盐龙湖工程中试系统去除原水中氮磷效果研究

左 倬 ，郭 萧 ，李 巍 ，朱雪诞 ，胡 伟 ，仓基俊

（1.上海勘测设计研究院，200434，上海；2.江苏盐城市水利科学研究所，224000，盐城）

饮用水水源地的保护和生态修复对于减少饮用水处理成本和保障饮用水安全具有至关重要的作用。目前国内主流的原水净化技术主要有物理吸附过滤、化学氧化及生物接触氧化等技术，这些传统方法设备工艺相对复杂，运行和操作条件要求较高。相比之下，生态净化技术安全高效、成本低廉、管理方便等特点得以显现。

2009年年底，研究单位在盐城市龙冈镇境内蟒蛇河南岸设计构建了饮用水水源生态净化工程中试系统。通过运行研究表明，该工艺对水体有机物及营养盐去除效率高，净化效果好，出水水质稳定达到地表Ⅲ类水标准，且感官效果良好，出水透明度可达2 m。本文对该生态净化系统对水体氮素的去除进行分析与深入探讨，旨在了解及证实该系统各单元对微污染原水中氮（N）、磷（P）净化的效果与机制，以及该工艺在不同季节水质处理的效果差异，从而为今后在饮用水水源生态净化工程及其他水质保障工作中开展生态技术集成应用提供参考。

一、材料与方法

1.中试工程设计

基于生态净化技术除氮净水机理，构建盐城市区饮用水水源生态净化工程中试系统。中试系统占地面积约 26 亩（1 亩=0.067 hm2），由预处理区、湿地生态净化区（挺水植物区、沉水植物区）以及深度净化区组成（图1）。各处理单元水位高程依次降低，原水从蟒蛇河经一次提升后在场内自流，净化能力为4 500 m3/d。

预处理区为前置单元，面积为1 953 m2，在其前端设置有人工介质阵列，后端配置由浮叶植物组成的水生植物带以及具有净水能力的底栖动物挂网，具有沉降泥沙、提高水体透明度及初步净水功能；湿地生态净化区是整体工艺的核心单元，分为挺水植物区（3 628 m2）以及沉水植物区（4 197 m2）两个部分，通过配置多种水生植物，利用植物-土壤-微生物系统有效净化水质；深度净化区为保障单元，面积为2 002 m2，根据水底高程不同依次配置挺水植物带及沉水植物带，同时适当引入鱼类，以构建较为完整的生态系统，具有储水、水质保障及强化净化功能。所选物种均为当地常见的土著物种（表1）。

2.试验方法

沿中试系统水流方向依次布设A、B、C、D、E 共 5 个水质采样点，分别位于进水口、预处理区、挺水植物区、沉水植物区与深度净化区的出水口。研究单位于2010年8月下旬起至次年3月中旬期间，每周在上述采样点取水样进行1组实验，每组实验数据为连续3天测定数据的平均值，累计进行60次共20组实验，分析指标为总氮（TN）、氨氮（NH3-N）。委托江苏省水环境监测中心盐城分中心对水质的磷素进行分析，共取水样15次，分析指标为总磷 （TP）、溶解性磷酸盐（SRP）。各水质指标的分析方法均采用国家环境保护总局编写的 《水和废水监测分析方法》（第四版）。

二、结果与讨论

1.原水水质特点及中试系统氮、磷总体去除效果

中试系统原水取自蟒蛇河与通岗河交汇处上游。受工业排污、农业面源及生活污水等影响，该河道水质不稳定，超标现象时有发生。蟒蛇河水质呈现明显的季节性差异：夏季总体水质为劣Ⅴ类，主要超标指标为CODMn、TP与 DO；秋季总体水质为Ⅳ类，主要超标指标为TN与DO；冬季总体水质为Ⅴ类，主要超标指标为TP与TN。进一步分析发现，研究期间河水TN浓度超过Ⅲ类标准的概率为68%，其中在夏季超标概率为36%，秋季为58%，冬季则高达100%；NH3-N除在夏季有数次超标外，其他时间尚可稳定在Ⅱ～Ⅲ类标准；TP在研究期间的超标概率为13.3%。

运行试验期间，中试系统TN进水平均浓度为1.46 mg/L（Ⅳ类），出水平均浓度为0.59 mg/L（Ⅲ类），平均去除率为59.8%；NH3-N进水平均浓度为0.41 mg/L（Ⅱ类），出水平均浓度为0.12 mg/L（Ⅰ类），平均去除率为64.4%；TP进水平均浓度为0.133 mg/L（河道Ⅲ类），出水平均浓度为0.019 mg/L（河道Ⅰ类），平均去除率为85.5%；SRP进水平均浓度为0.082 mg/L，出水平均浓度为0.021 mg/L，平均去除率为74.1%。

