水力循环强化生态驳岸修复地表水效能研究_俞俊武.pdf

第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT水力循环强化生态驳岸修复地表水效能研究水力循环强化生态驳岸修复地表水效能研究俞俊武，王天蓓，汪涵，郭长捷，吴敏，王亚宜*（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）摘摘 要要:传统生态驳岸多作为河道与河岸的生态缓冲带以截留面源污染，但其水体修复效果欠佳，针对此问题，本研究开发了水力循环强化生态驳岸技术，使生态驳岸水力负荷达到0.2 m3/（m2d）以上，增强其复氧与养分补给能力，最终提升对地表水的修复效能。研究结果表明，当模拟地表水水质为劣V类水质：即氨氮为2 mg/L、硝氮2 mg/L、总磷0.5 mg/L、COD 50 mg/L、Cu2+2 mg/L、Zn2+4 mg/L、Cd2+0.1 mg/L时，水力循环生态驳岸可实现良好的修复效果，其中氨氮、COD和硝态氮的去除率分别为 96%3%、93%2%和 58%3%；总磷去除率维持在 50%左右；重金属（Cu2+、Zn2+、Cd2+）去除率均高于99%。对驳岸运行过程中根际微生物样品进行16S rDNA高通量测序发现，体系中存在的Nitrospira、Bacillus、Thiobacillus和norank_o_SBR1031等菌属，可通过硝化-好氧反硝化、硫自养反硝化等作用去除反应体系内的含氮污染物和有机物。可见，水力循环生态驳岸复氧效果好，可实现氨氮与COD的高效去除，但硝氮、总磷去除率有待提升，该技术对于修复劣V类地表水体具有广阔的应用前景。关键词关键词:生态修复;生态驳岸;水力循环;地表水;微生物种群开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X522 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0087-006面源污染是我国农村地区面临的长期环境问题，在对其进行“源头减量（Reduce）、过程阻断（Retain）、养 分 再 利 用（Reuse）和 生 态 修 复（Restore）”的4R修复过程中1，生态驳岸技术兼具“过程阻断”和“生态修复”两大功能，能够有效截留面源污染物，防止河道污染2，是一项具有应用发展前景的生态修复技术。针对传统人工驳岸一般不具有生态功能，河流自净能力差的问题，生态驳岸添加了生态材质并进行加固，使其有利于植物和微生物生长，从而通过沉降、过滤、植物吸收和微生物作用，截留各类面源污染物、控制地表径流污染3。研究表明，生态驳岸对各类污染物去除率比传统硬化驳岸高24倍4。目前的生态驳岸研究主要集中于将生态驳岸作为河道与岸边之间的生态缓冲带，截留、去除雨水汇入河道过程中携带的面源污染5，还鲜有研究将生态驳岸技术作为地表水体的针对性修复技术。为进一步发挥生态驳岸的修复效能，使其成为一项适用于村镇地区的低成本、易管理、生态化的修复技术，本研究基于小试实验研究对传统生态驳岸进行技术改进，引入水泵构建水力循环生态驳岸装置，将河水抽至岸顶后，经生态驳岸回流至河道中，以提高生态驳岸利用率。通过长期运行探究其对各类污染物的去除效果、典型周期内污染物浓度变化情况以及驳岸运行过程中微生物多样性变化情况，以期为生态驳岸技术的创新与应用提供新的思路。1 实验材料与方法实验材料与方法1.1实验装置及用水实验装置及用水生态驳岸的实验装置如图1所示，其长宽尺寸分别为50 cm50 cm，装置中有一个隔板，隔板左侧模拟天然河道，其容积为7.5 L。隔板右侧下层装填砾石和土壤支撑，上层由土壤构成坡度为0.3的驳岸。在装置斜面上方悬挂一根穿孔布水管，通过水DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.017收稿日期：2022-03-22基金项目：国家重点研发计划（2019YFD1100502）作者简介：俞俊武（1999），男，硕士研究生，研究方向为水污染控制；联系电话：13548965090通讯作者：王亚宜，教授；电子邮件：87第 49 卷 第 2 期水处理技术水处理技术泵将地表水均匀布至驳岸顶端，于驳岸斜面种植黄菖蒲，密度为50 株/m2。