河渠岸坡特定生态系统的脱氮效率及影响因素

第42卷第2期中南大学学报(自然科学版)Vol.42No.22011年2月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Feb.2011河渠岸坡特定生态系统的脱氮效率及影响因素吴义锋，吕锡武，仲兆平，史静，徐微(东南大学能源与环境学院，江苏南京，210096)摘要：采用多孔混凝土为河渠生态护岸载体，联合微生物、绿色植物等生态因子构建模拟河渠岸坡特定生态系统，以研究该系统的脱氮效果及其去除机制。研究结果表明：岸坡特定生态系统能强化河渠中氮类污染物的去除效果，且脱氮过程符合一级反应动力学关系；具有完善特定岸坡生态系统的实验渠，停留时间为7d时氨氮去除率达到85%~90%；总氮(TN)的去除效果受季节影响，在植物生长季节(4~8月份)，7d的停留时间内TN去除率达到90%，脱氮反应动力学常数为0.331~0.353d−1，主要是微生物反硝化和植物吸收脱氮，脱氮贡献率为85%左右；在冬季(12月份)，当停留时间为7d时，TN去除率仅为36.4%，反应动力学常数为0.064d−1，微生物反硝脱氮的贡献率为80.9%，而植物吸收的脱氮贡献率仅为4.3%；硬质化岸坡的空白渠中，TN去除率低于72%，脱氮反应动力学常数K昀大值仅为0.191d−1；在河渠岸坡特定生态岸坡中，反硝化细菌群集数量的时空分布特性与坡面基质反硝化潜力的时空分布特性基本类似，具有明显的根际效应，水生植物带是系统脱氮的主要功能区。关键词：岸坡特定生态系统；多孔混凝土；脱氮；影响因素中图分类号：X171.4文献标志码：A文章编号：1672−7207(2011)02−0539−07InfluencingfactorsofnitrogenremovalfromstreamwaterusingspecialriverineecosystemWUYi-feng,LUXi-wu,ZHONGZhao-ping,SHIJing,XUWei(SchoolofEnergy&Environment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Anexperimentalmodelofstreamswithspecialriverineecosystemwasconstructedtoevaluatenitrogenremovalfromstreamanditsinfluencingfactorsusingecologicalembankmentsofporousconcrete,microorganismandhydrophytes.Theresultsshowthatthestreamwiththebenefitofmaturespecialriverineecosystemgivesthehighestcapacityofnitrogenremoval,andtheprocessofnitrogenremovalfitsfirst-orderreactionkinetics,thereactionspeedconstantincreaseswiththeincreaseoftemperature,anditis0.331−0.353d−1duringvegetativeseasonbut0.064d−1inwinter.Theammonia-nitrogenremovalis85%−90%within7dretentiontime,andtheremovalefficiencyoftotalremovalisaffectedbyseasonalfactors,whichcanreach90%duringvegetativeseason,denitrificationandplantuptakearebothdominateintheprocessofnitrogenremoval,whichcancontribute85%oftotalnitrogenremoval.Whenitisinwinter,theremovalrateoftotalnitrogenfromthestreamreducesto36.4%,andonlydenitrificationplaysthekeyroleintheprocessofnitrogenremovalwhichcontributes80.9%oftotalnitrogenremoval.Thespatial-temporalcharacteristicsofdenitrifyingbacteriahavethesamedistributionasdenitrificationpotentialofsubstrateonecologicalembankments,whichallhaveanaccumulatedecologicaleffectonthehydrophyterhizospheremicrobes’activities.Incontrast,inthestreamwithhardembankments,theremovalrateoftotalnitrogenisbellow72%alltheyeararound,andthemaximumkineticconstantisonly0.191d−1.Itisevidentthatspecialriverineecosystemviaecologicalembankmentsofporousconcreteandhydrophytescanrestoreandcompletetheecologysystemsignificantly.Keywords:specialriverineecosystem;porousconcrete;nitrogenremoval;influencingfactors收稿日期：2009−11−09；修回日期：2010−02−25基金项目：国家自然科学基金资助项目(51009027)；浙江省水利厅科技计划项目(RB0914)通信作者：吴义锋(1975−)，男，安徽萧县人，博士后，从事水环境的生态修复及生态工程技术研究；电话：[phone]；E-mail；[e-mail]中南大学学报(自然科学版)第42卷540长期以来，人们对河渠岸坡的水利工程所采取的措施仅局限于水土保持等功能需求，通常采取硬质化的护岸方式切断水域与陆地之间的物质、能量和信息交流，这给河渠的生态环境带来了严重问题。