2.不同季节除氮效果比较

夏季中试系统进水的TN与NH3-N浓度水平均较低。其中TN浓度在0.59～1.42 mg/L之间，平均浓度为0.97 mg/L，经净化出水TN平均浓度为0.42 mg/L（Ⅱ类），平均去除率达54.9%；NH3-N 浓度在 0.06～0.23 mg/L之间，平均浓度为0.13 mg/L，经净化出水NH3-N平均浓度为0.08 mg/L（Ⅰ类），平均去除率达35.8%。秋季中试系统进水TN浓度在0.73～1.77 mg/L之间，平均浓度为1.25 mg/L，经净化出水TN平均浓度为0.41 mg/L（Ⅱ类），平均去除率达66.7%；NH3-N浓度在0.11～0.49 mg/L之间，平均浓度为0.28 mg/L，经净化出水NH3-N平均浓度为0.08 mg/L（Ⅰ类），平均去除率达67.6%。冬季中试系统进水TN与NH3-N浓度延续了秋季的较高水平，并处于不断上升趋势。进水TN浓度在0.73～1.77 mg/L之间，平均浓度为1.25 mg/L，经净化出水TN平均浓度为0.88 mg/L（Ⅱ类），平均去除率达55.4%；NH3-N 浓度在 0.29～0.83 mg/L之间，平均浓度为0.56 mg/L，经净化出水NH3-N平均浓度为0.14 mg/L（Ⅰ类），平均去除率达73.4%。

表1 各处理单元物种配置

综上，中试系统对TN的去除率秋季>冬季≈夏季，去除负荷冬季>秋季>夏季；NH3-N的去除率冬季>秋季>夏季，去除负荷冬季>秋季>夏季。这与以往类似研究存在一定差异。其原因可能在于本工程进水水质、工艺流程、植物配置等方面与以往研究的差异。对于本工程，季节变化主要造成原水水质变化、湿地植物生活史以及水体温度差异3个方面影响。从原水水质角度来看，TN及NH3-N浓度在夏季以及初秋水平较低，而之后则一路攀升，这为低温季节中试系统提供了更高的氮素负荷，为较高去除率及去除负荷创造了前提条件；从植物生长周期角度来看，挺水植物及浮叶植物在夏末8月已经接近当年最大生物量水平，通过植物本身同化的氮素已然有限，然而中试系统所配置的伊乐藻、菹草、改良苦草等沉水植物在低温季节生长十分旺盛。有研究表明，低温季节沉水植物仍能较好地吸收污水中的TN且受温度的影响不大，这为低温季节水体氮素的去除提供了保障。然而也应注意，植物吸收并不是水体总氮去除的主要机制，大部分总氮是通过NH3的挥发、微生物对硝氮的好氧反硝化产生N2O或N2而去除，低温季节虽然水体DO较高，为硝化作用提供了充足的氧，但微生物活性也下降明显。在本研究中反映为虽然低温季节出水TN浓度大都能达到地表Ⅲ类标准，但却大有上升趋势，甚至出现偶尔超标的情况。该问题在未来研究中还应进一步关注。见图2。

3.不同季节除磷效果比较

研究表明，人工湿地能够利用土壤、微生物、植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水中磷素的高效去除。人工湿地对磷的去除主要是通过对不溶性磷的吸附和沉积作用，而磷酸盐比例比较高的水可以通过植物、微生物对SRP的吸收加以去除。SRP是植物生长所必需的营养物质，一方面在植物的吸收和同化作用下,被合成为ATP、DNA和RNA等有机成分，通过对植物的收割而将磷从系统中去除，另一方面通过微生物对磷的正常同化吸收聚磷菌对磷的过量积累，通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除，污水中的SRP也可与含有铁质和钙质的填料反应而永久沉淀。

中试系统进水TP浓度在0.06～0.21 mg/L之间，平均值为0.133 mg/L，SRP浓度较低，在0.19～0.03 mg/L之间，平均浓度为0.082 mg/L。TP指标夏秋季进水浓度较高，平均浓度为0.165 mg/L，出水平均浓度为0.030 mg/L，此期间水生植物已达到最大生物量，通过植物吸收去除较少，TP去除主要依靠土壤吸附和微生物降解为主，整个生态工程对TP的净化效果良好，去除率平均值达81.6%。11月至次年1月份进水TP浓度较低，平均值为0.111 mg/L，挺水植物上部陆续枯萎凋谢，为防止植物腐烂释放磷造成二次污染，2010年11月份对挺水植物进行收割，同时对生长旺盛的沉水植物也进行了收割，在此期间随着气温降低，相应微生物活性较低，土壤吸附作用逐渐加强，此时磷的去除以湿地土壤吸附络合和沉积作用等方式为主，故对TP去除率保持了较高的水平，监测后期TP平均去除率达89.4%。对于SRP指标，监测前期植物和微生物吸收较为旺盛，对SRP的去除率较高，平均可达80.1%，监测后期水生植物进入休眠期，故对SRP的吸收同化效率更低，去除率降到67.0%。见图3。

