2.4 m×3.0 m。FWI表面積總計(jì)149 m2。各FWI用包由PVC管的不銹鋼電纜相連接，按網(wǎng)格分布，覆蓋水域總面積1 122 m2，占池塘總面積的7%。在初始安裝后，池底安放重錨，將FWI固定于水下。池塘底部?jī)A斜，西區(qū)頂頭附近深約1 m，到東區(qū)頂頭附近深2 m。FWI設(shè)置于排水口附近，深大約1.5 m。

2.2濕地植被物種選擇

由18個(gè)本地物種組成的濕地植物作為盆栽植物，其裸根繁殖體來(lái)自當(dāng)?shù)孛缙缘辍?個(gè)浮島混合種植本地種子，與另18個(gè)浮島種植的植被進(jìn)行比較。

2.3池塘運(yùn)行

池塘總蓄水量約1.9萬(wàn)m3。在池塘西側(cè)靠近西南角，鋪設(shè)管徑10 cm的池塘進(jìn)水臨時(shí)管道，并安裝了流量計(jì)。WWTF管理人員每天記錄流量數(shù)據(jù)。池塘出水管道高程固定，提供連續(xù)水位控制，池塘水位無(wú)需監(jiān)測(cè)。利用進(jìn)水流量與水位蓄水量對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)池塘每日水量平衡。

2.4采樣

每2周收集1次池塘進(jìn)出口水樣，分析項(xiàng)目3個(gè)不同實(shí)施階段的氨氮、氧化氮(硝酸鹽+亞硝酸鹽)、有機(jī)氮(ON)和TN濃度：培植期(2012年7～12月)、運(yùn)行期(2013年1～8月)和浮島移除后的控制期(2013年9～11月)。依據(jù)SM-4500標(biāo)準(zhǔn)方法，帕斯科縣環(huán)境試驗(yàn)室對(duì)水樣進(jìn)行分析，該試驗(yàn)室按照國(guó)家環(huán)境試驗(yàn)室評(píng)審會(huì)議要求，經(jīng)過(guò)佛羅里達(dá)州衛(wèi)生部認(rèn)證試驗(yàn)室認(rèn)證。

2.5生物組織樣品收集

對(duì)種植植被進(jìn)行生物組織分析，以量化研究階段植被吸收的營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)量。按季度進(jìn)行組織樣品采集，分析其干重和TN百分比。在FWI運(yùn)行期，每個(gè)FWI上平均布置6個(gè)組織采樣點(diǎn)。在每次采樣期間，全部的浮島至少收集1次樣本。隨機(jī)選擇組織樣本植被。

在2012年9月、2012年11月、2013年4月和2013年8月分別進(jìn)行了樣品收集。測(cè)量植物樣品根長(zhǎng)、地上部分長(zhǎng)度和浮墊厚度。將打包后的植物樣品放入冷卻器中，再運(yùn)到位于佛羅里達(dá)州蓋恩斯維的佛羅里達(dá)大學(xué)濕地生物地理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，按照APHA 2000標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析。

植被規(guī)劃種植前設(shè)置好6個(gè)組織采樣點(diǎn)。包括使用小部分75 cm聚乙烯醇井管濾網(wǎng)，該網(wǎng)安裝在浮墊上，且較易拆除。采樣點(diǎn)同浮墊上其他區(qū)域一樣，用同樣的方法隨機(jī)種植植被。每個(gè)浮墊每季從規(guī)劃的采樣點(diǎn)收集1個(gè)樣品。清洗每個(gè)樣本的根系土壤，然后打包，并送到佛羅里達(dá)大學(xué)濕地生物地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室分析TN。TN的檢測(cè)下限和實(shí)際定量限值分別是0.23 mg/kg和0.27 mg/kg。

