3种人工载体净化富营养化水体能力的比较

通过野外模拟实验,对比3种不同理化性状人工载体(立体填料、生物绳和尼龙纱网)净化太湖梅梁湾富营养化水体的能力,并探讨影响人工载体水质净化能力的生物与非生物因素.结果表明:(1)所选择的3种人工载体均能显著降低水体的浊度,其中尼龙纱网处理组中水体浊度下降了94.2％,其单位质量载体净化量最高(36.18NTU/g);(2)与对照组相比,各人工载体处理组中,水体中藻类的生长都受到极显著抑制;(3)3种人工载体对水体中TN、TP的去除效果差异极显著,其对TN累积去除率分别为25.55％、10.21％、51.54％,对TP累积去除率分别为38.93％、38.33％、62.98％;(4)载体理化性状、附着藻类与细菌的生物量和活性、挂载量以及载体上溶解态营养盐的释放是影响人工载体水质净化能力的重要因素.综上,尼龙纱网因具备单位质量附着生物的生物量与活性高、自身滞留溶解态营养盐少以及质量轻且价格经济等优势成为净化富营养化水体较为理想的人工载体.     

旁路多级人工湿地对巢湖流域南淝河水的净化效果

为了削减南淝河输入巢湖的污染物,建成南淝河旁路多级人工湿地水质净化示范工程,包括预处理系统、垂直潜流湿地系统和水平潜流湿地系统3个工艺单元.2014年3月至2015年2月对人工湿地各净化单元出水进行周年监测,分析各净化单元对污染物的去除效果,并探讨季节变化对去除效果的影响.结果显示,旁路多级人工湿地体现较高的去除效果.对高锰酸盐指数(COD_(Mn))、总氮(TN)、铵态氮(NH_4~+-N)和总磷(TP)的总去除率分别为70.9%、43.7%、43.5%和76.6%.COD_(Mn)和TP的平均出水浓度均优于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅳ类水标准,而NH_4~+-N的平均出水浓度优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A类标准.各净化单元对污染物的去除差异显著,COD_(Mn)的去除主要发生在预处理单元,其对COD_(Mn)削减的净化率为65.1%;TN、NH_4~+-N和TP的去除主要发生在垂直潜流湿地单元,其对TN、NH_4~+-N和TP削减的净化率分别为23.2%、27.1%和51.1%.不同季节,旁路多级人工湿地对污染物去除具有一定差异,对COD_(Mn)和TP的去除率均表现为夏季秋季春季冬季,对TN的去除率表现为秋季春季夏季冬季,对NH_4~+-N的去除率表现为秋季夏季春季冬季.最后,建议通过增加碳源和增大水力停留时间来进一步优化该工艺,以有效提高脱氮效果.     

分级进水对阶梯垂直流人工湿地污水处理效果的影响

本文研究了分级进水对阶梯垂直流人工湿地处理生活污水效果的影响.在保持总水力负荷为100 mm/d的情况下,分别将总进水量的0%、10%、20%和30%用于湿地第2级阶梯的进水,分析了系统对化学需氧量(COD)和氮、磷的总去除率和沿程变化.结果表明,不同分级进水比例条件下人工湿地对COD和总磷(TP)的去除率差异不明显,COD和TP的最高去除率分别为87.80%和81.17%,COD的去除主要集中在第1级,其贡献率平均为82.18%,TP的去除主要集中在第3级,贡献率平均为54.37%.分级进水对总氮(TN)去除率影响显著(P0.05),当2级进水比例为20%时,TN去除率最高,为61.70%±4.48%,且3个梯级对TN的去除贡献率分别为36.52%、42.11%和21.37%.相同组合形式的垂直流人工湿地处理生活污水的工程应用中,可根据需求设置20%左右的2级进水比例,以提高人工湿地对污染物的去除效果.     

