加拿大安大略省人工湿地对农业及奶牛场废水处理中植物.doc

加拿大安大略省人工湿地对农业及奶牛场废水处理中植物的作用N. Gottschalla, C. Boutinb, A. Crollac, C. Kinsleyc, P. Champagned译：李霞 环境工程 2011000481摘要：加拿大安大略省的东部，南方国家河流域是一个农业流域，由于早期的农业活动的影响严重富营养化。在这片流域中一个人工湿地用于处理农业废水以及来自拥有15头奶牛的奶牛经营场，该人工湿地检测八个经营季度来评估储存在香蒲中总氮（大概用总凯氏氮(TKN)表示低硝酸盐(NO3-)量）和总磷的去除率，并且香蒲在这个系统中占主要地位，营养负荷率比较高，湿地进水TN和TP负荷分别为16.2和3.4kg/（ha.d）并负荷于第一级湿地池中。当生长于自由水表面池被一起考虑时植物吸收占总氮去除率的0.7%,但是分开来看，第二级湿地池有较低的N和P的承载率，植物对TKN、NH4+和TP的吸收分别占去除率的9%,21%和5%。考虑到湿地年限和营养负荷，植物吸收对总的去除率有重要的意义。该人工湿地中处于生长期的植物的营养存储可以减少进入该流域的营养负荷，且该流域已经被当地集约型农业施压。关键词：人工湿地，氮，磷，香蒲种类，营养吸收，农业，加拿大1. 介绍在许多有集约型农业系统的国家，来自农业资源的非点源污染是一个重要的环境问题。尽管加拿大安大略省流域农业活动中的营养出口在原先是没有受管制的，新的法律正在实施以缓和农业水资源的营养。这项营养管理立案已经对安大略省所有大型、新型和扩张的牲畜经营中生效，尽管对所有牧场全面实施的时间表还没有决定（安大略省政府，2002）。农场主将需要起草和实施他们自己的营养管理计划来帮助控制营养的释放。经营中农场的污水的普遍来源包括肥料堆积径流，挤奶厅污水，或青贮饲料堆积的渗流，将越来越被视为受管制的废水来源，必须被纳入养分管理计划和土地应用或处理及排放的接收环境。农场主，尤其是拥有小型经营的，在新的规定下将寻找划算的、简单的遵行手段。在上述情况下，人工湿地由于其相对较低的建设和运行成本及已被证明的有效性，用来处理农业废水是一个可行的方法。人工湿地技术作为城市污水处理的一部分已经被使用多年,现在他们也被较多地应用于农业废水中。他们可以治理多种多样的污水类型，在大范围的负荷条件下可以减少营养物、有机物、固体废物以及病原体。在处理农业废水的时候一个重要的问题是营养物的减少，特别是氮和磷，因为他们能够导致水体表面富营养化。奶制品厂和猪场废水人工湿地治理的实例研究表明氮和磷的去除率分别在4898% 和 3596%之间，这也依赖于营养负荷条件和湿地年限，通常情况下，湿地中越高的去除率伴随着越低的负荷率，并且这点在近期更多的被证明。(Hammer et al., 1993;Hunt and Poach, 2000; Newman et al., 2000; Schaafsma et al.,2000).然而许多研究表明营养物质大量减少，大部分是在人工湿地运营管理的早期被管理，通常是在第一个五年。这就关系到这些系统的长期可行性还有已被大家接受的成熟的人工湿地性能上信息的缺乏。一些市政污水处理湿地即使经过十年的治理仍然能够保持足够的营养减少，然而，这些系统的营养负荷通常比农业废水处理湿地要低得多（库克，1992，锤和布尔哈特，2000）。预计对氮和磷的初级处理过程将随时间改变，随着植物变得确定和足够的CO2起到有效地反硝化作用氮的去除率增加，在土壤吸附能力达到饱和以后磷的去除率下降（卡德莱茨和骑士，1996；工艺，1997）。在一次沉降中快速脱磷潜能成为最主要的清除机制，引起人们的广泛关注，因为农业废水中的磷有高的趋势。另一个主要的问题是在寒冷的气候中人工湿地效能的不稳定性，尤其是对于表面流湿地。研究显示脱氮对温度有敏感性，这在很大程度上取决于根际区域微生物的活动，然而对于脱磷来讲是通过氧气利用的有效性对氧化还原反应水平的影响间接地受温度影响（卡德莱茨和骑士，1996；Wittgren and Maehlum, 1997; Bachand and Horne, 2000）。