（生态学专业论文）水葫芦净化富营养化水体及其能源化利用.pdf

摘要 水葫芦于2 0 世纪3 0 年代传入我国，近年来由于流域水体的富营养化使其蔓延速 度极快，侵占水道，干扰水生生态系统平衡，影响当地的经济生产，成为一大公害。 生态工程是一种全新的技术和方法，它在无需投入大量能源的情况下，保护生态 系统和非再生资源，而且将污染物转化为人类可以利用的再生资源，避免污染的转移。 本研究遵循生态工程设计的基本原则，首先通过野外观测和实验室试验研究，摸清流 域水葫芦的生长规律，并在此基础上提出水葫芦生长控制的对策建议；随后定量研究 了通过水葫芦打捞净化水体中营养盐的效果；对于所打捞的水葫芦，则结合研究区的 实际情况，进行水葫芦厌氧发酵试验，确定和优化了水葫芦厌氧发酵技术参数；提出 了发酵产物的综合利用途径。 论文所取得的主要研究结果如下： ( 1 ) 不同浓度的污水对水葫芦的生长繁殖有着明显的促进作用，尤其是中等浓度 的污水( c o d 。，介于5 0 0 - - - 7 0 0 m g l 之间) ，在环境条件适宜的情况下，水葫芦的生物 量在5 天左右可增一倍。 ( 2 ) 水葫芦对不同浓度的污水有很强的净化能力，在自然状态下，3 0 天内对水中 c o d 叮、t n 、t p 的去除率分别在6 6 - 9 0 、7 0 , - - - , 8 5 、5 5 - 6 0 之间。并且水 葫芦对污水中的c o d mt n 、t p 去除速率，均符合一级动力学方程，且具有很好的 相关性。 ( 3 ) 水葫芦吸收营养盐用于光合作用，这些营养盐被固定在植物组织中，当水葫 芦被收获时，水中的营养盐将通过包含在植物组织中而被去除。试验结果表明水葫芦 去除水体营养盐氮的最大理论值为0 0 5 6k g m 2 a 去除水体营养盐磷的最大理论值为 0 0 13k g m 2 a 。 ( 4 ) 在实验室进行了接种率、破碎程度、温度等对水葫芦厌氧发酵产气效率影响 的研究。水葫芦与活性污泥的最佳接种率为1 ：i t s ：经简单切分后产气效率最高，原 料产气率为0 5 3 1 6 m 3 k g ( t s ) ；高温消化与中温消化相比，产气效率无明显优势，对 于水葫芦大规模的厌氧消化而言，选择经济有效的常温或中温范围即可；水葫芦厌氧 发酵酸化时间为5 1 0 天。 ( 5 ) 水葫芦厌氧发酵初期，p h 值快速降低，直到p h 值降低到最低点。随后，p h 值升高，此时，产甲烷反应占优势。厌氧发酵末期，p h 值趋于稳定，产气过程趋于 停滞。 ( 6 ) 水葫芦厌氧发酵产生的沼气为可燃性气体，其主要成分甲烷占总体积的6 0 左右。水葫芦经过厌氧发酵后，可利用于农作物的元素氮、磷、钾几乎没有损失。水 葫芦发酵后的沼液的有机质含量比人粪尿高5 - 6 倍，氮素比例也较高，渣肥的养分含 量高，含有丰富的有机质和较多的腐植酸。 关键词：水葫芦，净化，去除率，厌氧发酵，综合利用 i i a b s t r a c t w a t e rh y a c i n t h ( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) ，i n t r o d u c e di n t oc h i n ai n19 3 0 s ，s p r e a d sv e r y q u i c k l yi nr e c e n ty e a r sb e c a u s e o fw a t e re u t r o p h i c a t i o ni nw a t e r s h e da r e a s i th a sb e c o m ea s o c i a lp r o b l e ma si to c c p i e sw a t e r w a y , d i s t u r b sa q u a t i ce c o s y s t e me q u i l i b r i u ma n di m p a c t s l o c a le c o n o m i c s t h i sw o r kf o l l o w st h eb a s i cp r i n c i p l e so fe c o l o g i c a le n g i n e e r i n gf o r t h ec o n t r o la n d u t i l i z a t i o no fw a t e rh y a c i n t h f i r s t l y , t h es t a t e o f - t h e - a r tg r o w t hp a t t e r no fw a t e rh y a c i n t h w a sf i e l di n v e s t i g a t e dw h i l et h ec a u s e so fr a p i ds p r e a do ft h ep l a n tw e r ep r o b e da tt h e l a b o r a t o r y b a s e do nt h es t u d y , m e a s u r e sf o rw a t e rh y a c i n t hc o n t r o lw e r ep r o p o s e d s e c o n d l y , t h ee f f i c i e n c yo fn u t r i e n tr e m o v a l si nt h ee u t r o p h i c a t i o nw a t e rb y w a t e rh y a c i n t hh a r v e s t w a sc a l c u l a t e d t h i r d l y , a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fw a t e rh y a c i n t hf o rb i o g a sp r o d u c t i o nw a s d e v e l o p e df o rw a t e rh y a c i n t h ，a tb o t hl a b o r a t o r ya n dp i l o ts c a l e s m a i nr e s u l t so ft h i ss t u d