水生蔬菜对富营养化水体净化及资源化利用

通过采用水生蔬菜水芹和豆瓣菜作为生态浮床栽培材料,对其净化富营养化水体的效果及其处理后的品质等方面进行研究.结果表明,水生蔬菜不仅能在富营养化水体中正常生长,还对富营养化水体有较强净化能力,且净化能力随着处理时间的延长而提高.处理20d,水芹对富营养化水体中的TN、NH_4~+-N、TP、COD_(Mn)、Chl.a的去除率分别达到76.86%、69.39%、90.45%、95.03%和89.81%;豆瓣菜对富营养化水体中的TN、NH_4~+-N、TP、COD_(Mn)、Chl.a的去除率分别达到78.27%、67.95%、89.98%、95.38%和91.28%.水芹和豆瓣菜不仅能显著改善富营养化水体的水质,且没有产生硝酸盐及重金属富集,符合食用标准;还能产生一定的经济效益.     

人工湿地对城市污染河水的净化效果及机理

针对采用人工湿地系统净化镇江市内污染较为严重的古运河河水中遇到的问题,采用复合垂直流人工湿地小试装置,研究人工湿地系统对污染河水的净化效果及净化机理.镇江古运河水质调查结果表明,河水中悬浮态污染物质含量较高,为劣V类水体;当水力负荷为750mm/d时,人工湿地系统对CODMn去除率约为50%-60%,TN去除率约为40%-50%,TP去除率约为30%-40%,能够将劣V类水处理为Ⅳ类水甚至Ⅲ类水,表明其对污染河水处理的有效性.研究人工湿地内部污染物浓度的沿程变化规律,可以发现河水中污染物质的去除主要发生在湿地下行池,尤其是表层30 cm处,而上行池未能发挥应有的作用,分析表明与可能与污染河水中的碳氮比有一定的关系.通过本次实验发现湿地表层对污染物的去除表现为滤料及植物根系的过滤、吸附、截留以及微生物的降解、植物吸收等综合作用.     

基于Aquatox模型的洱海营养物投入响应关系模拟

针对洱海富营养化加剧以及蓝藻水华问题,应用Aquatox模型对洱海水环境进行模拟,确立了一套适用于洱海生态系统的特征参数,并将模拟结果与实测数据进行验证.验证结果表明模型较好地模拟了常规水质和藻类演替变化,与实际水环境状况大体吻合.以此为基础选取TN、TP和Chl.a指标对洱海营养物与富营养化状态的投入响应关系进行模拟研究.结果表明,洱海对于外界营养物输入比较敏感,对氮磷输入增减反应明显;外界氮磷的削减都对Chl.a含量有降低作用,TN的作用更加明显;氮磷的增加对于Chl.a含量都略有提升;同时调控氮磷具有协同作用,对Chl.a含量影响效果最明显;当水体TN浓度在0.34 mg/L的阈值以下水平,即洱海外源TN输入量削减比例达到43.3%以上时,藻类优势种由蓝藻变为硅藻,水体Chl.a含量大幅降低,有效抑制富营养化进程.     

氮、磷等营养物质对低洼盐碱地鱼塘水质的影响

通过在实验围隔中添加不同浓度的氮、磷等营养物质,对黄淮海平原低洼盐碱地鱼塘中的水质变化情况进行了初步研究,结果表明：1）围隔水体中异养细菌数量的变动,与水体中氮、磷等营养物质的浓度及比例密切相关,尤其是水体中磷的浓度对异养细菌数量的影响更为显著。2）围隔水体中的氮、磷等营养浓度及比率,明显地影响着其中藻类的数量和生物量。在实验条件下,水体中磷对藻类生长的影响要大于氮对藻类生长的影响,水体中N：P比为10：1左右是比较适宜藻类生长的比例。3）围隔水体中氮、磷等营养盐的去除能力与其中藻类的生物量及水体中N：P的比率密切相关,当围隔水体中的N：P比为10：1左右时,围隔水体中的藻类生长最好,生物量增加最快,相应地其对TN、TP的去除率也是最高的。     

