生态工程综合治理系统对农业小流域氮磷污染的治理效应

以典型农业小流域——开慧河流域源区为研究对象,基于研究区农业面源污染的主要排放特征,建立以生态湿地为主的小流域面源污染生态工程综合治理系统,重点探讨其对水体氮磷污染物的去除效果.结果表明,畜禽养殖业是开慧河流域源区水体氮磷污染物的主要来源,需要重点防控.组合生态湿地处理工程对农村分散式生活与养殖混合废水总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率为87. 1%和90. 9%;多级人工湿地拦截工程对农田排水与分散式养殖混合废水TN、TP的平均去除率为85. 7%和84. 9%;景观型生态湿地净化工程对末端汇水区水体中TN、TP的去除率在27. 1%～67. 4%和13. 3%～81. 5%之间.整个生态工程综合治理系统对流域TN和TP污染物的总拦截量分别为5 292 kg·a~(-1)和1 054 kg·a~(-1),占研究区农业面源TN、TP总污染负荷的35. 3%和43. 6%.因此,构建的生态工程综合治理系统对流域农业面源氮磷污染具有较好的治理效应,适合在我国南方小流域水环境治理中推广应用.     

绿狐尾藻分解及其氮磷释放特征

湿地植物分解释放的有机物、氮和磷等会影响人工湿地对水体污染物的去除效率和出水水质.本研究采用尼龙分解袋法研究绿狐尾藻在水中的分解过程及氮磷释放特征.连续60 d的室内分解实验结果表明,前期(0～4 d)绿狐尾藻干物质质量损失速率快,占初始质量的30%,中后期(4～60 d)损失速率减慢,占31%.拟合的一级动力学分解速率常数为0. 014 2d-1,降解50%的干物质需48. 8 d.水体p H值变化情况:0～4 d从7. 60迅速下降到5. 63;中期趋于稳定;后期p H值回升到7. 03,与空白对照值接近.绿狐尾藻分解实验系统中溶解氧浓度从6. 30 mg·L~(-1)在1 d内快速下降到0. 61 mg·L~(-1),表明该系统一直处于厌氧状态.水中总氮浓度0～2 h迅速增加达到12. 7 mg·L~(-1),2 h～32 d逐渐降低到5. 80 mg·L~(-1),后期略有增加;总磷浓度初期快速升高到18. 4 mg·L~(-1),中后期趋于稳定.有机氮(占总氮65. 7%～94. 7%)和无机磷(占总磷61%～89%)是主要的氮磷存在形态.绿狐尾藻体内总氮含量随分解时间逐渐增加,从24. 3 mg·g~(-1)上升到60. 5 mg·g~(-1);而总磷含量从6. 09 mg·g~(-1)下降到2. 94 mg·g~(-1)后波动稳定,这可能与附着微生物对氮的吸收和固定等因素有关.本研究证实绿狐尾藻分解过程释放的氮磷营养元素会引起水体二次污染,为此采用合理的植物收割管理措施非常必要.     

pH和Ni2+对人工纳米氧化硅吸附菲的影响

为了揭示菲在人工纳米氧化硅上的吸附行为,采用批量平衡实验对比研究了灼烧前后纳米氧化硅对菲的吸附,考察了pH值和重金属离子(Ni2+)对吸附行为的影响,并应用位点能量分布模型分析了菲吸附行为的变化.结果表明,吸附数据可用Freundlich模型较好地拟合,高温灼烧后纳米氧化硅对菲的吸附增加,lgKF由1.48增加到2.43;吸附的非线性也增加,结合孔分布及表面积变化,说明纳米氧化硅对菲的吸附为孔填充与表面吸附共同作用,内部孔对菲的吸附起主要作用.pH值的变化没有显著改变原始纳米氧化硅对菲的吸附;但是显著影响灼烧后纳米氧化硅对菲的吸附,吸附随着pH值的增加而降低,pH值由4.0增加到8.0,lgKF减少了73.7%.主要因为提高pH值,可明显增加灼烧纳米氧化硅的表面电荷,降低孔的可及性.不同浓度的Ni2+对菲吸附的影响不同,在Ni2+低浓度时(<5 mmol.L-1),表现为吸附抑制;在Ni2+高浓度时,对低浓度菲(50μg.L-1)表现为促进吸附,对高浓度菲(500μg.L-1)吸附的抑制程度不再增加.这是多个机制共同作用的结果.     

