鹽龍湖工程中試系統(tǒng)去除原水中氮磷效果研究

左 倬 ，郭 蕭 ，李 巍 ，朱雪誕 ，胡 偉 ，倉基俊

（1.上?？睖y設(shè)計研究院，200434，上海；2.江蘇鹽城市水利科學研究所，224000，鹽城）

飲用水水源地的保護和生態(tài)修復對于減少飲用水處理成本和保障飲用水安全具有至關(guān)重要的作用。目前國內(nèi)主流的原水凈化技術(shù)主要有物理吸附過濾、化學氧化及生物接觸氧化等技術(shù)，這些傳統(tǒng)方法設(shè)備工藝相對復雜，運行和操作條件要求較高。相比之下，生態(tài)凈化技術(shù)安全高效、成本低廉、管理方便等特點得以顯現(xiàn)。

2009年年底，研究單位在鹽城市龍岡鎮(zhèn)境內(nèi)蟒蛇河南岸設(shè)計構(gòu)建了飲用水水源生態(tài)凈化工程中試系統(tǒng)。通過運行研究表明，該工藝對水體有機物及營養(yǎng)鹽去除效率高，凈化效果好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到地表Ⅲ類水標準，且感官效果良好，出水透明度可達2 m。本文對該生態(tài)凈化系統(tǒng)對水體氮素的去除進行分析與深入探討，旨在了解及證實該系統(tǒng)各單元對微污染原水中氮（N）、磷（P）凈化的效果與機制，以及該工藝在不同季節(jié)水質(zhì)處理的效果差異，從而為今后在飲用水水源生態(tài)凈化工程及其他水質(zhì)保障工作中開展生態(tài)技術(shù)集成應(yīng)用提供參考。

一、材料與方法

1.中試工程設(shè)計

基于生態(tài)凈化技術(shù)除氮凈水機理，構(gòu)建鹽城市區(qū)飲用水水源生態(tài)凈化工程中試系統(tǒng)。中試系統(tǒng)占地面積約 26 畝（1 畝=0.067 hm2），由預處理區(qū)、濕地生態(tài)凈化區(qū)（挺水植物區(qū)、沉水植物區(qū)）以及深度凈化區(qū)組成（圖1）。各處理單元水位高程依次降低，原水從蟒蛇河經(jīng)一次提升后在場內(nèi)自流，凈化能力為4 500 m3/d。

預處理區(qū)為前置單元，面積為1 953 m2，在其前端設(shè)置有人工介質(zhì)陣列，后端配置由浮葉植物組成的水生植物帶以及具有凈水能力的底棲動物掛網(wǎng)，具有沉降泥沙、提高水體透明度及初步凈水功能；濕地生態(tài)凈化區(qū)是整體工藝的核心單元，分為挺水植物區(qū)（3 628 m2）以及沉水植物區(qū)（4 197 m2）兩個部分，通過配置多種水生植物，利用植物-土壤-微生物系統(tǒng)有效凈化水質(zhì)；深度凈化區(qū)為保障單元，面積為2 002 m2，根據(jù)水底高程不同依次配置挺水植物帶及沉水植物帶，同時適當引入魚類，以構(gòu)建較為完整的生態(tài)系統(tǒng)，具有儲水、水質(zhì)保障及強化凈化功能。所選物種均為當?shù)爻Ｒ姷耐林锓N（表1）。

2.試驗方法

沿中試系統(tǒng)水流方向依次布設(shè)A、B、C、D、E 共 5 個水質(zhì)采樣點，分別位于進水口、預處理區(qū)、挺水植物區(qū)、沉水植物區(qū)與深度凈化區(qū)的出水口。研究單位于2010年8月下旬起至次年3月中旬期間，每周在上述采樣點取水樣進行1組實驗，每組實驗數(shù)據(jù)為連續(xù)3天測定數(shù)據(jù)的平均值，累計進行60次共20組實驗，分析指標為總氮（TN）、氨氮（NH3-N）。委托江蘇省水環(huán)境監(jiān)測中心鹽城分中心對水質(zhì)的磷素進行分析，共取水樣15次，分析指標為總磷 （TP）、溶解性磷酸鹽（SRP）。各水質(zhì)指標的分析方法均采用國家環(huán)境保護總局編寫的 《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）。