本实验采用人工配水，由自来水配置，主要污染物 有 NH4+-N、NO3-N、PO43-P、COD、Cu2+、Zn2+、Cd2+，根据 地表水环境质量标准（GB 38382002）劣V类水体进行浓度设定，即：氨氮为2 mg/L、硝氮2 mg/L、总磷 0.5 mg/L、COD 50 mg/L、Cu2+2 mg/L、Zn2+4 mg/L、Cd2+0.1 mg/L。除设定的污染物外，还加入了适量的Ca2+、Mg2+、Mn2+、Mo6+、B3+、I-、Co2+和柠檬酸（一水合物）作为营养元素，以保证植物生长以及微生物富集。1.2运行方案运行方案实验装置根据水力负荷不同共设置四个运行阶段，运行周期内一次进水，停留一段时间后全部出水，水力停留时间为5天。在前三个阶段中，通过参考人工湿地将水力负荷分别设置为1、0.5、0.2 m3/（m2 d）。通过前三阶段确定最佳的单位面积负荷后，在此负荷下于进水中加入重金属（Cu2+、Zn2+、Cd2+），探究重金属冲击作用下驳岸对污染物的去除效果。1.3检测指标及方法检测指标及方法1.3.1水质指标水质指标水质指标主要包括 NH4+-N、NO2-N、NO3-N、TN、TP、COD、pH、DO以及水温，按照国家标准方法测试。另外，还检测了重金属Cu2+、Zn2+、Cd2+，采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）检测。1.3.216S rDNA高通量测序高通量测序为了分析水力循环生态驳岸在运行过程中系统内微生物多样性变化情况，采用 Illumina MiSeq 测序方法，使用 Illumina 公司的 MiSeq 测序仪。采集水力循环驳岸初始、第二、三、四阶段植物根系土壤样品以及非植物根系土壤样品共7组，分别标记为TBA_0、TBA_2A、TBA_2B、TBA_3A、TBA_3B、TBA_4A、TBA_4B（A代表植物根系，B代表非植物根系）。每组3个平行样品，采集后存储于-40 冰箱中，随后送往上海美吉生物公司测序。本实验采用 引 物 338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）进 行 PCR扩增。2 结果与讨论结果与讨论2.1生态驳岸运行效果生态驳岸运行效果2.1.1进出水进出水pH与与DO水力循环生态驳岸四个运行阶段平均进水pH为6.760.20，由于在驳岸系统内发生了反硝化作用后，出水pH升高，平均值为8.520.13。水力循环生态驳岸进水DO为饱和状态，四个运行阶段平均浓度为（8.050.46）mg/L，除第 III阶段由于水力负荷减小引起复氧效果缓慢外，其余运行阶段出水DO均接近饱和状态。水力循环生态驳岸由于在运行过程中，水体不断从驳岸顶端沿驳岸表面回流入河道中，可实现水体快速复氧。2.1.2典型污染物去除效果典型污染物去除效果水力循环生态驳岸在四个运行阶段中对氨氮的去除效果如图2（a）所示。通过前三个阶段水力负荷的比选，确定最佳水力负荷为0.2 m3/（m2 d）后，于该水力负荷下加入重金属（Cu2+、Zn2+、Cd2+）（第IV阶段），探究重金属冲击下对污染物的去除效果。在长期运行过程，氨氮平均进水浓度为（2.130.09）mg/L，平均出水浓度为（0.080.06）mg/L，平均去除率为96%3%。在水力循环过程中，通过水体在驳岸斜面上的流动实现了良好的复氧效果，高DO水平使生态驳岸硝化作用明显，且植物在生长过程中也会吸收氨氮，有利于水体中氨氮的去除。第IV阶段重金属冲击未对氨氮去除率产生影响，主要因为土壤对重金属的吸附与稳定化作用解除了其对微生物的抑制影响。