生态组合沟渠技术中基质与植物要素对农田退水氮磷减排的效果研究
本文关键词：生态组合沟渠技术中基质与植物要素对农田退水氮磷减排的效果研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：我国地表水污染物中,种植业流失的氮、磷占农业污染源流失量的59%和38%,其中,水稻田生产的氮、磷流失贡献最大。因此,由水稻田渗漏与地表径流合流产生的农田退水带来的氮磷污染不可忽视,近年来已引起学者广泛关注。生态组合沟渠是削减农田退水中氮、磷污染物的主要人工湿地模式之一,基质和植物是其重要的构建单元,可以拦截农田退水中氮磷营养物,进行原位修复,能有效削弱农田废水中氮、磷污染物对受纳水体的二次污染。因此,研究生态组合沟渠的基质和植物要素对农田退水中氮素、磷素的削减效果具有重要的意义。以砾石和碎砖为基质材料,研究两者对氨氮和总磷吸附的特性；为了筛选在四川非高寒区的冬季能正常新陈代谢的水生植物,根据文献和实地考察,实验选择在室温3～15℃条件下可正常生长代谢的水生植物—水芹菜作为实验材料,通过模拟废水,探究水芹菜对水体中氮磷的削减作用；以空心菜和砾石组合模拟沟渠湿地植物与基质搭配,研究组合模拟沟渠对氮磷的削减作用,并分析不同水力停留时间内去除效果的差异。研究以水稻种植、施肥过程为基础,以农田退水中氨氮、总氮和总磷浓度为依据,模拟农田退水水质,研究基质及植物要素对氮、磷元素的削减。首先基于热力学吸附和吸附动力学模型,探讨基质对农田退水中污染物的吸附性能,可有效地应用基质吸附作用去除渠湿地中农田退水的氮、磷元素：选择线性模型、Langmuir模型、Freundlich模型拟合砾石、碎砖对总磷和氨氮的热力学吸附过程；选择一级动力学模型、伪二级动力学模型、Elovich方程拟合砾石、碎砖两种基质对氮、磷的动力学吸附过程。然后以空心菜、砾石和农田退水构成模拟水培系统,研究系统对农田退水中氮、磷污染物的削减。最后以水芹菜和农田退水构成水培系统,研究系统对农田退水中氮、磷污染物的削减。主要研究结果如下：(1)对一定浓度总磷和氨氮的吸附,投加数量一致的(3个)、液／固比利近似的砾石和碎砖(等温吸附实验液／固比例：砾石组2.67,碎砖组2.96；吸附动力学实验液／固比例：砾石组3.33,碎砖组3.70)：碎砖对总磷的平衡吸附量为213.35mg/kg-227 mg/kg,砾石对总磷的平衡吸附量为11.79mg/kg～11.36 mg/kg,碎砖对总磷的平衡吸附量是砾石的18～19倍；碎砖对氨氮的平衡吸附量为210.48mg/kg,砾石对氨氮的平衡吸附量为16.62mg/kg～18.36mg/kg。由此可知碎砖对总磷和氨氮的吸附效果较砾石强。(2)模拟农田退水培养水芹菜,种植密度为688株/m2时,第3d和5d模拟农田退水中氮、磷削减率浓度如下：氨氮浓度降低85.38%、95.52%,总氮浓度减少47.67%、63.70%,总磷浓度降低84.94%、96.23%；种植密度为162株/m2时,第3d和5d模拟农田退水中氮、磷削减率为：氨氮浓度分别降低20.30%、48.82%,总氮浓度分别减少16.55%、30.0%,总磷浓度分别降低60.75%、89.04%。(3)在实验设计的氨氮、总磷初始浓度下,氨氮和总磷浓度削减率与水芹菜种植密度成正相关。当氨氮初始浓度在分别在4.2mg/L～5.7mg/L、7.8mg/L～10.4mg/L范围内,总磷初始浓度在0.24-0.46mg/L时,种植密度越高,氨氮和总磷削减率越大；平均种植密度为688株/m2的实验组在第3d时氨氮削减率超过80%,而平均种植密度为162株/m2的实验组,在第3d氨氮削减率20.3%,说明种植密度对氨氮的削减率具有显著影响；在相同水力停留时间内,平均种植密度为688株/m2的较高种植密度实验组,第2d总磷浓度削减率67.16%,而162株/m2的低密度实验组,第2d总磷浓度削减率为26.86%。(4)空心菜与砾石构成的系统处理模拟的农田退水,3d后模拟农田退水中氨氮和总磷浓度降低50%、70%,总氮浓度削减28.12%～38.64%；5d后模拟农田退水中氨氮和总磷浓度降低80%和90%,总氮浓度削减44.17%～46.75%。