二、結(jié)果與討論

1.原水水質(zhì)特點及中試系統(tǒng)氮、磷總體去除效果

中試系統(tǒng)原水取自蟒蛇河與通崗河交匯處上游。受工業(yè)排污、農(nóng)業(yè)面源及生活污水等影響，該河道水質(zhì)不穩(wěn)定，超標現(xiàn)象時有發(fā)生。蟒蛇河水質(zhì)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性差異：夏季總體水質(zhì)為劣Ⅴ類，主要超標指標為CODMn、TP與 DO；秋季總體水質(zhì)為Ⅳ類，主要超標指標為TN與DO；冬季總體水質(zhì)為Ⅴ類，主要超標指標為TP與TN。進一步分析發(fā)現(xiàn)，研究期間河水TN濃度超過Ⅲ類標準的概率為68%，其中在夏季超標概率為36%，秋季為58%，冬季則高達100%；NH3-N除在夏季有數(shù)次超標外，其他時間尚可穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類標準；TP在研究期間的超標概率為13.3%。

運行試驗期間，中試系統(tǒng)TN進水平均濃度為1.46 mg/L（Ⅳ類），出水平均濃度為0.59 mg/L（Ⅲ類），平均去除率為59.8%；NH3-N進水平均濃度為0.41 mg/L（Ⅱ類），出水平均濃度為0.12 mg/L（Ⅰ類），平均去除率為64.4%；TP進水平均濃度為0.133 mg/L（河道Ⅲ類），出水平均濃度為0.019 mg/L（河道Ⅰ類），平均去除率為85.5%；SRP進水平均濃度為0.082 mg/L，出水平均濃度為0.021 mg/L，平均去除率為74.1%。

2.不同季節(jié)除氮效果比較

夏季中試系統(tǒng)進水的TN與NH3-N濃度水平均較低。其中TN濃度在0.59～1.42 mg/L之間，平均濃度為0.97 mg/L，經(jīng)凈化出水TN平均濃度為0.42 mg/L（Ⅱ類），平均去除率達54.9%；NH3-N 濃度在 0.06～0.23 mg/L之間，平均濃度為0.13 mg/L，經(jīng)凈化出水NH3-N平均濃度為0.08 mg/L（Ⅰ類），平均去除率達35.8%。秋季中試系統(tǒng)進水TN濃度在0.73～1.77 mg/L之間，平均濃度為1.25 mg/L，經(jīng)凈化出水TN平均濃度為0.41 mg/L（Ⅱ類），平均去除率達66.7%；NH3-N濃度在0.11～0.49 mg/L之間，平均濃度為0.28 mg/L，經(jīng)凈化出水NH3-N平均濃度為0.08 mg/L（Ⅰ類），平均去除率達67.6%。冬季中試系統(tǒng)進水TN與NH3-N濃度延續(xù)了秋季的較高水平，并處于不斷上升趨勢。進水TN濃度在0.73～1.77 mg/L之間，平均濃度為1.25 mg/L，經(jīng)凈化出水TN平均濃度為0.88 mg/L（Ⅱ類），平均去除率達55.4%；NH3-N 濃度在 0.29～0.83 mg/L之間，平均濃度為0.56 mg/L，經(jīng)凈化出水NH3-N平均濃度為0.14 mg/L（Ⅰ類），平均去除率達73.4%。

表1 各處理單元物種配置

綜上，中試系統(tǒng)對TN的去除率秋季>冬季≈夏季，去除負荷冬季>秋季>夏季；NH3-N的去除率冬季>秋季>夏季，去除負荷冬季>秋季>夏季。這與以往類似研究存在一定差異。其原因可能在于本工程進水水質(zhì)、工藝流程、植物配置等方面與以往研究的差異。對于本工程，季節(jié)變化主要造成原水水質(zhì)變化、濕地植物生活史以及水體溫度差異3個方面影響。從原水水質(zhì)角度來看，TN及NH3-N濃度在夏季以及初秋水平較低，而之后則一路攀升，這為低溫季節(jié)中試系統(tǒng)提供了更高的氮素負荷，為較高去除率及去除負荷創(chuàng)造了前提條件；從植物生長周期角度來看，挺水植物及浮葉植物在夏末8月已經(jīng)接近當年最大生物量水平，通過植物本身同化的氮素已然有限，然而中試系統(tǒng)所配置的伊樂藻、菹草、改良苦草等沉水植物在低溫季節(jié)生長十分旺盛。有研究表明，低溫季節(jié)沉水植物仍能較好地吸收污水中的TN且受溫度的影響不大，這為低溫季節(jié)水體氮素的去除提供了保障。然而也應(yīng)注意，植物吸收并不是水體總氮去除的主要機制，大部分總氮是通過NH3的揮發(fā)、微生物對硝氮的好氧反硝化產(chǎn)生N2O或N2而去除，低溫季節(jié)雖然水體DO較高，為硝化作用提供了充足的氧，但微生物活性也下降明顯。在本研究中反映為雖然低溫季節(jié)出水TN濃度大都能達到地表Ⅲ類標準，但卻大有上升趨勢，甚至出現(xiàn)偶爾超標的情況。該問題在未來研究中還應(yīng)進一步關(guān)注。見圖2。