尽管河流污染控制已取得一些突破性成果，外源污染负荷在一定程度上被拦截和控制，但水生生态环境并未得到有效改善，使人们认识到依靠单纯的截污、控污并不能有效改善水体水质和修复破损的生态系统，必须采取生物生态型等工程技术对其进行原位性治理和修复，在不影响水体使用功能的前提下，改变传统硬质化岸坡为类似天然的生态型堤岸[1−2]。岸坡是生态系统中能量、物质、信息交换和构造水体景观的通道，也是陆域与水域中生态系统的重要生境和载体。影响岸坡生态恢复的关键因素是生物物种及其生长介质的丧失[3−4]，研发具有类似天然岸坡生态功能并具有一定力学强度的环保型材料对于修复水生生态具有重要意义。多孔混凝土也称为生态混凝土(Ecologicalconcrete)、环境友好型混凝土(Environment-friendlyconcrete)，是采用特殊级配的骨料和胶凝材料，其力学性能满足工程使用要求；其结构呈蜂窝状，内部具有连续贯通的孔隙，绿色植物能以此为基质茁壮生长，并能有效降低环境污染负荷[5−6]。采用多孔混凝土为河渠生态护岸载体，可为微生物的富集提供基质条件，绿色植物也能在其中生长，进而营造生物多样性的生境，修复和完善水生生态系统[7−8]。然而，多孔混凝土生态护岸的研究应用还存在一定的问题，如：河流的流动特性使得岸坡与水体的交互时间短，水质改善效果不明显，而且在研究应用阶段，受经济等因素限制，尚未建设较大规模的生态护岸作为研究模型，这也是导致目前多孔混凝土生态护岸的研究多集中于功能上的定性描述，而缺乏定量性研究成果的主要原因。在此，本文作者针对河渠硬质化导致的环境生态问题，采用多孔混凝土为生态护岸载体，联合微生物和绿色植物等生态要素构建岸坡特定生态系统，研究河渠岸坡特定生态系统的脱氮效果及其机理，以便为多孔混凝土生态护岸工程模式和水体污染控制提供实用技术和方法借鉴。1实验模型与方法1.1岸坡特定生态系统构建于上海市黄浦江原水厂临江泵站内建设中试模型，该模型由人工开挖的环形实验河渠构成，环形河渠可模拟自然弯曲和水流多样性的特征，同时增加了模型的可控制性。河渠外侧岸周长为54.7m，内侧岸周长为29.5m，断面为梯形，底宽为1m，上宽为4m，岸坡坡度为1.0:1.5，工作水深为0.8m。渠内设水流推进器，以模拟河水流动。1号为实验渠，其岸坡采用多孔混凝土为生态护岸基质，以微生物和绿色植物为生命主体构建岸坡特定生态系统；2号为硬质化岸坡的实验参照渠即空白渠，见图1。图1实验模型示意图Fig.1Diagramofpilotsystem实验渠岸坡特定生态系统的构建方法为：采用多孔混凝土预制球铺装护砌，球直径为250mm，内部预留平面二维方向的通孔，球成型后用经防锈处理的直径为18mm钢筋进行串接固定，并充当生态护砌面的配筋，球体之间自然形成了边长约100mm的方孔，护砌面空隙率约47%，见图2。预制球铺装后，就近挖取地表层20cm的土壤填充护砌面的空隙，以诱导植物生根发芽。覆土后实验模型反复通水30d左右，单位：mm图2多孔混凝土预制球及组合图Fig.2Prefabsphericalbricksofporousconcrete第2期吴义锋，等：河渠岸坡特定生态系统的脱氮效率及影响因素541以充分稀释多孔混凝土的碱，然后在坡面种植植被。坡面上以选种须根系的植物类型为主，并兼顾景观效应。沿坡面从下往上依次种植枯草、菖蒲、美人蕉、狗牙根、黑麦草等，植物带结构依次为沉水植物、挺水植物、草本植被，实现了坡面上水生生态向陆生生态的自然过渡。岸坡特定生态系统主要通过生态坡面上的绿色植物来改善水质和修复生态，并以多孔混凝土载体和坡面基质富集微生物进一步强化系统的稳定性。1.2实验条件岸坡特定生态系统过1a多的运行后，河渠岸坡植物旺盛，多孔混凝土预制球的间隙中出现了河蟹、蟾蜍等动物，岸坡特定生态系统已趋于完善。实验原水取自黄浦江，当渠中水深达到0.8m时，关闭进出水阀，同时启动水流推进器，水在渠中循环流动，实验周期为7d。黄浦江原水水质见表1，硝态氮平均占氮类污染物的47%。分别于2008年4月份、8月份和12月份开展3个周期的实验研究，以考察不同季节河渠特定岸坡生态系统对水中氮类污染物的去除效果及其影响因素。表1黄浦江原水水质Table1RawwaterqualityofHuangpuRiverρ/(mg·L−1)CODMnNH4+-NNO2−-NNO3−-NTNpH5.86~7.080.64~2.220.045~0.2230.98~3.473.73~6.727.31~7.68(6.53)(1.12)(0.122)(2.41)(5.12)(7.52)注：括号中的数值为平均值。1.3实验分析方法总氮(TN)和氨氮分别采用过硫酸钾消解紫外分光光度法和纳氏试剂分光光度法测定[9]。1.3.1岸坡特定生态系统的基质采集采用DN50的PVC管一端切割成45°斜面的自制基质采集器，插入多孔混凝土预制球的间隙，采集深度为3~5cm的基质。1.3.2反硝化潜力测定[10]将采集的新鲜基质250g置入容器，加入去离子水，先用纯氮曝气，待溶解氧(DO)接近于0时，加入NaNO3溶液，轻轻搅拌，使水中的NO3−-N浓度与黄浦江原水中的浓度类似，将液体石蜡倾倒与水面形成5mm的液体石蜡膜以隔离外界空气，定时取水样测定NO3−-N浓度，换算为单位质量坡面基质在单位时间内对NO3−-N的削减量；反硝化细