在研究末期，采集10個(gè)鈣化藻類沉積物，每個(gè)表面積0.37 m2。2組樣本采自西邊坡臺(tái)內(nèi)，按9 m間距分布采樣。在這些樣品中，第1個(gè)樣距先前采樣組的第1個(gè)樣以北23～30 m；第2個(gè)樣來(lái)自第1個(gè)樣的北邊或南邊，距離不同。分析樣品的濕重和TN。

2.6氯化鋰示蹤研究

在浮島建立11個(gè)月后，進(jìn)行示蹤研究，即在池塘進(jìn)水管一次性投入氯化鋰金屬小塊。在池塘出口監(jiān)測(cè)鋰離子，以監(jiān)控示蹤劑的歷時(shí)和濃度。

2.7浮島去除率和再定位

2013年8月27～28日，從WWTF韋斯利中心池塘內(nèi)移除FWI。此時(shí)FWI長(zhǎng)滿了植被，浮墊充滿了水。將FWI移除并永久地安裝在里塔湖中水儲(chǔ)存設(shè)施內(nèi)。

3　結(jié)　果

3.1池塘水力特性

根據(jù)日均進(jìn)水流速和以水深估算的池塘水量，確定池塘標(biāo)稱水力停留時(shí)間(nHRT)平均為25 d。nHRT最短為5.6 d(在一次極端降雨事件后)。nHRT最長(zhǎng)為158 d，該事件是因操作失誤導(dǎo)致池塘進(jìn)水停止，發(fā)生在該研究控制期以后。

分析示蹤劑響應(yīng)曲線，以反應(yīng)池塘的水力特性。分析內(nèi)容包括串連貯水池個(gè)數(shù)N、較小的維方差、濕地離差、沛克萊數(shù)(Pe)、容積率。應(yīng)用水力停留時(shí)間分布分析了一階伽馬分布，以判斷某學(xué)者于2009年所描述的N和平均停留時(shí)間。

池塘N定為1.04，略大于1，為連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器(CSTR)價(jià)值。濕地離差數(shù)為8.0。池塘離差值對(duì)這一范圍內(nèi)的N值高度敏感，通常較高，這表明當(dāng)水流進(jìn)入加襯池塘?xí)r，橫向變化快速，反向彌散，而濕地通常變化范圍為0.07～0.33，要小很多，且符合層流特性。

池塘實(shí)測(cè)HRT平均值為15.7 d。用HRT實(shí)測(cè)值除以HRT設(shè)計(jì)值計(jì)算容積率，結(jié)果為0.63，這意味HRT實(shí)測(cè)值低于設(shè)計(jì)值，水流提前流出池塘。示蹤劑響應(yīng)曲線顯示，在運(yùn)用示蹤劑4 h后，其沿著一條長(zhǎng)的下降段流出池塘，這意味著池塘內(nèi)水流路徑縮短和存在死水區(qū)。池塘倒圓角的西北和東北存在藻類和漂浮的碎片，表示這些水域?yàn)樗浪畢^(qū)。Pe值零代表一個(gè)CSTR，∞代表一個(gè)活塞流反應(yīng)器。1996年有學(xué)者報(bào)道的表面流濕地Pe變化范圍為5～20。而該測(cè)試Pe值為0.13，這表明池塘出現(xiàn)嚴(yán)重的水流短路。

90 d控制期大約相當(dāng)于6次HRT。2009年有學(xué)者指出，3次停留時(shí)間足以描述示蹤劑的沖量，控制期間收集的數(shù)據(jù)代表了池塘條件沒有受到浮島后續(xù)的影響。

3.2植被生長(zhǎng)響應(yīng)

2012年9月，植被種植后5個(gè)月，植被地上部分長(zhǎng)平均94 cm(范圍為30～ 157 cm)，根長(zhǎng)平均為28 cm(范圍為10～46 cm)。2013年8月，在浮島被移除前重新觀測(cè)了植被地上部分和根部長(zhǎng)度。植被地上部分長(zhǎng)平均為132 cm(范圍為9～238 cm)，根長(zhǎng)平均為38 cm(范圍為6～305 cm)。