50 cm10 cm40 cm输水管潜水泵布水孔挺水植物土壤水流方向地表水 图1生态驳岸实验装置Fig.1Schematic diagram of the hydraulic circulating ecological revetment-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5 进水 出水 去除率时间/dNH4+-N去除率/%(NH4+-N)/(mgL-1)10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120阶段阶段阶段阶段80859095100（a）氨氮88俞俊武等，水力循环强化生态驳岸修复地表水效能研究水力循环生态驳岸进出水硝氮浓度以及去除率如图2（b）所示。在长期运行过程，硝氮平均进水浓度为（2.140.07）mg/L，去除率呈先降低后升高趋势。第I阶段硝氮出水浓度由1.09 mg/L上升到2.01 mg/L，去除率由47%下降到6%。一方面，由于前两个周期植物处于旺盛生长阶段，可充分吸收水体中的氮素；而当植物生长速率减缓后，对氮素的吸收量下降。另一方面，由于水力负荷较大，水体复氧较快，驳岸实验装置中硝化作用明显，大量氨氮转化为硝氮，使得第I阶段后期硝氮浓度上升。第II阶段将单位面积负荷由1 m3/（m2 d）调整到0.5 m3/（m2 d）后，出水硝氮由 3.02 mg/L下降到 1.81 mg/L，去除率由-41%上升到10%。第III阶段，继续降低单位面积负荷为 0.2 m3/（m2 d），出水硝氮降低明显，平均浓度为（1.050.12）mg/L，平均去除率为52%6%。第IV阶段，添加重金属对硝氮去除效果未受影响，平均出水 浓度 为（0.890.05）mg/L，平 均去 除 率 为 58%3%。经过4个阶段硝氮的去除结果表明，该生态驳岸对硝氮的去除关键在于单位面积负荷：单位面积负荷较大时，水力循环过快，复氧强烈，硝化作用所消耗的溶解氧可快速恢复，不利于反硝化菌的生长；当降低单位面积负荷时，水力循环减弱，复氧减缓，有利于反硝化作用，因此可以实现硝氮的去除。另外，水力循环生态驳岸出水无亚硝氮积累，说明系统内发生的硝化作用或反硝化作用较为完整。水力循环生态驳岸在试验运行周期中，总磷进水平均浓度为（0.520.01）mg/L（图 2（c）。第 I阶段，总磷出水浓度由0.08 mg/L上升到0.23 mg/L，去除率由84%下降到56%，生态驳岸初始运行阶段，土壤对磷酸根的吸附能力较强，随后吸附逐渐达到饱和状态，总磷去除率逐渐下降。第II阶段调整水力负荷后，总磷去除率急剧下降，仅为23%，随后缓慢上升，到第III阶段结束，总磷去除率维持在50%左右。第IV阶段，由于重金属与磷酸根的沉淀作用，出水总磷迅速降低为（0.100.02）mg/L（平均值），平均去除率为81%4%。整体而言，水力循环生态驳岸对总磷的去除效果有待提高，当土壤吸附达到饱和后，总磷去除效果会迅速变差。水力循环生态驳岸对COD去除效果如图2（d）所示，试验运行的四个阶段中，COD 进水平均为（53.72.5）mg/L。第 I 阶 段，出 水 COD 平 均 为（13.51.5）mg/L，平均去除率为 76%1%。在降低水力负荷后，生态驳岸表面水流流速减缓，相对停留时间增加，微生物利用、降解COD效率提升，后三个阶段 COD 去除率较为稳定，平均出水为（3.61.1）mg/L，平均去除率为93%2%。2.1.3重金属去除效果重金属去除效果第IV阶段重金属平均进出水浓度以及去除率见表 1。由表 1可见，该驳岸对重金属去除效果良好，三种重金属几乎完全去除，主要包括两方面的去除作用机制：一方面，磷酸根与重金属可快速形成沉淀；另一方面，在水力循环作用下，土壤可吸附水体中的重金属并将离子态的重金属转化为化学态固定于土壤中。0.51.01.52.02.53.03.5 进水 出水 去除率时间/dNO3-N去除率/%(NO3-N)/(mgL-1)10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120阶段阶段阶段阶段-60-40-200204060（b）硝氮0.00.10.20.30.40.50.6