在一个全规模系统里，然而温度影响通常是不如实验室显著或小规模测试建议，但深层次的调查是有必要，能更好的预测处理效能的影响（Wittgren and Maehlum, 1997）。虽然人工湿地系统取得了广泛的性能分析，具有代表性的是在整体性能上几乎没有价值作用于确定的贡献或各种系统组成的影响。在植被研究实例中，普遍的共识是它的作用主要是物理的（例如，减少湍流来支持颗粒沉降），或者只是为了方便化学和细菌作用过程，这被认为是主要的处理（Brix, 1997）。植物直接吸收营养的影响可能只是当污水为低营养肥力水平时是有效的（Brix, 1997）。根据使用的植物种类，处理的污水类型和营养负荷率，植物营养吸收显示氮和磷的去除中分别占到3%47%和3%60%(Cooke, 1992; Tanner et al., 1995; Greenway andWoolley, 2000; Kuusemets et al., 2002)。再次，更高的去除通常被认为与较低的营养负荷率有关系。然而，更多关于吸收的研究是在最初几年运行中，当植物仍然在稳固时，所以很少有人研究长期营养存储在植物池。此外，由于实际原因，通常只有地上部分才会被收割并加以分析。为了解决长期的和寒冷气候的性能，以及人工湿地系统的整体效益植物的重要性，这项研究的目的是评价营养吸收所做的贡献，该研究是在一个寒冷气候条件下具有良好脱氮除磷技术人工湿地农业废水处理中对大型植物营养去除总质量。2. 方法2.1 研究地点与人工湿地研究地点位于加拿大安大略省东部，靠近渥太华市，气候寒冷,年均温度为6.3 C，六月21 C ，一月10.5 C；年均降水量733mm，年均降雪203cm(National Climate Data and Information Archive,2005)。人工湿地研究位于南部国家河流域，该河流自东向西从Brockville 到 Plantagenet共175km，流经渥太华河，劳伦斯河附属河(Fig. 1)，水域面积3810km2。由于原先森林砍伐加上现在紧张的农业，环境退化引起水质问题，主要是来自富营养化和腐蚀作用。该河流支流水质总磷水平超过省水质标准0.03mgL1 (OMOE, 1994)，河流本身测量值变化范围大约0.040.15mgL1，支流高达0.25mgL1(OMOE,as cited in Haughton, 2002)。在流域中磷的非点来源是农业径流主要的考虑内容(Haughton, 2002). 南方国家保护当局在04年实施项目计数流域中非点源污染。该地区的农场主可能承担补助金有助于水质改善工程，这包括牲畜河道限制，腐蚀控制，牛奶贮藏室洗舱水处理，径流预防以及人工湿地。被研究的人工湿地修建于1995年用来处理来自牛场的径流，施肥径流还有牛奶贮藏室洗舱水（包括磷酸），安大略省埃姆布能家庭经营奶牛厂，优先建立湿地。在进入泻湖之前牛场的径流，施肥径流还有牛奶贮藏室洗舱水没有处理。以前，没有处理的场院径流自流入路旁沟渠，最终进入海狸湖的小溪，是一条南方国家河的支流。Fig. 1 Position of the studied constructed wetland within the South Nation River Watershed in eastern Ontario, Canada. Fig. 2 Schematic diagram of the constructed wetland system. Wastewater flow is indicated by arrows, while pumps are indicated by dots. Sample locations within each FWS cell are indicated with ¤. Please see text for further clarification.人工湿地系统被设计成具有特许的预处理池，后面连接水平流植物池，最后是植物滤过带(Fig. 2)。两个水平流池在最初就种植，而且一直主要是香蒲宽叶草和香蒲小叶草，滤过器最初种植大麦，然而没有维持住，现在主要是野青茅和一些千屈草。人工湿地系统的废水水质自从1996年开始即被监测。