3.不同季節(jié)除磷效果比較

研究表明，人工濕地能夠利用土壤、微生物、植物這個復合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水中磷素的高效去除。人工濕地對磷的去除主要是通過對不溶性磷的吸附和沉積作用，而磷酸鹽比例比較高的水可以通過植物、微生物對SRP的吸收加以去除。SRP是植物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，一方面在植物的吸收和同化作用下,被合成為ATP、DNA和RNA等有機成分，通過對植物的收割而將磷從系統(tǒng)中去除，另一方面通過微生物對磷的正常同化吸收聚磷菌對磷的過量積累，通過對濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除，污水中的SRP也可與含有鐵質(zhì)和鈣質(zhì)的填料反應(yīng)而永久沉淀。

中試系統(tǒng)進水TP濃度在0.06～0.21 mg/L之間，平均值為0.133 mg/L，SRP濃度較低，在0.19～0.03 mg/L之間，平均濃度為0.082 mg/L。TP指標夏秋季進水濃度較高，平均濃度為0.165 mg/L，出水平均濃度為0.030 mg/L，此期間水生植物已達到最大生物量，通過植物吸收去除較少，TP去除主要依靠土壤吸附和微生物降解為主，整個生態(tài)工程對TP的凈化效果良好，去除率平均值達81.6%。11月至次年1月份進水TP濃度較低，平均值為0.111 mg/L，挺水植物上部陸續(xù)枯萎凋謝，為防止植物腐爛釋放磷造成二次污染，2010年11月份對挺水植物進行收割，同時對生長旺盛的沉水植物也進行了收割，在此期間隨著氣溫降低，相應(yīng)微生物活性較低，土壤吸附作用逐漸加強，此時磷的去除以濕地土壤吸附絡(luò)合和沉積作用等方式為主，故對TP去除率保持了較高的水平，監(jiān)測后期TP平均去除率達89.4%。對于SRP指標，監(jiān)測前期植物和微生物吸收較為旺盛，對SRP的去除率較高，平均可達80.1%，監(jiān)測后期水生植物進入休眠期，故對SRP的吸收同化效率更低，去除率降到67.0%。見圖3。

4.各工藝段去除氮磷的效果分析

總體而言，對于TN指標，預處理區(qū)對其去除貢獻率僅為1.9%，挺水植物區(qū)貢獻率占到了40.4%；沉水植物區(qū)、深度凈化區(qū)對較為貧營養(yǎng)水體的TN仍有良好凈化作用，貢獻率分別為29.8%、27.9%。對于NH3-N指標，預處理區(qū)去除貢獻率達到53.7%，挺水植物區(qū)貢獻率為33.7%，沉水植物區(qū)與深度凈化區(qū)貢獻率，分別為7.4%與5.3%。對于TP指標，預處理區(qū)去除貢獻率為39.9%，挺水植物區(qū)為34.1%，沉水植物區(qū)與深度凈化區(qū)貢獻率，分別為15.5%和10.5%。

預處理區(qū)是中試系統(tǒng)的前置單元，通過布置人工介質(zhì)帶、水生植物帶等能夠起到減緩水流流速、吸附水體中營養(yǎng)物質(zhì)、沉降大顆粒懸浮物質(zhì)、加大水中的溶解氧等作用，從而初步凈化水質(zhì)。預處理區(qū)對TN沒有明顯去除作用但去除了50%以上的NH3-N，這說明在該工況下預處理區(qū)人工介質(zhì)帶與水生植物帶并不能明顯吸收吸附水體中TN，然而卻創(chuàng)造了良好的氧化條件，將NH3-N迅速轉(zhuǎn)化為硝氮（NO2-N、NO3-N）形態(tài)；預處理區(qū)對TP去除貢獻率較高的原因為：該區(qū)域流速較慢，磷素隨著大顆粒懸浮物質(zhì)的沉降和人工介質(zhì)附著細菌的同化而得到有效去除。