种植不同植物的人工湿地深度处理城镇污水处理厂尾水的中试研究

利用种植不同植物的人工湿地对污水厂尾水进行深度处理以达到更严格的排放标准.利用5块尺寸一致的中试规模人工湿地,以潮汐流作为运行方式,研究不同植物对尾水的处理效果.经过一年的实验,结果表明：5块人工湿地出水各指标均能达到提升标准的排放要求.在不同植物的去污效果对比实验中,种植芦苇（Phragmites communis）的人工湿地对化学需氧量（COD）、氨氮和总氮（TN）的平均去除率均为最高,分别为24.01%、68.15%和92.70%;种植风车草（Cyperus alternifolius）的人工湿地对TP的平均去除率最高,为71.68%.在不同季节的去污效果对比实验中,春季芦苇湿地对COD、氨氮和TN的去除效果最好,平均去除率分别为52.51%、76.06%和92.04%,美人蕉（Canna indica）湿地对TP去除效果最好,平均去除率为66.72%;夏季对COD、氨氮、TP和TN处理效果最好的分别是种植丝带草（Phalaris arundinacea）、菖蒲（Acorus calamus）、风车草和芦苇的人工湿地,平均去除率分别为15.83%、78.11%、67.30%和91.73%;秋季对COD、氨氮、TP、TN处理效果最好的分别是种植芦苇、丝带草、风车草、美人蕉的人工湿地,平均去除率分别为12.19%、58.82%、83.16%和94.01%;冬季对COD去除效果最好的是种植丝带草的人工湿地,平均去除率为33.39%,对氨氮、TP处理效果最好的是种植美人蕉的人工湿地,平均去除率分别为76.33%和79.43%,对TN处理效果最好的是种植芦苇的人工湿地,平均去除率为94.97%.在以后的实际工程中,可以考虑用种植不同季节、不同指标对应的最佳去污植物为主,并且搭配种植其他植物的人工湿地进行污水厂尾水的深度处理.     

组合型浮床生态系统的构建及其改善湖泊水源地水质的效果

研究开发了一种由水生植物、水生动物及微生物膜构建的组合型浮床生态系统.在野外条件下,考察了该浮床对富营养化湖泊水在静态条件下的净化效果.结果表明,20 d内TN、TP的去除率分别为83.7%和90.7%,透明度也有大幅提高.而且,组合型浮床系统对有机物尤其是难降解有机物的去除能力较强,在25 d内,对r-BHC、HE、DDE、DDD、DDT的去除率分别为25.2%、63.8%、42.1%、71.6%和27.6%,氯苯、阿特拉津的去除率达55.9%和72.1%.水生动物的代谢活动提高了有机物的生物可降解性和氮磷的植物可利用性.该新型浮床可用于水源地水质改善、污水净化生态工程、富营养水体的生态恢复等.     

太湖河蚬(Corbicula fluminea)对富营养水体水质的改善作用

河蚬(Corbicula fluminea)为太湖优势大型底栖动物,通过受控实验研究其对富营养水体的水质改善效果.根据太湖河蚬的自然丰度设置4组密度处理,分别为无河蚬对照组、低密度河蚬组(生物量为130 g/m2)、中密度河蚬组(260 g/m2)和高密度河蚬组(520 g/m2).结果表明:河蚬滤食显著降低悬浮物浓度与叶绿素a含量,低、中、高密度河蚬组水体悬浮物浓度较对照组分别降低了20.85%、34.90%和53.79%,叶绿素a浓度分别降低了23.29%、48.32%和71.17%;放置河蚬还降低了水体TN、TP浓度,但是中密度河蚬组与高密度河蚬组没有显著差异.分析认为,河蚬通过滤食作用降低水体浊度、改善光照条件,有利于底栖藻类的生长及沉水植物的恢复,对富营养水体的生态修复具有重要意义;就太湖而言,河蚬对水质的改善效果可能受沉积物再悬浮造成的营养盐释放等因素的制约.     

