来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/2/26 14:28:40
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FASE | 亮文解读:9年监测尺度下评估人工湿地对永安江面源污染的削减效果

论文标题:REDUCTION OF NON-POINT SOURCE POLLUTION IN THE YONG’AN RIVER BY CONSTRUCTED WETLAND BASED ON 9 YEARS OF MONITORING(9年监测尺度下评估人工湿地对永安江面源污染的削减效果)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Huaji LIU, Jian SHEN, Jimeng FENG, Xinze WANG

发表时间:15 Dec 2023

DOI:10.15302/J-FASE-2023516

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第十篇 ·

▎论文ID

Reduction of non-point source pollution in the Yong'an River by constructed wetland based on 9 years of monitoring

9年监测尺度下评估人工湿地对永安江面源污染的削减效果

发表年份:2023年

第一作者:刘华基

通讯作者:王欣泽

:xinzewang@sjtu.edu.cn

作者单位:上海交通大学环境科学与工程学院

Cite this article :

Huaji LIU, Jian SHEN, Jimeng FENG, Xinze WANG. REDUCTION OF NON-POINT SOURCE POLLUTION IN THE YONG’AN RIVER BY CONSTRUCTED WETLAND BASED ON 9 YEARS OF MONITORING. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 627–638 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023516

· 文 章 摘 要 ·

毗邻入湖河流的农业和畜牧业活动容易造成面源污染,加剧下游河湖的富营养化。引入与河流并联的人工湿地是降低水体氮磷负荷的有效方法。本文基于对云南省大理州洱海上游的永安江及其连通人工湿地长达9年的水质监测,研究明确了永安江的主要污染物,评价了人工湿地对污染物的去除效果。结果表明,总氮和硝态氮是永安江的主要污染物,其浓度随旱雨季的交替而变化。人工湿地能有效去除硝态氮和磷,但对有机污染物的去除效果非常有限,甚至成为了潜在的污染源,这归因于湿地中的生物残体缺乏及时处理,导致污染物的再释放。本研究有助于理解与河流并联的人工湿地在长时间运行过程中对污染物源汇关系的变化。

· 文 章 亮 点 ·

1. 大理洱海的入湖河流永安江的总氮和硝态氮负荷过高。

2. 人工湿地能有效去除水体中硝态氮和磷。

3. 维护不善的人工湿地成为了潜在的有机污染源。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎研究背景

湖泊富营养化是一个全球性的环境问题,高营养盐负荷的入湖河流是导致湖泊富营养化的重要外因。云南省大理白族自治州的洱海入湖河流——永安江在2018年之前,遭受着流域内大蒜种植和奶牛养殖等产业快速扩张所带来的农业面源污染。化肥和牲畜粪便所携带的过量有机质和营养盐随着地表径流和地下水汇入永安江,随后流入洱海,加剧了洱海的富营养化,引起一系列的生态环境问题。

永安江流域内的天然湿地资源丰富,但水力停留时间低、生物群落单一、对污染物吸收净化能力有限,将天然湿地建设为人工湿地可以提高湿地对污染物的截留和去除能力。人工湿地已被证明具有很高的脱氮除磷潜力,其基质往往由土壤和含有钙、铁、铝等的金属矿物组成,这些金属矿物能够与磷发生吸附、络合等过程,降低可溶性反应磷 (SRP) 的含量,此外,磷也可以通过湿地内大型植物根系的吸收作用去除。湿地的脱氮过程主要依赖基质和植物根系微界面上附着的生物膜,总氮 (TN) 的去除率在60%–95%之间,湿地植物或藻类对氮的去除率在0.5%–60%之间。但是,湿地植物去除污染物的时效性仍是一个持续争论的主题,虽然其能够截留和吸收污染物,但如果不及时清除植物残体,它们也会成为碳、氮、磷的来源。此外,缺乏维护的湿地也会滋生过量的生物膜,导致基质孔隙被堵塞,降低对污染物去除效率,脱落的生物膜本身也是潜在的污染源。

本研究监测了永安江及其两个并联湿地 (大树营湿地和邓北桥湿地) 9年内TN、铵态氮 (NH4+-N)、硝态氮 (NO3-N)、总磷 (TP)、SRP和高锰酸盐指数 (CODMn) 等水质指标的变化情况,评价了并联湿地对永安江污染物削减的长期作用,永安江和两个并联湿地的位置关系及采样点位分布如图1所示。

