河渠岸坡特定生態系統的脫氮效率及影響因素

吳義鋒，呂錫武，仲兆平，史靜，徐微

(東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京，210096)

河渠岸坡特定生態系統的脫氮效率及影響因素

吳義鋒，呂錫武，仲兆平，史靜，徐微

(東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京，210096)

采用多孔混凝土為河渠生態護岸載體，聯合微生物、綠色植物等生態因子構建模擬河渠岸坡特定生態系統，以研究該系統的脫氮效果及其去除機制。研究結果表明：岸坡特定生態系統能強化河渠中氮類污染物的去除效果，且脫氮過程符合一級反應動力學關系；具有完善特定岸坡生態系統的實驗渠，停留時間為7 d時氨氮去除率達到85%～90%；總氮(TN)的去除效果受季節影響，在植物生長季節(4～8月份)，7 d的停留時間內TN去除率達到90%，脫氮反應動力學常數為0.331～0.353 d?1，主要是微生物反硝化和植物吸收脫氮，脫氮貢獻率為85%左右；在冬季(12月份)，當停留時間為7 d時，TN去除率僅為36.4%，反應動力學常數為0.064 d?1，微生物反硝脫氮的貢獻率為80.9%，而植物吸收的脫氮貢獻率僅為4.3%；硬質化岸坡的空白渠中，TN去除率低于72%，脫氮反應動力學常數K最大值僅為0.191 d?1；在河渠岸坡特定生態岸坡中，反硝化細菌群集數量的時空分布特性與坡面基質反硝化潛力的時空分布特性基本類似，具有明顯的根際效應，水生植物帶是系統脫氮的主要功能區。

岸坡特定生態系統；多孔混凝土；脫氮；影響因素

1 實驗模型與方法

1.1 岸坡特定生態系統構建

于上海市黃浦江原水廠臨江泵站內建設中試模型，該模型由人工開挖的環形實驗河渠構成，環形河渠可模擬自然彎曲和水流多樣性的特征，同時增加了模型的可控制性。河渠外側岸周長為54.7 m，內側岸周長為29.5 m，斷面為梯形，底寬為1 m，上寬為4 m，岸坡坡度為1.0:1.5，工作水深為0.8 m。渠內設水流推進器，以模擬河水流動。1號為實驗渠，其岸坡采用多孔混凝土為生態護岸基質，以微生物和綠色植物為生命主體構建岸坡特定生態系統；2號為硬質化岸坡的實驗參照渠即空白渠，見圖1。

圖1 實驗模型示意圖Fig.1 Diagram of pilot system

實驗渠岸坡特定生態系統的構建方法為：采用多孔混凝土預制球鋪裝護砌，球直徑為 250 mm，內部預留平面二維方向的通孔，球成型后用經防銹處理的直徑為18 mm鋼筋進行串接固定，并充當生態護砌面的配筋，球體之間自然形成了邊長約100 mm的方孔，護砌面空隙率約47%，見圖2。預制球鋪裝后，就近挖取地表層20 cm的土壤填充護砌面的空隙，以誘導植物生根發芽。覆土后實驗模型反復通水30 d左右，以充分稀釋多孔混凝土的堿，然后在坡面種植植被。坡面上以選種須根系的植物類型為主，并兼顧景觀效應。沿坡面從下往上依次種植枯草、菖蒲、美人蕉、狗牙根、黑麥草等，植物帶結構依次為沉水植物、挺水植物、草本植被，實現了坡面上水生生態向陸生生態的自然過渡。岸坡特定生態系統主要通過生態坡面上的綠色植物來改善水質和修復生態，并以多孔混凝土載體和坡面基質富集微生物進一步強化系統的穩定性。

圖2 多孔混凝土預制球及組合圖Fig.2 Prefab spherical bricks of porous concrete

1.2 實驗條件

岸坡特定生態系統過1 a多的運行后，河渠岸坡植物旺盛，多孔混凝土預制球的間隙中出現了河蟹、蟾蜍等動物，岸坡特定生態系統已趨于完善。實驗原水取自黃浦江，當渠中水深達到0.8 m時，關閉進出水閥，同時啟動水流推進器，水在渠中循環流動，實驗周期為7 d。黃浦江原水水質見表1，硝態氮平均占氮類污染物的47%。分別于2008年4月份、8月份和12月份開展3個周期的實驗研究，以考察不同季節河渠特定岸坡生態系統對水中氮類污染物的去除效果及其影響因素。