The composition of nutrient fluxes from contrasting UK river basins

Accurate estimates of N and P loads were obtained for four contrasting UK river basins over a complete annual cycle. The fractionation of these loads into dissolved and particulate, and inorganic and organic components allowed a detailed examination of the nutrient load composition and of the factors influencing both the relative and absolute magnitude of these components. The particulate phosphorus (TPP) loads account for 26–75% of the annual total phosphorus (TP) transport and are predominantly inorganic. The inorganic (PIP) and organic (POP) fractions of the TPP loads represent 20–47% and 6–28% of the annual TP transport, respectively. In contrast, the particulate nitrogen loads (TPN) represent 8% or less of the annual total nitrogen (TN) loads and are predominately organic. For dissolved P transport, the dissolved inorganic fraction (DIP) is more important, representing 15–70% of the TP loads, whereas the dissolved organic fraction (DOP) represents only 3–9% of the TP loads. The TN loads are dominated by the dissolved component and more particularly the total oxidized fraction (TON), which is composed of nitrate and nitrite and represents 76–82% of the annual TN transport. The remaining dissolved N species, ammonium (NH₄-N) and organic N (DON) account for 0·3–1·2% and 13–16% of the annual TN transport, respectively. The TPN and TPP fluxes closely reflect the suspended sediment dynamics of the study basins, which are in turn controlled by basin size and morphology. The dissolved inorganic nutrient fluxes are influenced by point source inputs to the study basins, especially for P, although the TON flux is primarily influenced by diffuse source contributions and the hydrological connectivity between the river and its catchment area. The dissolved organic fractions are closely related to the dissolved organic carbon (DOC) dynamics, which are in turn influenced by land use and basin size. The magnitude of the NH₄-N fraction was dependent on the proximity of the monitoring station to point source discharges, because of rapid nitrification within the water column. However, during storm events, desorption from suspended sediment may be temporarily important. Both the magnitude and relative contribution of the different nutrient fractions exhibit significant seasonal variability in response to the hydrological regime, sediment mobilization, the degree of dilution of point source inputs and biological processes. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

Analysis of stream water quality and estimation of nutrient load with the aid of Quick Bird remote sensing imagery

Abstract

Human activities have created high nutrient surpluses in agricultural lands due to the increasing rate of chemical fertilizer application and the increase in livestock production. To analyse the nutrient characteristics and estimate the nutrient load in streams, we conducted extensive field survey and water quality experiments from 2007 to 2008 in Koise River, a major river of the Lake Kasumigaura watershed, Japan. Water quality indicators of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and total organic carbon (TOC) were investigated. The nutrient loads of TN, TP and TOC, as well as dissolved total nitrogen, dissolved inorganic nitrogen, dissolved organic nitrogen, particle organic nitrogen, dissolved total phosphorus, dissolved organic carbon and particle organic carbon were also estimated for the Koise River. Seasonal variation of the nutrient concentration from 2007 to 2008 was analysed considering the river discharge variation and agricultural activities. The results showed that the irrigation water from Lake Kasumigaura has the potential ability to decrease the TN concentration and increase the TOC concentration in the Koise River. Significant correlation coefficients between nutrient load and river discharge were found. The monthly pollution loads from different sources were then evaluated based on land cover classification generated from high-resolution Quick Bird remote sensing imagery. This study presents a useful interpretation of water quality data sets with a view to obtaining better information about water quality for more effective management of water resources in river basins.

Editor Z.W. Kundzewicz

Citation He, B., Oki, K., Wang, Y., Oki, T., Yamashiki, Y., Takara, K., Miura, S., Imai, A., Komatsu, K. and Kawasaki, N., 2012. Analysis of stream water quality and estimation of nutrient load with the aid of Quick Bird remote sensing imagery. Hydrological Sciences Journal, 57 (5), 850–860.     