每个构筑物的进水和出水在整个管理期自五月到十一月（系统在冬季结冰期间将被关闭，在这段时间，污水被储存在厌氧泻湖中）每隔两周取样一次。参数测量包括TKN (total Kjeldahl nitrogen)，NH4+ (ammonium)，NO3 (nitrate)，TP (total phosphorus)，DP (dissolved phosphorus，E. coli and faecal coliforms,and BOD5 (biochemical oxygen demand)。在最初四年运行管理中湿地一直有效去除TKN和TP，平均分别为72%和58% (Crolla and Kinsley, 2002)。对于这项研究，只有用到TKN,NH4+, NO3, TP and DP的数据。2.2 植物和水质取样在每个湿地池中根据预测流动模型选取取样位置以获得更有效和代表性的植物样品收集。每个水平流池中从进入到流出选取三个取样点，放置六个样方，每个样方占地0.25m2。这样在收获植物的根部和芽部时每个收集周期共36个样方每个池子有18个样方（六个样方×三个取样点×两个池子）。在三个时期（2003年5月上旬，7月和10月下旬）从植物池进行植物破坏性抽样，配合香蒲早期、中期和晚期生长季节。后续收集是在2004年4月完成，不论在地下生物量和营养物在10月份最后采样以后是否有进一步的增加，因为衰老这个时候还未完成。采样来自每一个采样时期指定采样区域内不同的地点，所以没有采集重新生长的。采样被清理并且分离成地上地下组织，然后在80C下至少烘干48小时。干燥、称量植物材料研磨至1mm以下在奎尔夫国家大学的营养分析实验室分析TN和TP，利用干烧氧化法分析TN，消化和比色法分析TP。在2003年从5月到11月运行管理季节进行水质取样。从两个水平流池子中采集表层水（中深层）和沉积水样品（与植物采样地点一致），同时在整个季节每个两周在进出口采样。这些水样均分析其TKN, NH4+,NO3, TP和DP，在阿尔弗雷德大学实验室根据分析条款大纲1998年标准方法进行。2.3 数据分析双向方差分析进行植物组织的营养含量来确定采样日期和抽样位置的效果。由于某些问题具有独立性，每一个样品的总养分含量用来代替分离的地上和地下的营养含量。必要时，数据进行对数变换更能满足方差分析的假设。进行回归试验,利用植物组织的营养浓聚物和污水中与营养浓聚物相对的含量,来确定污水的营养水平是否影响植物内总吸收。从5月到7月中旬开始运行的水质信息为7月植物收集平均值和从7月中旬到10月下旬为10月平均值。特别地对于沉积水样，只计算一个7 10月平均值，因为这些样本只在这整段时期收集由于技术性困难在采样季节之前遇到取样设备。2.4 计算2.4.1生物量去除和去除效率在测量操作的季节，每个水平流池子中营养物的总量去除是利用平均流入和流出的营养浓度来计算的，同时流量数据由湿地系统流量预算年度水计算出的，这个计算方法是由斯皮尔于2004年决定的。水预算综合考虑了往湿地抽水率还有现场降水资料收集和土壤水分蒸散量的估算。每个湿地结构水输入/输出计算的每月估计,根据这些，来确定每个水平流池子的每日平均流速。使用下列公式作为去除量用一年的公斤数表示：( Ci× Qi) ( Co × Qo) × 运行天数 × 1000 L m3×1kg× (1 .0 × 106mg1),在这里Ci是平均流入浓度(mg L1)，Qi是平均流入率(m3d1)，Co是平均流出浓度(mg L1)，Qo是平均流出率(m3d1)。去除量效率用百分比表示计算用下列公式：( Ci×Qi) ( Co × Qo)/( Ci×Qi)× 1002.4.2 营养存储水平流人工湿地池中营养存储总量估算用下列公式：存储量（kg）=生物量×覆盖面积×营养容量这里生物量是指每块采样单元(0.25 m2)的平均生物量，覆盖面积是每个池子中基于最大限度生长的可视化角度上最大的植物覆盖百分比（池1-90%，池2-95%），营养容量是干重部分的平均营养浓度。对每个收集时期和整个生长季节存储总的变化的估计计算是扣除5月份以后10月份的存储量。两个植物池中营养物的总的去除量对比植物中的营养存储来判断植物吸收贡献的营养去除的比例（在运行和生长季节）。