4.各工艺段去除氮磷的效果分析

总体而言，对于TN指标，预处理区对其去除贡献率仅为1.9%，挺水植物区贡献率占到了40.4%；沉水植物区、深度净化区对较为贫营养水体的TN仍有良好净化作用，贡献率分别为29.8%、27.9%。对于NH3-N指标，预处理区去除贡献率达到53.7%，挺水植物区贡献率为33.7%，沉水植物区与深度净化区贡献率，分别为7.4%与5.3%。对于TP指标，预处理区去除贡献率为39.9%，挺水植物区为34.1%，沉水植物区与深度净化区贡献率，分别为15.5%和10.5%。

预处理区是中试系统的前置单元，通过布置人工介质带、水生植物带等能够起到减缓水流流速、吸附水体中营养物质、沉降大颗粒悬浮物质、加大水中的溶解氧等作用，从而初步净化水质。预处理区对TN没有明显去除作用但去除了50%以上的NH3-N，这说明在该工况下预处理区人工介质带与水生植物带并不能明显吸收吸附水体中TN，然而却创造了良好的氧化条件，将NH3-N迅速转化为硝氮（NO2-N、NO3-N）形态；预处理区对TP去除贡献率较高的原因为：该区域流速较慢，磷素随着大颗粒悬浮物质的沉降和人工介质附着细菌的同化而得到有效去除。

挺水植物区（生态湿地净化区Ⅰ）利用植物根孔净化水质的净化机理，通过基质吸附、植物同化、微生物转化等作用降低水体污染物水平。在该工艺段，水体TN与NH3-N明显降低，挺水植物起到了重要作用。一方面挺水植物自身组织为微生物提供充足碳源与附着基质，另一方面植物通过根系向水体局部输氧，能在水底营造充氧和缺氧环境，分别为好氧、厌氧微生物提供适宜的生存条件，使硝化、反硝化作用得以进行。此区段中TP去除贡献率较高的原因为：挺水植物对SRP的吸收因流速变缓而加剧了沉降，以及挺水植物发达的根系营造出适合微生物发育的微环境等，共同促进了微生物吸收同化作用。

沉水植物区 （生态湿地净化区Ⅱ）是进一步去除水体营养物质的重要场所。沉水植物根系及茎叶均能够直接吸收水体中的氮，同时还能通过光合作用吸收二氧化碳并放氧造成水体pH值上升以及良好的DO环境，从而加速氨氮的挥发与微生物硝化、反硝化作用。在该工艺阶段，TN仍有较高去除率，而NH3-N由于本身浓度已较低，去除率不高。说明在沉水植物区TN的去除主要是依靠植物本身吸收与反硝化作用，氨氮的挥发不占主导地位。磷素去除主要通过沉水植物直接吸收以及基质吸收作用，但沉水植物生物量较小，吸附量相对较少，去除率较低的原因可能为颗粒磷在前面工艺通过沉降作用得以去除，磷酸盐也降低到比较低的水平，故在后续工艺中低浓度磷酸盐去除率偏低。

深度净化区是最后一道工艺，能够在起到储水作用的同时，通过健全的水生生态系统对水质起到维护与改善的作用。该工艺段按水底高程分别配置了挺水、沉水植物，同时具有挺水植物区与沉水植物区应有的功能，此外还引进了消费者（鱼类），能很好地维持水生生态系统的稳定。在深度净化区，水体中的N、P仍能进一步去除，出水TN、NH3-N及TP分别达到地表Ⅱ类、Ⅰ类、Ⅱ类（湖库）标准。

三、结 论

①蟒蛇河水质呈现明显的季节性差异，其中TN在秋冬季超标较为严重，TP则表现为夏秋浓度高，秋冬浓度低的特点。中试系统对TN、NH3-N、TP 及 SRP 的平均去除率分别为 59.8%、64.4%、85.5%、74.1%。

②中试系统出水TN的平均浓度为冬季（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的平均浓度冬季（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的平均浓度为夏秋季 （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的平均浓度为夏秋季 （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预处理区对TN的去除贡献较小，但能使NH3-N迅速降低，对TP的去除效果十分显著；挺水植物区在去除TN与NH3-N效果上最为明显，对TP也有很好的去除效果；沉水植物区能对TN、TP进一步去除；深度净化区完善的生态系统对贫营养水体仍有较好脱氮除磷作用。

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