人工湿地蒸发蒸腾与水质净化效果的试验研究

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人工湿地水处理系统具有净化效果好,建设投资及运行费用较低,管理和修复方便等优点,在我国城市径流及污水实际处理中得到了广泛的应用。目前关于人工湿地的研究,主要集中于对其净化机理、系统控制和运行参数设计等方面。而关于人工湿地蒸散发量和湿地植物蒸腾作用的变化规律,以及其对湿地系统氮磷去除效果影响的研究到目前为止尚不多见。  本文在自行建造的人工湿地中试试验系统中混合种植美人蕉(Canna indica)和芦苇(Phragmites Adans)两种植物,采用LI-6400光合测定系统测量两种植物的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、以及气孔导度(Cs)和胞间CO2浓度(Ci)等参数,同时同步测定空气相对湿度(RH)、以及光合有效辐射(PAR)和气温(Ta)等环境参数;绘制蒸腾速率Tr时平均值的日变化曲线,分析光合速率P n、气孔导度C s、以及环境参数日变化规律及其对Tr变化的影响;以西安市地表径流水体为处理对象,研究试验湿地蒸发蒸腾量对环境因子变化的响应和蒸发蒸腾量的变化规律,以及人工湿地系统对处理水体中总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)等物质去除效果的影响因素,分析植物蒸腾作用和湿地蒸散发过程对湿地水质净化效果的影响,为人工湿地技术的进一步发展以及工程设计和运行管理提供了实例与参考。  试验结果表明,影响植物蒸腾作用的主要环境因素包括光照(PAR)、气温(Ta)和相对湿度(RH),主要的植物生理参数包括气孔导度(Cs)和光合速率(Pn)。所有因素对美人蕉Tr的影响强弱程度排序:Cs>Ta>Pn>PAR>RH,而对于芦苇,则是Cs>Pn>PAR>Ta>RH;湿地植物蒸腾量占其总蒸散量的90%以上,可见植物蒸腾是湿地蒸散的主要部分。运用design expert软件通过响应面法确定试验湿地系统氮磷净化的最优条件为水深650mm,水力停留时间HRT51h,运行间隔天数6d工况下,此时湿地氮磷的净化率分别为:TN88.7%、TP75.0%、以及NH4+-N63.0%。分析湿地蒸散量及植物蒸腾作用与湿地水处理效果关系表明,湿地TN、TP、NH4+-N去除率日变化过程与其蒸腾蒸散量的日变化过程保持一致,其中TN去除率与植物蒸腾速率关系最为密切,其相关度R2最高可以达到0.813。产生这一现象的原因,主要是植物的蒸腾光合作用本身会吸收氮磷等营养元素,同时还通过光合作用为根区基质提供氧气,使其基质中出现好氧及厌氧区域,以蒸腾作用为动力加速植物对营养物质的吸收,植物的根系伸展促使基质处于疏松状态,为湿地的脱氮除磷过程创造了便利条件。  最后根据试验数据,以美人蕉为例,建立人工湿地植物蒸腾与湿地氮磷去除率的相关关系式,发现对数关系式的拟和效果最好。这一结论为湿地植物生长与人工湿地水质净化关联分析提供了实例与参考,具有一定的现实意义。
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