Fig. 3 Changes in biomass, total nitrogen content, and total phosphorus content of Typha latifolia and T. angustifolia plant tissues throughout 2003 and early 2004 at the treatment wetland for agricultural (dairy) wastewater. Above-ground tissues are shown as positive values, while below-ground tissues are shown as negative values. Biomass and content are in g/0.25m2, representing averages of sample quadrats (n = 6); standard error estimates are included. Locations 13 represent FWS cell 1, from inflow to outflow, while locations 46 represent FWS cell 2, from inflow to outflow.3 结果3.1 营养吸收和生物量收集整个生长季节的地上和地下组织生物量和营养容量是变化的。表3显示地上生物量的增加，5月到7月TN和TP的容量，但是在同一时期内地下组织有相当的减少。在10月后期最后的生长季节，生物量和营养容量的减少可以看出地上、地下组织相应的增加。对于2004年4月的采样较10月相比，地下组织生物量或者是营养量没有显著变化，这显示了在2003年收集后没有额外的营养运输（TN和TP，p>0.9差异的生物量）。FWS池子间的差异也显示在表中，池2中TN和TP的生物量有较低的价值。在生长季节观测的不同（2003年）和采样的不同利用数据分析得到确认。双向方差分析应用在TN和TP含量分析上。研究发现采样地点的不同均对TN和TP是有意义的(各自的p = 0.000和0.007)。尽管事实是在地上和地下组织在整个生长季节有很明显的不同(Fig. 3 )，总的来说，采样日期的不同仅对TN（p = 0.052）来说被认为具有很小的意义，在最初水平0.05(Table 1)。回归分析被应用于植物中TN及TP的浓度和含量，与污水中的营养浓度想抵抗（表面和沉降）。多数有意义的结果显示污水中NH4+浓度与植物地上组织TN浓度是正相关关系，概率变化范围从0.002到0.037（Table 2ad）。污水中NO3浓度又很小的关系（p = 0.062）。只有一个有意义的关系发现于10月份的植物TP浓度和污水（沉淀）DP浓度间 ( p = 0.047)。然而，这是负相关。3.2 营养存储和去除量两个FWS池子中总的营养存储也计算每个收集时期(Table 3)。池1中TN在5月到7月总存储有明显的降低，而池2只有轻微的下降。两个池子中TP在这段时间也有轻微的下降。到10月后期最后采样的时候，较7月总营养存储有增加。总的来说，对于TN和TP池1中5月到10月整个生长期内存储的变化显示减少，而池2显示增加。整个运行期，营养物总去除量两个池子均计算。池1，N去除为1160 kg ha1yr1(TKN) 和1739 kg ha1yr1(NH4+)，池2，521 kg ha1yr1(TKN)和 239 kg ha1yr1(NH4+)。尽管池1 TKN去除比NH4+低一些，对于每个样品TKN浓度没有比NH4+少，因为TKN包括NH4+和有机氮。当没有被验证时，池1较高的NH4+会与TKN去除量不一致，这归因于衰败的植物材料中TKN成分有机氮的增加，这将导致较低的TKN和较高的NH4+去除量，尽管NH4+成分减少。池1，TP去除为45.9 kg ha1yr1，池2为120.1 kg ha1yr1。池1TKN和NH4+去除效率分别为46.7%和82%，池2分别为35.8%和50.2%。TP去除效率池1和池2分别为8.8%和23.5%。