图1 (a) 研究区域及采样点分布,(b) 大树营湿地和 (c) 邓北桥湿地现场 (审图号: GS 京 (2023) 2266 号)。

▎研究结果

(1)永安江主要污染物为总氮和硝态氮

研究结果表明,永安江TN浓度沿着水流方向逐渐降低,TN的9年平均浓度为2.92 mg·L–1,且在2016年至2019年间浓度较高,平均浓度为6.15 mg·L–1 (图2)。2019年以后,永安江流域内农业面源污染得到了有效的控制,TN平均浓度降低至1.27 mg·L–1,按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002) 属于IV类水质标准。永安江的NO3-N的9年平均浓度为1.58 mg·L–1,且在湿地上游的河段NO3-N浓度呈现季节性变化,在3月至8月的平均浓度为1.90 mg·L–1,而在9月至次年2月升高到为3.11 mg·L–1;湿地下游的河段NO3–-N浓度随季节变化不明显,说明湿地对污染物的浓度波动具有一定的调节能力。永安江的TN和NO3-N浓度变化呈现显著正相关 (P<0.01),而与CODMn呈显著负相关 (P<0.01),说明永安江的氮污染主要来源于有机氮的矿化。另一方面,永安江NH4+-N和CODMn呈显著正相关 (P<0.01),且峰值出现在每年雨季 (5–10月),这是由于雨季会将流域农田和道路上的有机污染物冲刷进河流,同时由于河流的复氧作用较强,有机质矿化产生的NH4+-N进一步氧化为NO3-N,使NH4+-N维持在较低浓度 (0.20 mg·L–1)。

永安江的磷污染并不严重,TP和SRP的9年平均浓度分别为0.09和0.04 mg·L–1,基本保持在II类水质标准。永安江的CODMn浓度沿着水流方向呈增加趋势,说明了有机污染的沿程积累,CODMn的9年平均浓度为4.10 mg·L–1,基本保持在III类水质标准。

图2 永安江总氮、硝态氮和氨氮的沿程变化。

(2)人工湿地对氮、磷的去除效果较好

大树营湿地 (DS湿地) 和邓北桥湿地 (DB湿地) 为串联运行,进入湿地的水量和污染物浓度存在差异,使其对污染物的去除效率有所不同。DS湿地的进出水TN平均浓度分别为2.88和1.31 mg·L–1,TN的年平均去除率在25.0%至71.1%之间;而DB湿地的进出水TN平均浓度分别为1.47和1.05 mg·L–1,TN的年平均去除率波动较大,在–35.3%至36.8%之间。人工湿地对NO3-N的去除效果最为显著,DS湿地的进出水NO3-N平均浓度分别为1.34和0.67 mg·L–1,NO3-N的年平均去除率在41.1%至60.3%之间,但去除率呈逐年降低的趋势;而DB湿地的进出水NO3-N平均浓度分别为0.41和0.18 mg·L–1,NO3-N的年平均去除率在13.8%至65.3%之间。永安江中的NH4+-N污染程度较低,因此人工湿地的进出水NH4+-N浓度均维持在0.14–0.15 mg·L–1,NH4+-N的去除率约为20%。人工湿地对NO3-N的有效去除归功于湿地内的大型植物,湿地植物生长过程中可以吸收利用NO3-N,同时,植物根系的泌氧作用可以为根系微界面周围的氮转化微生物提供好氧/厌氧的微环境。此外,本研究中也观测到冬春季湿地的脱氮效率有所降低,这是由于冬季湿地植物衰亡较多,而且低温会抑制微生物的活性。

DS湿地和DB湿地的TP含量均较低,平均浓度分别为0.08和0.05 mg·L–1,两者对TP的去除率分别为41.1%和22.0%。两个湿地对SRP的去除效果与TP相似,DS湿地的进出水SRP浓度分别为0.05和0.02 mg·L–1,SPR去除率为57.2%;DB湿地的进出水SRP浓度分别为0.02和0.01 mg·L–1,SRP去除率为21.2%。结果表明,人工湿地对TP和SRP也有一定的去除能力。

(3)人工湿地成为有机污染源

研究结果表明,两个人工湿地对CODMn的去除效果微乎其微,甚至为永安江引入了额外的有机污染。DS湿地的进出水CODMn平均浓度分别为3.89和3.74 mg·L–1,年平均去除率在–24.1%至33.1%之间,且去除率随运行时间逐渐降低;而DB湿地的进出水CODMn平均浓度分别为3.67和4.30 mg·L–1,年平均去除率在–96.9%至8.3%之间,河水流经湿地后CODMn整体负荷增加了17.2%。人工湿地对有机污染物的去除主要通过截留、吸附等作用,无法像无机污染物一样直接被植物和微生物利用,此外,湿地内的大型植物和生物膜如果没有得到及时地清理,不仅会堵塞湿地基质里的孔隙,降低水力停留时间,也会成为有机污染的一部分。

· 结 论 ·

永安江的主要污染物为TN和NO3-N,其主要来源于流域内农田化肥和牲畜粪便内的含氮有机质的矿化过程。人工湿地在9年的运行过程中均保持对NO3-N和SRP较高的去除效率,这得益于湿地内植物和微生物对氮磷的吸收利用。但是,由于冬季的低温会导致湿地植物的衰败和微生物活性的降低,进而降低湿地的脱氮除磷效率。另一方面,由于人工湿地的设计与管理仍存在不足,导致湿地水位波动大,植物残体和生物膜碎屑堵塞湿地基质并造成有机污染。在人工湿地的实际运行过程中,应提高湿地的管理能力,及时清除湿地的残余物,使得与河流并联的人工湿地能够真正发挥污染物去除的作用。

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