表1 黃浦江原水水質Table 1 Raw water quality of Huangpu River

1.3 實驗分析方法

總氮(TN)和氨氮分別采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法和納氏試劑分光光度法測定[9]。

1.3.1 岸坡特定生態系統的基質采集

采用DN50的PVC管一端切割成45°斜面的自制基質采集器，插入多孔混凝土預制球的間隙，采集深度為3～5 cm的基質。

1.3.2 反硝化潛力測定[10]

基于MaxEnt模型的丹參全球潛在生態適宜產區分析…………………………………………………… 高 銘等（16）：2243

將采集的新鮮基質250 g置入容器，加入去離子水，先用純氮曝氣，待溶解氧(DO)接近于0 時，加入NaNO3溶液，輕輕攪拌，使水中的NO3?-N濃度與黃浦江原水中的濃度類似，將液體石蠟傾倒與水面形成5 mm的液體石蠟膜以隔離外界空氣，定時取水樣測定 NO3?-N濃度，換算為單位質量坡面基質在單位時間內對 NO3?-N的削減量；反硝化細菌采用反硝化細菌培養基對一系列的基質懸液培養后，應用最大可能數法(MPN)測定[10]。

1.3.3 基質懸液制備

稱取10 g新采集基質加入盛有100 mL無菌水的三角錐瓶中，振蕩混勻至土壤顆粒完全分解后，吸取1 mL基質懸液進行系列稀釋。

基質反硝化潛力和反硝化細菌群集數量的監測斷面設置于環形河道長直線段的中部，由上而下設4個取樣點，分別標記為a，b，c和d，見圖3。a點長期位于水面以上，b點位于坡面中上部的水位變動區，c點位于坡面中下部，d點位于岸坡與河床交界處。a點至坡頂為植物帶草本植物帶，a～c點為植物帶挺水植物帶，b點位于挺水植物帶的中部，c～d點對應沉水植物帶。

圖3 生態護砌面監測位置Fig.3 Sampling point on ecological embankments

2 結果與分析

2.1 氨氮和TN的去除效果

實驗河渠中氮類污染物的濃度變化與停留時間TR的關系見圖4，脫氮反應動力學常數模擬結果見表2。從圖4可見：實驗渠(1號)具有完善的岸坡特定生態系統，水中氮類污染物去除效果顯著；在植物生長旺盛季節(4月份、8月份)的2個周期內，當TR為3 d時，氨氮和TN的去除率超過54%，TR為7 d時去除率均達到85%以上，此時，水中氨氮質量濃度低于0.1 mg/L，TN質量濃度低于0.6 mg/L；冬季時(12月份)，河渠岸坡護砌面上的挺水植物菖蒲、美人蕉枯萎被收割，僅生長越冬植物黑麥草，植物量減少，TN的去除率大幅度降低，TR為3 d時去除率僅為22.8%，7 d時的去除率僅增加至 36.4%，可見岸坡特定生態系統中植物因素在一定程度上決定著河渠的脫氮效果。另外，實驗渠中，溶解氧質量濃度為8.0 mg/L左右，氨氮在好氧條件下被氨化細菌轉化為硝態氮，因此，氨氮的去除率高且不受季節影響，而TN去除率受季節交替的影響顯著。硬質護砌的空白渠(2號)中氮類污染物的去除過程與實驗渠的去除效果差別較大，在4月份和8月份的2個實驗周期內，當TR為3 d時，氨氮、TN去除率均低于33%；隨著TR延長，渠中滋生了剛毛藻等浮游藻類促進了氮類污染物的去除效果，8月份時TN去除率達到72.0%，然而冬季時(12月份)，氣溫低而水中藻類生物量少，TR為7 d時氨氮去除率僅為31.7%，TN幾乎無去除效果。上述表明岸坡特定生態系統能夠強化河渠中氮類污染物的去除能力。