太湖北部梅梁湾水域水质因子聚类

计算了沿梁溪河河口到太湖湖心断面上１０个监测点１７个水质因子９３组数据的Ｐｅａｒｓｏｎ相关系数和Ｋｅｎｄａｌｌ秩相关系数,进而运用最小距离法进行了因子聚类,正态分布检验和聚类结果表明,采用Ｋｅｎｄａｌｌ秩相关进行了聚类为宜,结果将诸因子聚为五大类：ＴＤＮ,ＴＮ,ＣＯＮ,ＮＯ２－Ｎ,ＮＨ４－Ｎ,ＯＨ和ＣＯＤＭｎ归为一类,ＴＤＰ,ＴＰ,ＰＯ＾３＋４和ｐＨ值归为一类;ＳＳ和ＳＤ归为一类,反映了该水域环境     

富营养化湖泊蓝藻-芦苇碎屑堆积分解过程及其潜在的共代谢效应

为探究富营养化浅水湖泊所富集的有机物对湖泊碳循环和水质的影响,本研究构建微宇宙系统,模拟蓝藻和芦苇碎屑单独分解及混合分解过程.通过测定各组上覆水营养盐浓度、有机质含量及结构的变化,揭示富营养化湖泊藻草残体混合分解过程中养分和有机碳的释放特征.结果表明,在实验0～88 h内,在添加相同的碳源条件下,蓝藻和芦苇混合处理组总碳(TC)释放量显著高于理论值,表明藻草碎屑混合分解存在共代谢效应.在培养初期,沉积物通过共代谢效应对水质产生了较大的影响,加速向水体中释放氮、磷物质.相较单独的植物分解,混合处理组中总氮(TN)、总磷(TP)的最大释放量分别提高了13.49%和26.84%;通过三维荧光光谱表征的类富里酸荧光强度变化也表明:较芦苇处理组,混合处理组中芦苇的分解速率更快.在培养开始后,各处理组均快速转变为厌氧状态,TC、TN、TP浓度随时间变化总体上呈先快速上升再逐渐平缓的趋势,分别在第228、108和324小时达最大值(372.4±2.98)、(138.45±2.97)和(7.95±1.11) mg/L.细菌特异性脂肪酸含量变化表明,将蓝藻碎屑添加到芦苇碎屑中,会增加芦苇碎屑中细菌的丰度,从而提高分解速率,激发共代谢效应.在全球气候变暖的背景下,随着富营养化湖泊藻类暴发频次增加,共代谢效应可能还会进一步加强,对富营养化湖泊水质将会持续产生影响.     

秋冬季环境下固定化氮循环细菌净化湖泊水体氮污染动态模拟

本文依据太湖秋冬季水体氮污染的特点,应用辐射增殖氮循环细胞进行了净化湖水氮污染的动态模拟实验,研究结果表明,富营养化湖水经固定化氮循环净化后,总氮下降７２．４％,氨氮下降８５．６％,出水水质得到明显改善,固定化氮循环细茵在冬季低温（７℃）条件下仍保持了较高的降氮能力,总氮和氨氮去除率分别为５５．６％,５８．９％,降氮效果与湖水滞留时间有关,探讨了固定化氮循环细茵的降氮机理。     

1988-2018年滇池氮磷比的时空演变特征与原因解析

氮、磷浓度是制约湖泊营养状态和生产力水平的重要环境因子,而氮磷化学计量比是湖泊生态系统的主要指标,因此,判识氮磷比变化趋势及其驱动力对湖泊生态恢复具有重要意义.研究基于19882018年连续观测数据,分析了滇池氮磷浓度和氮磷摩尔比(简称氮磷比)的时空分布演变特征;采用多元线性回归模型分别对滇池草海和外海氮磷比驱动效应进行定量解析,筛选出影响湖体氮磷比变化的潜在驱动因子.结果表明:①19882018年滇池氮磷比呈现显著的线性上升趋势,其中草海和外海氮磷比分别上升1.3和0.7 a^-1.②草海和外海分别在2008年和2004年发生了氮磷比上升突变,突变前上升归因于总氮浓度快速增加,突变后则是由于总磷浓度下降较快.③滇池的氮磷浓度变化主要是受流域氮磷输入负荷、跨流域调水、流域氮磷削减、风速和水位的综合影响,但受控因子在不同区域可能存在差异.④气温是滇池氮磷比变化的主要驱动因子,流域人为氮磷输入差异是滇池氮磷比变化的次要驱动因子.     