挺水植物區(qū)（生態(tài)濕地凈化區(qū)Ⅰ）利用植物根孔凈化水質(zhì)的凈化機理，通過基質(zhì)吸附、植物同化、微生物轉(zhuǎn)化等作用降低水體污染物水平。在該工藝段，水體TN與NH3-N明顯降低，挺水植物起到了重要作用。一方面挺水植物自身組織為微生物提供充足碳源與附著基質(zhì)，另一方面植物通過根系向水體局部輸氧，能在水底營造充氧和缺氧環(huán)境，分別為好氧、厭氧微生物提供適宜的生存條件，使硝化、反硝化作用得以進行。此區(qū)段中TP去除貢獻率較高的原因為：挺水植物對SRP的吸收因流速變緩而加劇了沉降，以及挺水植物發(fā)達的根系營造出適合微生物發(fā)育的微環(huán)境等，共同促進了微生物吸收同化作用。

沉水植物區(qū) （生態(tài)濕地凈化區(qū)Ⅱ）是進一步去除水體營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所。沉水植物根系及莖葉均能夠直接吸收水體中的氮，同時還能通過光合作用吸收二氧化碳并放氧造成水體pH值上升以及良好的DO環(huán)境，從而加速氨氮的揮發(fā)與微生物硝化、反硝化作用。在該工藝階段，TN仍有較高去除率，而NH3-N由于本身濃度已較低，去除率不高。說明在沉水植物區(qū)TN的去除主要是依靠植物本身吸收與反硝化作用，氨氮的揮發(fā)不占主導地位。磷素去除主要通過沉水植物直接吸收以及基質(zhì)吸收作用，但沉水植物生物量較小，吸附量相對較少，去除率較低的原因可能為顆粒磷在前面工藝通過沉降作用得以去除，磷酸鹽也降低到比較低的水平，故在后續(xù)工藝中低濃度磷酸鹽去除率偏低。

深度凈化區(qū)是最后一道工藝，能夠在起到儲水作用的同時，通過健全的水生生態(tài)系統(tǒng)對水質(zhì)起到維護與改善的作用。該工藝段按水底高程分別配置了挺水、沉水植物，同時具有挺水植物區(qū)與沉水植物區(qū)應(yīng)有的功能，此外還引進了消費者（魚類），能很好地維持水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在深度凈化區(qū)，水體中的N、P仍能進一步去除，出水TN、NH3-N及TP分別達到地表Ⅱ類、Ⅰ類、Ⅱ類（湖庫）標準。

三、結(jié) 論

①蟒蛇河水質(zhì)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性差異，其中TN在秋冬季超標較為嚴重，TP則表現(xiàn)為夏秋濃度高，秋冬濃度低的特點。中試系統(tǒng)對TN、NH3-N、TP 及 SRP 的平均去除率分別為 59.8%、64.4%、85.5%、74.1%。

②中試系統(tǒng)出水TN的平均濃度為冬季（0.88 mg/L）>夏季（0.42 mg/L）≈秋季（0.41 mg/L），平均去除率秋季（66.7%）>冬 季 （55.4%）≈ 夏 季(54.9%)；出水NH3-N的平均濃度冬季（0.14 mg/L）>夏季 （0.08 mg/L）≈秋季（0.08 mg/L），平均去除率冬季（73.4%）>秋季（67.6%）>夏季（35.8%）；出水 TP的平均濃度為夏秋季 （0.03 mg/L）>冬春季（0.01 mg/L），平均去除率冬春季（89.4%）>夏秋季 （81.6%）； 出水SRP的平均濃度為夏秋季 （0.13 mg/L）>冬春季（0.05 mg/L），平均去除率夏秋季（80.1%）>冬春季（67.0%）。

③預處理區(qū)對TN的去除貢獻較小，但能使NH3-N迅速降低，對TP的去除效果十分顯著；挺水植物區(qū)在去除TN與NH3-N效果上最為明顯，對TP也有很好的去除效果；沉水植物區(qū)能對TN、TP進一步去除；深度凈化區(qū)完善的生態(tài)系統(tǒng)對貧營養(yǎng)水體仍有較好脫氮除磷作用。

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