圖4 N-N和TN濃度與停留時間的關系Fig.4 Relationship between total nitrogen and N-N concentration and retention time

表2 脫氮反應動力學常數模擬結果Table 2 Simulated reaction kinetic constant of denitrification

岸坡特定生態系統是以多孔混凝土為生態護岸載體，聯合坡面基質富集的微生物及綠色植物協同作用。氮類污染物去除機理是多樣的，包括氨揮發、硝化?反硝化、植物攝取以及基質吸附等，其中主要途徑是微生物的硝化—反硝化以及植物攝取，因此，TR越長，脫氮效果越明顯。實驗渠脫氮效果明顯優于空白渠的脫氮效果的原因可歸納為：

(1) 多孔混凝土本身具備連續貫通的孔隙為綠色植物提供了類似土壤的生長載體，孔隙的覆土基質富集了各類群微生物。

(2) 坡面植被以須根系植物為主，根系巨大的比表面積具有明顯的根際效應，附著大量的微生物，同時，植物對各種形態氮尤其是氨態氮具有較強的吸收能力。

(3) 岸坡特定生態系統中不同坡位的功能優勢互補，植物根系附近形成有利于硝化作用的好氧區，而坡面下部遠離植物根系的厭氧區的基質內含有大量的碳源，提供了反硝化條件。

2.2 脫氮動力學模擬

根據實驗河渠的水力學特征以及生化需氧量(BOD)和 TN的去除服從一級反應動力學原理[11]，即TN去除動力學符合以下動力學模型：

式中：ρ為TN質量濃度，mg/L；ρ0為TN初始質量濃度，mg/L；K為反應動力學常數，d?1；t為停留時間，d。

忽略水量損失，總氮去除率可表示為：

式(3)在坐標系中為1條過原點的直線，以?ln(1?η)為縱坐標，停留時間t為橫坐標，斜率即為動力學常數K，計算結果見表2。實驗渠(1號)的脫氮反應動力學常數K與岸坡特定生態系統所處的季節因素有關，植物生長季節(4～8月份)，護砌面植物量大，實驗渠脫氮反應動力學常數為0.331～0.353 d?1，而冬季時(12月份)水生植物枯萎、被收割，反應動力學常數僅為0.064 d?1。空白渠(2號)的脫氮反應動力學常數K值遠比實驗渠的K小，并受季節影響；8月份時隨TR的延長，渠內滋生了大量的浮游生物，提高了氮類污染物的去除效果，動力學常數為0.191 d?1；4月份和12月份時空白渠脫氮效果較差，反應動力學常數僅分別為0.052 d?1和 0.002 d?1。

3 脫氮的影響因素與機理

由于實驗模型為封閉的模擬河渠，氮類污染物去除途徑主要包括微生物反硝化、植物吸收、多孔混凝土及填充基質吸附和氨氮揮發。文獻[12]表明：在濕地系統中，當pH小于8.0時，氨揮發潛力較小；當pH大于9.3以及氨和銨離子的物質的量比為1:1時，氨氮揮發才變得顯著[12]。多孔混凝土在生產過程中通常摻加一定的堿性緩釋劑，即使在封閉的實驗模型中，TR=7 d時水體pH也不超過8.5，通過氨揮發途徑的脫氮量較小。介質吸附主要對還原態氨氮而言，且吸附過程是快速和可逆的，但以基質陽離子發生銨離子交換一般不認為是氨氮去除的結果[13]。另外，用于構造岸坡特定生態系統的載體為多孔混凝土，其構造材料如礫石、水泥等通常是惰性的，并不能提供吸附過程所需要的大量活性點位，通過介質吸附來完成脫氮也可忽略不計。綜上所述，岸坡特定生態系統的脫氮過程主要通過微生物反硝化和植物吸收來完成。

