湿地水质净化效果分析.docx
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1、湿地水质净化效果分析1材料与方法11样品采集2013年8月1日15301700在贯泾港湿地的4个关键节点(G1-G4,图1)采集水样,详细为:G1为湿地进口,以了解湿地水源海盐塘的水质(水源1);G2为湿地根孔生态净化区出口,以了解水源水经过根孔净化区之后的水质变化;G3为深度净化区出口,以了解根孔区之后的狭长型过渡河段和深度净化区对水质的进一步净化效果;G4为水厂取水口,以了解另一水源南郊河的水质(水源2)。上述采样点均有采样断面桥,方便采样。采样时天气晴朗。水样采集和保存参照(水与废水监测分析方法(第4版))12和(地表水和污水监测技术规范HJ/T91-2002)的标准方法进行。用冲洗2次
2、的5L有机玻璃分层采水器于采样断面中点处约05m水深处采样。为避免注水干扰和水质变化,立即在有机玻璃采水器中用现场校准的便携式水质分析仪(上海精细仪器仪表有限公司)测定温度、pH(pHB-4)、氧化复原电位(OP,501型OP复合电极)和溶解氧(DO,JPB-607A),记录测定时间。用棕色玻璃瓶采集两份40mL水样,加酸调节pH至小于2,一份水样加4滴浓H2SO4,待测化学需氧量(COD)和总有机碳(TOC),一份用045m孔径的水系滤膜现场过滤后加4滴浓HNO3,待测金属元素。用塑料瓶采集600mL水样,放入冷藏保温箱中储藏,待测其它水化学指标。用棕色玻璃瓶采集1L水样,现场加鲁哥氏液15
3、mL固定。用塑料瓶采集600mL水样,并立即加1mL碳酸镁悬浮液,防止溶解,待测各种叶绿素。12样品处理与分析采样结束尽快回到野外工作站,于暗处用真空泵和045m孔径玻璃纤维滤膜(WhatmanGF/C)抽滤叶绿素水样500mL,用镊子夹取过滤后滤膜放入棕色玻璃瓶冷冻保存。回到北京实验室后,采用标准方法分光光度法测定叶绿素,用90%的丙酮提取,离心后,用分光光度计测定波长750、663、645和630nm处吸光度值,计算可得到叶绿素a(chloro-phyll-a,chl-a)、叶绿素b(chlorophyll-b,chl-b)和叶绿素c(chlorophyll-c,chl-c)。加HCl酸化
4、后用分光光度计测定750和665nm处吸光度值,计算得到脱镁叶绿素a(Pheo-a)和校正叶绿素a(chl-a)13。加鲁哥氏液固定后的水样静置沉淀24h后,用虹吸法吸去上清液,余下2025mL沉淀混合物转入30mL定量瓶中,定容至30mL。参加1mL40%的甲醇溶液以利于长期保存。测定之前,将浓缩样品摇匀,取1mL放于1mL的计数框中,小心盖上盖玻片,置1040倍显微镜下对藻类计数,沿对角线计数小方格里的所有藻类个数,最后换算为每升水样中所含浮游藻类的个数,即藻类密度14。水样的COD采用HACH水质分析方法,取2mL水样经HACH配套试剂消煮后由D5000紫外可见分光光度计(HACH公司,
5、美国)进行测定;TOC由总有机碳分析仪(岛津TOC-VCPH,日本)直接测定;五日生化需氧量(BOD5)采用HJ505-2009规定的标准方法,测定20培养5d前后水样的溶解氧差值得到。总悬浮颗粒物(totalsuspendedsolids,TSS)采用重量法测定,根据水样干净程度抽滤100250mL水样,称取045m孔径滤膜上的干物质换算得到。硝态氮(NO3-N)用双波长法测定,水样加酸后分别在220和275nm下比色。亚硝态氮(NO2-N)采用分光光度法,取一定量水样加显色剂后在540nm波长下比色测定。氨氮(NH+4-N)用靛酚蓝比色法测定,加显色剂后在625nm波长下比色可得。溶解性活
6、性磷(solublereactivephosphorus,SP)用钼酸盐显色法,水样加抗坏血酸和钼酸盐溶液显色后在700nm波长下比色得到。总氮(TN)和总磷(TP)样品分别加碱性过硫酸钾、过硫酸钾消煮后,根据水中NO3-N、SP的测定方法进行测定。总碱度(Alk)采用滴定法测定,用酚酞和甲基橙指示剂指示HCl滴定终点,通过利用HCl的体积计算可得。F、Cl和SO24等阴离子采用阴离子色谱(ICS2000型,Dionex公司,美国)直接上机测定过滤后的水样。加HNO3保存的待测金属样品,其中常规金属元素Ca、Mg、Na、K、Fe、Mn和Al用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES,OPTI
7、MA2000DV,PerkinElmer,USA)测定,重金属元素Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb用电感耦合等离子质谱仪(7500aICP-MS,Agilent,USA)测定。水体水化学类型根据OA阿列金分类法进行划分。根据含量最多的阴离子将水分为3类:碳酸盐类(符号C)、硫酸盐类(S)和氯化物类(Cl),含量的多少是以单位电荷离子为基本单元的物质的量浓度进行比拟,并将HCO3与CO23合并为一类。根据含量最多的阳离子将水分为3组:钙组(符号Ca)、镁组(Mg)与钠组(Na),在分组时将Na+与K+合并为钠组,以Ca2+、Mg2+及Na+(K+)为基本单元的物质的量浓度进行比拟。根据阴阳离子