【关键词】：氮磷减排 农田退水 生态沟渠 碎砖 砾石 水芹菜 空心菜
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X712
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-12
- 1 前言12-23
- 1.1 研究背景12
- 1.2 国内外研究进展12-21
- 1.2.1 植物修复技术13-14
- 1.2.2 沟渠湿地14
- 1.2.3 生态沟渠14-15
- 1.2.4 沉积物吸附氮磷15-16
- 1.2.5 植物吸收转化营养物质16-17
- 1.2.6 微生物作用17-18
- 1.2.7 研究方法及条件控制18-21
- 1.3 研究目标21-22
- 1.4 研究方案22
- 1.5 研究内容22
- 1.6 技术路线22-23
- 2 材料与方法23-38
- 2.1 分析指标、实验装置及仪器23-25
- 2.1.1 实验地介绍23
- 2.1.2 分析指标及方法23-24
- 2.1.3 实验装置、仪器24-25
- 2.2 研究对象及实验材料25-30
- 2.2.1 农田退水中氮磷排放规律25-26
- 2.2.2 基质材料及表观特征26-29
- 2.2.3 水生植物材料选择29-30
- 2.3 实验方法30-38
- 2.3.1 基质等温吸附实验30-32
- 2.3.2 基质吸附动力学实验32-34
- 2.3.3 水芹菜削减氮磷实验34-36
- 2.3.4 空心菜与砾石组合削减氮磷实验36-38
- 3 结果与讨论38-71
- 3.1 基质对总磷、氨氮的等温吸附分析38-42
- 3.1.1 砾石对总磷的等温吸附特性39
- 3.1.2 碎砖对总磷的等温吸附特性39-40
- 3.1.3 砾石对氨氮的等温吸附特性40-41
- 3.1.4 碎砖对氨氮的等温吸附特性41-42
- 3.1.5 等温吸附实验小结42
- 3.2 基质对总磷、氨氮的吸附动力学分析42-50
- 3.2.1 砾石对总磷的吸附动力学分析43-45
- 3.2.2 碎砖对总磷的吸附动力学分析45-47
- 3.2.3 砾石对氨氮的吸附动力学分析47-48
- 3.2.4 碎砖对氨氮的吸附动力学分析48-50
- 3.2.5 吸附动力实验学小结50
- 3.3 水芹菜对氮磷浓度的削减作用50-66
- 3.3.1 氨氮和总氮浓度变化52-57
- 3.3.2 对氨氮和总氮浓度变化的分析57-59
- 3.3.3 总磷浓度变化59-60
- 3.3.4 种植密度对总磷浓度减少时间的影响60-62
- 3.3.5 种植密度对总磷浓度减少速率的影响62-66
- 3.4 空心菜与砾石组合对氮磷浓度的削减作用66-71
- 3.4.1 总氮浓度变化67-68
- 3.4.2 氨氮浓度变化68-69
- 3.4.3 总磷浓度变化69-70
- 3.4.4 空心菜与砾石组合对氮磷削减作用小结70-71
- 4 结论71-72
- 5 展望72-74
- 参考文献74-79
- 致谢79-80
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