3.1 生態岸坡反硝化細菌富集特征和反硝化潛力

反硝化細菌屬于異養型微生物，利用亞硝酸鹽、氨氮作氮源，有機質作碳源，使硝酸鹽逐步轉化為NO，N2O和 N2，從而完成脫氮過程。岸坡特定生態系統不同坡位的基質由于底物濃度、含氧量、pH、氧化還原電位(ORP)等存在差異，生態護砌面的反硝化細菌群集數量也相應存在空間差別，結果見表 3。水植物帶的b點和c點反硝化細菌群集數量明顯比a點和d點的高，但差別不大，屬同一數量級，反硝化細菌并沒有因為d點水深增加或DO偏低而發生顯著變化，表明特定生態岸坡上反硝化作用的空間差別較小。這主要是因為基質采集區深度為3～5 cm，為植物根際區，氧的含量并不是影響坡面基質富集的首要因素；另外，a點暴露于空氣中，是草本植被生長區域，植物根系區存在還原性的微環境，富集了一定數量的反硝化細菌。可見：岸坡特定生態系統的坡面基質存在全方位的反硝化潛力。

岸坡特定生態系統基質的反硝化潛力時空分布見表 3。不同點位的反硝化潛力在不同季節具有一定的共性，挺水植物生長帶的b點和c點基質的反硝化潛力較大，坡面上部a點、坡底d點基質的反硝化潛力則較小。生態坡面的反硝化潛力的分布與反硝化細菌的分布特征基本一致，說明生態坡面上的反硝化細菌群集特性以及基質的反硝化潛力都具有明顯的根際效益。在好氧和厭氧同時起作用以及碳源不受限制的情況下，岸坡特定生態系統的生態坡面具有較強的反硝化潛力，有利于微生物反硝化脫氮過程，同時，也證明了岸坡特定生態系統對微污染水體進行水質凈化和生態修復時，反硝化作用并非是系統脫氮的限制步驟。

3.2 植物吸收的脫氮作用

植物在氮類污染物的遷移和轉化過程中發揮著重要功能，可以直接吸收水體中的NH3-N和NO3?-N合成自身物質。植物在生長過程中，根系分泌有機物，可為微生物除磷脫氮作用的發生補充碳源，而根系泌氧作用又可以在根系形成好氧或兼氧的微環境，有利于脫氮過程的完成[14]。水生植物是岸坡特定生態系統的重要組成部分，采用生態混凝土進行生態護坡后，水生植物在特定生態系統的載體中生長良好，提高了系統內綠色植物的生物量，從而強化了系統中氮類污染物的去除。在實驗渠的岸坡特定生態系統中，草本植被的種植面積為63.2 m2，夏秋季主要種植狗牙根，冬春季為黑麥草，挺水植物1 a后的成活率達到90%以上，美人蕉、菖蒲呈簇生長，每簇1～5株，其中美人蕉600余簇，菖蒲200余簇；苦草等沉水植物受黃浦江濁度高的影響而生長不明顯，岸坡特定生態系統中立體性的植物結構有利于水中污染物的去除。

表3 實驗渠岸坡特定生態系的脫氮因素Table 3 Influencing factors of nitrogen removal on ecological embankments

表4 實驗渠中氮類污染物削減量估算Table 4 Estimated amount of nitrogen removal from stream

3.3 實驗渠中氮類污染物的去除機制

實驗渠容納水量為74.10 m3，忽略實驗周期內的水量損失，由初始 TN質量濃度和實驗周期末的 TN質量濃度，可計算實驗河渠中氮的總削減量。微生物反硝化作用的氮削減量由岸坡特定生態系統基質的反硝化潛力與生態護岸面積計算；植物吸收的氮削減量通過在試驗周期內采集典型植物，由植株體內氮素含量[15]與植物凈生長量計算；削減總量扣除岸坡特定生態系統中的反硝化脫氮量和植物吸收的脫氮量，即為其他途徑如底泥攔截、沉積等去除量，計算結果見表4。從表4可見：在植物生長季節，實驗渠脫氮過程主要由反硝化脫氮和植物吸收完成；而在冬季時，護砌面植物量較小，實驗渠主要通過反硝化脫氮，其脫氮貢獻率達到80.9%，而植物吸收的貢獻率僅為4.3%。由于實驗過程受多種因素影響，植物吸收的氮類來源于水、空氣、基質等，植物脫氮的貢獻率估算值有所偏大。因此，多孔混凝土作為河渠的生態護岸載體，其內部連續貫通的孔隙和巨大的比表面積為微生物的富集提供了載體，同時，也可作為綠色植物生長的基質，構建的岸坡特定生態系統提高了河流自凈能力，能修復其生態環境。