当比较存储在植物组织中营养总量脱氮除的变化时，在池2较高的去除部分-可以归因于植物存储去除。池1时显示TN和TP全部减少，池2有所增加。在一起考虑时，池1和池2中TN的净增加为6.14 kg ha1yr1，占植物池中TKN去除的0.7%。然而当单独分析池2，9%的TKN去除可能是由于植物储存增加。NH4+去除的比例在池2甚至更高，由于存储增加大约有21%。两池中不能计算TP去除的植物存储的贡献，因为在2003年的生长季节总和的储量变化是相反的。然而，池2中存储的增加占TP去除的5%。4讨论 两个池子中的生物量分配模式的研究结果与Grace、Wetzel (1982) 在密西根州的研究一致。监测5月到9月阔叶草和小叶草的生物量分配变化，两个物种地下生物量的减少发生在6月和7月，而地上生物量增加(Grace and Wetzel ,1982)。到9月，地下组织转变往回趋势(Grace和Wetzel, 1982)。一年中养分含量的变化也符合预期多年生植物模式，在生长季节的一半时地上组织有一个最大值，随后在季节后期迁移到地下组织 (Chapin and van Cleve, 1991)。先前的植物吸收作用研究由于只采集地上生物量可能有低估了营养存储。因为在根、茎有相当数量的存储。由于迁移随季节发生，抽样植被一年只有一次也产生一个不完整的描述，在寒冷的天气更是如此。此外，一个固定树干的单一的采样不能显示总的存储的全面变化，这是因为没有营养测量基线作比较，因此很难确定植物的存储贡献的去除。在此湿地中，对于香蒲来说回归分析的结果证实NH4+是氮的优先形式，NH4+占主导地位。植物组织中总吸收和储存受污水中NH4+浓度驱动，以更大的全面营养成分(例如，生物量)和更高的组织营养浓度在高浓度NH4+污水中。一项宽叶兔耳风氮吸收的动力学研究也证实了NH4+超过NO3的趋势。Brix et al. (2002)发现当提供NH4+而不是NO3作为唯一氮源时，宽叶兔耳风有更高的养分吸收和更高的增长率。池1中的整体储存比池2更高，2003年的生长季节(5月至10月)池1没有净增加存储的过程。另一方面，池2中的存储显示出TN和TP的增加。这可能部分由于在2003年5月初始植物采集期间的取样方法的影响。植物收集后没有立即清洗，在处理前这允许一些干性沉积物进入根和茎。作为结果，一些沉积残渣在清洗后仍然遗留在地下组织，这增加了干重同时可能增加了5月样品的营养含量。池1和池2地下样品5月均比10月有较高的营养含量，池2有更显著的差异。 池1中储存的缺乏可以进一步解释为由于高营养浓度废水而使养分吸收效率减少。Shaver and Melillo(1984)对宽叶兔耳风养分吸收效率(以上和地下组织) 的研究，发现尽管总吸收增加，对于较大的营养物质可利用性，养分吸收效率降低。此外，对于较大的营养物质可利用性，开始衰老的组织营养回收降低( Shaver and Melillo, 1984 )。吸收效率和回收效率的减少发生在池1，比起池2它有更高的营养加载条件。池2平均TKN载入率9.5 kg ha1d1 (基于池表面区域)，实质上小于池1(16.2 kg ha1d1)。这个湿地系统中植物对TP的储存基本上少于TN，但遵循相同的规律，虽然载入率是近似的(3.4 kg ha1d1versus 3.3 kg ha1d1)，池2比池1表现出更高存储。这较高营养储存在池2与 Brixs (1997)的只有低养分加载条件下植物吸收才是有意义的争论也是一致的。 至于其他养分吸收的研究显示，考虑到宽范围的营养负载、处理湿地的年限、地理位置还有应用的植物种类、处理污水类型难以找到合适的比较。Comin et al. (1997)研究西班牙处理农业径流的自然恢复湿地中溶解性无机氮的吸收。在这些湿地中，宽叶兔耳风占主导地位，氮的去除植物吸收占66%以上。然而,营养负荷比所描述的该研究中人工湿地低的多(只有2.7 kg ha1d1TN)，这些湿地研究都是5年限以下。另一项由Greenway和Woolley(2000) 研究发现27 47%的TN和47 65%的DP是由于植物吸收。