Pollution Source Investigation and Water Quality Management in the Carp Lake Watershed,Taiwan

In this study, a full survey of pollutant sources and water quality was conducted, followed by the application of a water quality model (Water Quality Analysis Simulation Program, WASP) to establish strategies of water quality control in Carp Lake, Taiwan. Results of the field investigation show that both point and non‐point source (NPS) pollutants were responsible for the poor water quality. The contributions of biochemical oxygen demand (BOD) from point source and NPS pollution were 45.9 and 55.1%, respectively. About 80% of total phosphorus (TP) were contributed by NPS. Additionally, point source and NPS pollution discharged 55.5 and 44.5% of NH₃–N load, respectively. The Carlson's Trophic State Index ranged from 61.9 to 69.2 showing serious eutrophic problems in Carp Lake. The calculated BOD, NH₃–N, and TP carrying capacity were approximately 2.8, 0.42, and 0.15 kg per day, respectively. However, the current pollutant loadings are approximately 3.0–5.5 times the calculated carrying capacity. With the help of the calibrated WASP model, remedial strategies for the lake water from short‐term to long‐term were developed. The completion of the small local sewer system to remove 80% of the point source pollution can serve as a short‐term goal while 40–60% of NPS removal by natural treatment systems may serve as a mid‐term goal. Furthermore, 80% of both source point and NPS pollution removal can be considered as a long‐term strategy. Results of heavy metal analysis show that the enriched sediment would be safe for agricultural applications.     

2005-2017年北部太湖水体叶绿素a和营养盐变化及影响因素

利用国家生态观测网络太湖湖泊生态系统研究站对北部太湖14个监测点2005-2017年的营养盐和叶绿素a浓度逐月监测数据,分析了北部太湖2005年以来水体营养盐和叶绿素a变化特征,探讨了叶绿素变化的影响因素.结果表明,2015年以来,北部太湖水体叶绿素a浓度呈现显著增高特征,特别是5-7月的蓝藻水华灾害关键期,水体叶绿素a浓度增幅更加明显;营养盐方面,氮、磷对治理的响应完全不同：水体总氮、溶解性总氮、氨氮的降幅很明显,甚至在春末夏初的蓝藻生长旺盛期出现了供给不足的征兆;但水体总磷降幅却不明显,加之蓝藻水华的磷"泵吸作用",近3 a来水体总磷浓度反而有升高趋势,溶解性总磷浓度也无明显下降趋势.不同湖区的营养盐变化也不相同：西北湖区溶解性总氮、溶解性总磷浓度显著高于梅梁湾、贡湖湾和湖心区,而且后3个湖区的水质呈现均一化趋势.统计分析表明,北部太湖水体叶绿素a浓度与颗粒氮、颗粒磷、总磷、高锰酸盐指数均呈显著正相关,与溶解态氮呈负相关;5-7月水华关键期北部太湖水体叶绿素a浓度与上半年（1-6月）逐日水温积温、总降雨量、年平均水位均呈显著正相关关系.从研究结果可以看出,近年来北部太湖水体叶绿素a浓度的波动很大程度上受水文气象因子的影响;2007年以来太湖流域一系列生态修复工程的实施,虽然明显降低了湖泊氮浓度,但由于流域和湖体的氮磷本底较高,磷的缓冲能力大,致使水体营养盐水平仍未降到能显著抑制蓝藻生长的水平,年际之间的水文气象条件差异成为蓝藻水华暴发强度差异的主控因素.为此,仍需加大对太湖流域氮、磷负荷的削减,使湖体氮、磷浓度降低到能显著影响蓝藻生长的水平,才能摆脱水文气象条件对蓝藻水华情势的决定作用.