纳米氧化铝对菲的吸附

为揭示菲在人工纳米氧化铝上的吸附行为及溶液化学条件对吸附的影响,采用批量平衡实验研究了两种纳米氧化铝对菲的吸附,并考察了pH、盐度和重金属离子(Ni~(2+))对吸附行为的影响.结果表明,两种纳米氧化铝对菲均具有一定的吸附能力,吸附数据可用Freundlich模型较好地拟合,lgK_F值分别为1.15(α-Al_2O_3)和1.07(γ-Al_2O_3).α-Al_2O_3对菲的吸附呈线性(n=0.96±0.03),其主要机制是菲在材料表面临近水层中的分配作用,而γ-Al_2O_3对菲的吸附表现出明显的非线性(n=1.19±0.01),其吸附过程除分配作用外,还可能存在孔填充机制;纳米氧化铝的团聚程度对两者的吸附行为也有影响.酸性和碱性条件下纳米氧化铝对菲的吸附均大于中性条件,在低pH条件下,纳米氧化铝与菲之间的静电吸引起主要作用,而在高pH下,纳米颗粒表面净电荷增加,团聚体的粒径减小,从而提供更多可利用的比表面积而促进吸附.盐度增加至32‰使两种纳米氧化铝的lgK_F由1.15和1.07提高到1.60和2.12,这主要归因于盐析作用.Ni~(2+)的存在对两种纳米氧化铝吸附菲也有促进作用,主要是纳米氧化铝表面电势增加和阳离子-π作用的结果.     

3种吸附剂对污水磷污染去除性能与机制比较

为探索高效利用膨润土、红壤和炉渣去除农业污水磷污染的可行性,对比分析了3种吸附剂对人工合成含磷污水的吸附去除特性,结合SEM、XDS和BET等测试结果以及等温吸附、吸附动力学及Ca2+释放量探讨了3种材料对磷的吸附机制.结果表明,炉渣对磷的吸附能力高于膨润土和红壤,吸附过程均适合Langmuir等温吸附方程(R2 0. 96),对磷的理论饱和吸附量为:炉渣(16. 87 mg·g~(-1))红壤(1. 21 mg·g~(-1))膨润土(0. 92 mg·g~(-1)).炉渣对磷的吸附动力学特征符合Elovich方程(R2=0. 966),而膨润土和红壤对磷的吸附特征则更适合准二级动力学方程(R2为0. 982和0. 959).炉渣的Ca2+释放量(10. 46 mg·g~(-1))显著大于膨润土(0. 31 mg·g~(-1))和红壤(0. 03 mg·g~(-1))(P 0. 05).红壤对磷的吸附量随着p H的升高而降低;膨润土在初始p H为7. 0时,吸附量最低;但初始p H值对炉渣去除磷的影响不大.相比红壤和炉渣,膨润土解吸较快,易于进行重复利用.综上所述,吸附材料的磷吸附能力主要与其结构、化学组成、Ca2+释放能力及溶液初始p H值等有关,炉渣较膨润土和红壤对磷酸盐有着更强的去除能力,适合处理农村污水磷污染.     

三级绿狐尾藻表面流人工湿地对养殖废水处理效应研究

提高人工湿地对养殖废水的处理效果是当前人工湿地需要解决的重要问题。本文以绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum Gaudich）为湿地植物,在野外构建三级表面流人工湿地,以高污染养猪废水为处理对象,分析废水中铵态氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）在人工湿地中的去除效应,并解析它们与水体温度、溶解氧（DO）、pH和氧化还原电位（Eh）等指标的关联性。结果表明,绿狐尾藻人工湿地对NH₄⁺-N、TN、TP和COD平均去除率分别为88.3%、86.4%、76.3%和82.3%,出水平均浓度分别为45、86、14和188 mg/L。人工湿地进水负荷与人工湿地去除负荷呈显著的正相关关系（R² ≥ 0.80,P< 0.01）,去除负荷随进水负荷增加而增加。根据Pearson相关分析,人工湿地对NH₄⁺-N、TN、TP的去除率与水体DO、Eh和温度有显著相关性（P<0.01）,而对COD的去除率仅与温度存在显著的相关关系（P < 0.05）,说明人工湿地对不同污染物的去除机制存在差异。主成分分析发现水体温度是人工湿地对NH₄⁺-N、TN、COD去除的主要影响因素,水体Eh对人工湿地去除TP的关联性最大。这对改善人工湿地对污染物的去除效应至关重要。