3.3氮監(jiān)測(cè)結(jié)果

TN進(jìn)水平均濃度為6.1 mg / L，變化范圍為3.4～9.6 mg / L。TN濃度平均減少值(標(biāo)準(zhǔn)誤差±1)和范圍，培植期為54%±5%(范圍為43%～69%)，運(yùn)行期為67%±7%(范圍為31%～83%)，控制期為25%±12%(范圍為6%～35%)。

池塘進(jìn)水中氧化氮(亞硝酸鹽+硝酸鹽)濃度平均為5.3 mg / L，變化范圍為2.8～2.8 mg / L?？傮w上，氧化氮出水濃度小于1.5 mg/L，所有監(jiān)測(cè)期內(nèi)大多數(shù)監(jiān)測(cè)值低于檢出限。

氨氮濃度低于其分析方法的檢出限，或介于檢出限和實(shí)際定量限值之間。根據(jù)這一結(jié)果，認(rèn)為形態(tài)氮轉(zhuǎn)換為氨氮的量可以忽略。

該研究進(jìn)水中，氧化氮占形態(tài)氮大約87%，而出水中有機(jī)氮占主導(dǎo)地位。進(jìn)水氧化氮平均濃度0.6 mg/L，變化范圍為未檢出到1.8 mg/L。出水有機(jī)氮濃度相當(dāng)高，平均值為2.2 mg/L，變化范圍為0.4～4.0 mg/L。進(jìn)水和出水有機(jī)氮濃度差異說(shuō)明無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化成了有機(jī)氮。出水中有機(jī)氮平均濃度(標(biāo)準(zhǔn)誤差±1)培植期、運(yùn)行期和控制期分別為3.0±0.2 ，1.5±0.3 mg/L和2.9±0.4 mg/L。

池塘處理性能差異與季節(jié)或系統(tǒng)水力特性無(wú)關(guān)。這段時(shí)間內(nèi)，月均氣溫顯示為相似的范圍，運(yùn)行期氣溫19.2℃～29.2℃、控制期氣溫21.8℃～30.7℃，2個(gè)階段平均氣溫在統(tǒng)計(jì)意義上并沒有明顯的差異(p=0.28)。運(yùn)行期池塘出水有機(jī)氮濃度下降，浮島移除后有機(jī)氮濃度隨后增加，這表明有浮島時(shí)藻類生長(zhǎng)緩慢。

3.4生物組織監(jiān)測(cè)結(jié)果

用每次收集到的植物樣本均值計(jì)算每個(gè)浮島的植被總量，將均值乘以每個(gè)FWI塞子的數(shù)量可計(jì)算每個(gè)帶區(qū)總量。用TN樣本平均濃度估算植物吸收的TN量。據(jù)此估算，植物組織吸收TN約2.2 kg，占到TN去除量的0.2%。

3.5藻類生產(chǎn)力和沉積

在整個(gè)研究中，池塘內(nèi)藻類生長(zhǎng)旺盛，發(fā)生鈣化沉積。2011年有學(xué)者指出，在光和作用下，水體pH值上升，易發(fā)生藍(lán)藻碳酸鈣沉積。藻類沉積受到池塘水深的限制。該研究中，鈣化沉積的最高線就是最高水位的可靠指標(biāo)。

研究結(jié)束時(shí)，在池底采集了鈣化沉積物樣本，并對(duì)沉積物進(jìn)行估算，其中TN累積量達(dá)96 kg。

3.6氮質(zhì)量守恒和轉(zhuǎn)化

對(duì)池塘氮組分循環(huán)、各種形態(tài)氮性能以及FWI去除中水儲(chǔ)存設(shè)施內(nèi)TN的潛力進(jìn)行了評(píng)估。圖1顯示了安裝FWI的池塘內(nèi)氮組分循環(huán)的主要部分。水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)氮轉(zhuǎn)換的主要過(guò)程包括氨化、硝化、反硝化作用、植物吸收、藻類吸收和沉積。根據(jù)水量平衡和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)池塘進(jìn)水、出水、植物和藍(lán)藻生物量中貯存的氮進(jìn)行定量，并估算反硝化作用速率，對(duì)運(yùn)行期和控制期進(jìn)行氮質(zhì)量平衡估算。