然而，位于澳大利亚的人工湿地，包含各种各样的浮游大型植物，处理负荷率TN为2.43.7 kg ha1d1 和TP为2.03.3kg ha1d1的市政废水。湿地也在最初3年被监控运行，当时植被仍然是在建立的。5.结论总的来说，该人工湿地考虑到湿地年限和高的营养负荷在2003年生长季节对氮和磷的去除测量是实质的。在池子之间基于营养负荷率有明显的不同，在第二个池子相对较低的营养负荷下有较高的保留。由于湿地受NH4+控制，NH4+比NO3的吸收优先，总吸收和生物量随着污水中NH4+增加出现增加。但是生物量中的营养存储是短暂的，该湿地在生长季节的吸收阻止了氮和磷往国家南方河流流域的释放，这有助于减少来自农业活动的营养负荷。当然，这个单独的人工湿地对流域的影响或许是微不足道的，然而，如果这项技术大规模实施了，在向国家南方河和支流的营养输入方面有大量减少的潜能。随着人工湿地的成熟，对营养动力学的进一步研究有巨大的潜能。为了形成一个更完善的去除过程和整体性能的认知，有必要对湿地确定一个氮和磷的预算。这将涉及到持续的植物和水质采样，土壤和废弃物中的营养存储。为了防止池1中明显的饱和度还有一般的TP低去除，池底可以疏浚和重新种植。短期的缓解措施可以包括重新种植和栽有植物大麦的过滤器，或者对于额外的TP去除石灰岩和灰渣的添加。成熟的农业废水人工湿地在寒冷季节和高营养负荷条件下运行，通过调查所有植物组织对总营养去除的贡献，这项研究服务提出了人工湿地未来的设计和维护。它扩大了研究的地理范围，加入了这些系统的长期的性能和可行性的文献，而且还补充了植物吸收的研究工作。感谢 该研究是国家野生动植物研究中心支持和奎尔夫大学研究和技术转化单位慷慨的提供实验室及实验设备，同时还有国家科学和工程研究委员会提供研究经费。特别感谢加拿大农业科学L. Evenson, E.Gregorich, and R. Stanley，他们提供了额外的设备和设施利用，感谢肖恩-斯皮尔提供了补充数据，感谢L. Benedetti, A.White, and G. Bechdolff他们帮助进行野外工作，感谢A. Baril的地点地图，最后感谢Dignard家庭提供农场的使用权。referencesBachand, P.A.M., Horne, A.J., 2000. Denitrification in constructed free-water surface wetlands II: Effects of vegetation and temperature. Ecol. Eng. 14, 1732.Brix, H., 1997. Do macrophytes play a role in constructed treatment wetlands? Water Sci. Technol. 35 (5), 1117.Brix, H., Dyhr-Jensen, K., Lorenzen, B., 2002. Root-zone acidity and nitrogen source affects Typha latifolia L. growth and uptake kinetics of ammonium and nitrate. J. Exp. Bot. 53 (379), 24412450.Chapin, F.S., van Cleve, K., 1991. Approaches to studying nutrient uptake, use and loss in plants. In: Pearcy, R.W., Ehleringer, J., Mooney, H.A., Rundel, P.W. (Eds.), Plant Physiological EcologyField Methods and Instrumentation, second ed. Chapman and Hall, London, pp. 185208.Comin, F.A., Romero, J.A., Astorga, V., Garcia, G., 1997. 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