8、含量的比例关系将水分为4型(IIV)。第I型水特点是碱度硬度,第II型水是碱度硬度碱度+硫酸根,第III型水是碱度+硫酸根硬度,或者讲氯离子钠离子,第IV型水是碱度为零。14统计分析采用国际标准统计分析软件SASforWindows92软件(SASInstitute,Inc,Cary,NC,USA)进行数据处理和统计分析15,16。若无十分讲明,所有统计学显著性水平指=005。2结果与分析21贯泾港湿地常规水质贯泾港湿地常规水质见表1。采样时值盛夏晴天,水温达35左右。贯泾港湿地沿程(G1-G3)pH变化较小,均呈弱碱性,显著高于水厂现状取水口G4(实为水源2南郊河的水),呈中性,二者pH相差
9、1个单位以上,结合温度、Alk和硬度等数据,表明贯泾港湿地其水体初级生产力水安然平静缓冲性能均明显大于水源2。DO变化大,湿地进口的DO达103mg/L(饱和度1510%),经过根孔区的净化后,水源水中氨氮氧化以及有机物分解经过多发生于此,进而消耗水体中较多DO,致使DO骤降至52mg/L(饱和度739%),再经过狭长型过渡河段,及至狭长型深度净化区后,依靠大气自然复氧和水生植物光合作用产氧功能,其DO恢复至85mg/L(饱和度1238%);然而,贯泾港水厂现状取水口的DO却极低,仅为09mg/L(饱和度128%)。能够看出,DO与pH具有协同变化性(表1)。水体OP变化不大,在175222m
10、V之间,能够知足好氧微生物、兼性厌氧微生物的有氧呼吸的活动需要。水体Alk变化较小,不过G1-G3点位的Alk均较显著高于G4点位,讲明前者缓冲性能大于后者。综上,水源2(G4)的pH、DO、Alk水平均显著不及水源1(G1)。22贯泾港湿地营养盐指标贯泾港湿地营养盐指标见表2。湿地对TSS的去除率为2245%,其中根孔区去除率为6122%,而水源2的TSS是水源1的235倍。湿地对NH+4-N和TN的去除率为6680%和4544%,而对NO2-N和NO3-N无明显去除,水源2的NO2-N和NO3-N分别是水源1的115和74倍。湿地对SP和TP的去除率为6667%和5028%,在根孔区有较高
11、的去除率,而水源2的SP和TP分别是水源1的411和17倍。湿地对TOC和COD的去除率为2939%和5926%,水源2的TOC和COD仅为水源1的689%和481%。湿地根孔区对BOD5的去除率为364%,而至深度净化区后则又升至与湿地进口相近水平,总体上湿地对BOD5无明显去除,水源2的BOD5仅为水源1的5223%。由此看出,新通水调试运行的贯泾港湿地对水中营养物质的去除作用较明显,十分是经过根孔净化区后,去除率很高,及至深度净化区,去除效果有部分波动,总体上较好,同已经运行良好的石臼漾湿地表现出类似的规律。水源2(G4)的水质相较于湿地中各点(G2和G3)的水质则要差很多,有的甚至是数
12、量级的差距。水源2与水源1(G1)相比,其TN、TOC、COD和BOD5均低较多,但TSS、NH+4-N、NO2-N、NO3-N、SP和TP又高出很多,因而综合比拟以为,水源2与水源1的营养盐指标难分相互(表2)。进一步分析贯泾港湿地水体中有机质的可生化性。一般以为,当COD与TOC比值(r(COD/TOC)实测值小于267时,讲明待测物质中芳香族类化合物,十分是稠环、多环芳烃化合物的含量相对多些;当实测值大于267时,讲明待测物质中除了碳以外的其他复原性物质的含量相对于芳香族类化合物多些;当实测值等于267时,可能是由于待测物质中二者含量相当,可以能是二者含量较少17。一般以BOD5与COD
13、比值(r(BOD5/COD)03作为污水可生化降解的下限,比值越大讲明有机质的可生化性越大18。由表3可知,r(COD/TOC)、r(BOD5/COD)这两个比值皆低于下限值267和0.3。就r(COD/TOC)而言,G2点低于G1点,G3点远低于G2点,进而讲明,湿地根孔净化区和深度净化区均能显著削减水源水中的除了碳以外的其他复原性物质的含量,而深度净化区的削减作用更明显。从绝对值上看,G2、G3的TOC差异不大,而G3其COD显著低于G2,这讲明深度净化区确实能够进一步有效去除水体有机物。就r(BOD5/COD)而言,G2点与G1点几乎相等,G3点则远大于G2点,表明经过湿地的处理,十分是
14、在深度净化区,水体中有机质的可生化性大大增加。从绝对值上看,G3其COD显著低于G2,而BOD5则显著高于G2,这很有可能是深度净化区的生物活动释放了某些可氧化物质,十分是有机物。纵观两个水源其有机质可生化性均较差。23叶绿素与藻类密度为分析贯泾港湿地夏季高温季节能否有爆发藻类水华的风险,本次采样测定了水中的藻类细胞密度和各种叶绿素。藻类细胞密度最能直接讲明水体中藻类的多少和水华爆发的强度,叶绿素是所有光合藻类和高等植物所共有的,是藻类细胞重要组成成分之一,所有的藻类均含有叶绿素,叶绿素含的高低与水体中藻类的种类、数量等密切相关,也与水环境质量有关。chl-a、chl-b和chl-c是浮游藻类
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