運(yùn)行期氮去除61%，其中56%是通過(guò)反硝化作用去除的(圖1(a))。根據(jù)生物量樣本，系統(tǒng)存儲(chǔ)、藍(lán)藻菌鈣化和植物組織吸收估計(jì)每年大約分別去除氮為4.3，42 g/m2和0.1 g/m2。培植期系統(tǒng)存儲(chǔ)只占TN損失量的5%。該階段植物吸收和貯存的氮量?jī)H占TN去除量的0.2%，該量可計(jì)算，但可忽略不計(jì)。

控制期每年氮去除量為13.9 g/m2，減少了30%，其中23%通過(guò)氣化和反硝化作用去除(圖1(b))。根據(jù)池底藍(lán)藻細(xì)菌鈣化樣本，系統(tǒng)儲(chǔ)存氮(累積作用)每年大約4.2 g/m2?？刂破诟u被移除，植物吸收作用相應(yīng)也被從質(zhì)量平衡中去除。培植期系統(tǒng)存儲(chǔ)量占到TN去除量的7%。

圖1 氮質(zhì)量平衡示意

池塘出水中有機(jī)氮占96%，表明藻類吸收氮后，將剩余硝酸鹽轉(zhuǎn)化為藻生物量中有機(jī)氮，后流出池塘。氮質(zhì)量平衡表明，F(xiàn)WI移除后，系統(tǒng)反硝化能力和氧化氮轉(zhuǎn)換為有機(jī)氮能力下降，大多數(shù)氮素隨藻固體流出池塘。

對(duì)控制期和運(yùn)行期脫氮率進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WI每年去氮總量為630 kg，相當(dāng)于FWI浮墊去氮率4.2 kg/m2。該值大于之前研究的表面流濕地TN去除率范圍的90%。當(dāng)計(jì)算FWI覆蓋水面和中間開放水面(1 122 m2)的去氮率時(shí)，前者每年去氮率為562 g/m2，相當(dāng)于處理濕地的80%。運(yùn)行期有機(jī)氮去除率更高(藻固體形式)，這可能與懸浮物附著在植物根表區(qū)域有關(guān)。有學(xué)者曾指出，反硝化作用加強(qiáng)也可能歸因于FWI，浮動(dòng)處理濕地提供了更多的氧氣消耗，尤其在有植物存在的情況下。

4　結(jié)　語(yǔ)

研究結(jié)果表明，F(xiàn)WI運(yùn)行期，中水池TN去除率61%；在移除FWI后的控制期，TN去除率為30%?；谶\(yùn)行期和控制期TN去除率不同，F(xiàn)WI導(dǎo)致TN去除率上升32%以上。據(jù)估算，F(xiàn)WI墊子TN去除率相對(duì)較高，達(dá)4.2 kg/m2，即FWI覆蓋水域每年達(dá)562 g/m2。示蹤劑測(cè)試結(jié)果表明，如果延長(zhǎng)中水池水力停留時(shí)間，則TN去除率可能會(huì)提高。

綜上所述，F(xiàn)WI可提高中水池TN去除率。FWI可限制藻類活性，增強(qiáng)反硝化作用，提高TN去除率。建議開展池塘應(yīng)用FWI的類似研究，制定浮島常規(guī)尺寸標(biāo)準(zhǔn)和去除率指標(biāo)。必須對(duì)水深、大小及水力負(fù)荷不同的池塘進(jìn)行專門評(píng)估，進(jìn)一步弄清FWI去除TN的能力。

邱訓(xùn)平譯

(編輯：朱曉紅)

2016-02-19

環(huán)境與生態(tài)

1006-0081(2016)08-0031-04

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