4 結論

(1) 實驗渠岸坡特定生態系統能夠強化水中氮類污染物的去除效果。停留時間TR為7 d時氨氮去除率達到85%～90%；TN去除率受季節影響顯著，植物生長季節去除速率較快，TR為7 d時，TN去除率也達到90%左右；而在低溫季節，TR為7 d時，去除率僅為36.4%。對于硬質化的空白渠，TN去除率遠小于實驗渠的去除率，脫氮速率與水中滋生的藻類生物量有關，氣溫較高時水中易滋生藻類，TR為7 d時，TN去除率為72%，其他季節時，去除率低于28%。

(2) 以多孔混凝土為生態護岸載體構建的岸坡特定生態系統對河渠中氮類污染物去除率與停留時間呈正相關，脫氮過程符合一級反應動力學關系，反應動力學常數K受季節影響，植物生長季節時反應動力學常數為 0.331～0.353 d?1，冬季時僅為 0.064 d?1。硬質化空白渠的最大脫氮反應動力學常數僅為0.191 d?1。

(3) 岸坡特定生態系統中反硝化細菌群集特征與基質反硝化潛力的分布特性基本一致，具有明顯的根際效應，表明岸坡特定生態系統中挺水植物生長區反硝化細菌菌群數量較大，反硝化潛力強，是河渠脫氮的主要功能區。

(4) 在植物生長季節，微生物反硝化和綠色植物吸收是河渠岸坡特定生態系統脫氮的主要途徑；冬季時，反硝化脫氮則是最重要的脫氮途徑。對河渠進行生態修復時，應優先修復與水體進行直接交互作用的水生植物生長區，在保障岸坡安全與穩定以及不影響其水利功能的前提下，以實現污染物的最大去除。

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(編輯 陳燦華)

Influencing factors of nitrogen removal from stream water using special riverine ecosystem

WU Yi-feng, LU Xi-wu, ZHONG Zhao-ping, SHI Jing, XU Wei

(School of Energy & Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

An experimental model of streams with special riverine ecosystem was constructed to evaluate nitrogen removal from stream and its influencing factors using ecological embankments of porous concrete, microorganism and hydrophytes. The results show that the stream with the benefit of mature special riverine ecosystem gives the highest capacity of nitrogen removal, and the process of nitrogen removal fits first-order reaction kinetics, the reaction speed constant increases with the increase of temperature, and it is 0.331?0.353 d?1during vegetative season but 0.064 d?1in winter. The ammonia-nitrogen removal is 85%?90% within 7 d retention time, and the removal efficiency of total removal is affected by seasonal factors, which can reach 90% during vegetative season, denitrification and plant uptake are both dominate in the process of nitrogen removal, which can contribute 85% of total nitrogen removal. When it is in winter, the removal rate of total nitrogen from the stream reduces to 36.4%, and only denitrification plays the key role in the process of nitrogen removal which contributes 80.9% of total nitrogen removal. The spatial-temporal characteristics of denitrifying bacteria have the same distribution as denitrification potential of substrate on ecological embankments,which all have an accumulated ecological effect on the hydrophyte rhizosphere microbes’ activities. In contrast, in the stream with hard embankments, the removal rate of total nitrogen is bellow 72% all the year around, and the maximum kinetic constant is only 0.191 d?1. It is evident that special riverine ecosystem via ecological embankments of porous concrete and hydrophytes can restore and complete the ecology system significantly.

special riverine ecosystem; porous concrete; nitrogen removal; influencing factors

X171.4

A

1672?7207(2011)02?0539?07

2009?11?09；

2010?02?25

國家自然科學基金資助項目(51009027)；浙江省水利廳科技計劃項目(RB0914)

吳義鋒(1975?)，男，安徽蕭縣人，博士后，從事水環境的生態修復及生態工程技術研究；電話：025-83795618；E-mail；shinfun@seu.edu.cn