ya r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ( 1 ) w a s t ew a t e rf r o ml i v e s t o c kc o u l dp r o m o t et h eg r o w t h r a t eo fw a t e rh y a c i n t h r e m a r k a b l y t h ep l a n t sd o u b l ei n5d a y si nl i v e s t o c kw a s t ew a t e rw i t hm o d e r a t ec o n c e n t r a t - i o n s ( c o d c rr a n g e df r o m5 0 0t o7 0 0m e l ) ( 2 ) t h ep l a n th a ss i g n i f i c a n tp u r i f i c a t i o na b i l i t y , t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，t na n dt p i n3 0d a y sr e a c h6 6 0 0 - 9 0 ，7 0 - 8 5 a n d5 5 - 6 0 ，r e s p e c t i v e l y t h ep u r i f i c a t i o nr a t eo f w a t e rh y a c i n t hf o rm o d e r a t ep o l l u t i o nl i v e s t o c kw a s t ew a t e ri sh i g h l yc o r r e l a t e dw i t hf i r s t o r d e rk i n e t i c se q u a t i o n ，a n dp u r i f i c a t i o nr a t eo fc o da n dt nd e c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no f w a s t ew a t e r , w h i l et h ep u r i f i c a t i o nr a t ef o rt pi sl e s sa f f e c t e db yi n i t i a lp o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o ni nw a s t ew a t e r ( 3 ) t h ew a t e rh y a c i n t ht a k e sd i s s o l v e dn u t r i e n ti nw a t e rf o rp h o t o s y n t h e s i sa n d g r o w t h i tw a se s t i m a t e dt h a tt h em a x i m u ms u r p l u sp r o d u c t i o no fw a t e rh y a c i n t hw a sa b o u t o 0 5 6k g m 2 at na n d0 013k g m - at p ( 4 ) p a r a m e t e r ss u c ha si n o c u l a t i n gr a t i o ，c h o p p i n gs i z e ，a n dt e m p e r a t u r eo na n a e r o b i c f e r m e n t i o no fw a t e rh y a c i n t hw e r et e s t e da n da l lo p t i m u mi n o c u l a t i n gr a t i ol ：l ( t s ) ；t h e m a x i m u m y i e l do fg a sw a s0 5 316m k g ( t s ) b yw e i g h to fw a t e rh y a c i n t h ；c o m p a r i n gw i t h t h e a p p l i c a t i o no fm i d d l et e m p e r a t u r e ，h i g h e rt e m p e r a t u r eh a sn oo b v i o u sa d v a n t a g ef o r b i o g a sp r o d u c t i o n ；w a t e rh y a c i n t ha n a e r o b i cd i g e s t i o ng e n e r a la c i d i f i c a t i o nt i m ei s 5 - 10 d a y s ( 5 ) e a r l yw a t e rh y a c i n t ha n a e r o b i cd i g e s t i o n ，p hl o w e rq u i c k l y , u pt ot h el o w e s tp o i n t i i i s u b s e q u e n t l y , p hi n c r e a s e d ，w i mr e a c t i o no fm e t h a n e p r o d u c i n g t h ee n do fa n a e r o b i c d i g e s t i o n ，p hs t a b i l i z e d ，a n dt h eg a sp r o d u c t i o np r o c e s di n t os t a g n a t i o n ( 6 ) w a t e rh y a c i n t ha n a e r o b i cd i g e s t i o nb i o g a si st h ef l a m m a b l eg a s ，t h em a i n c o m p o n e n to ft h et o t a lv o l u m eo fm e t h a n eo fa r o u n d6 0 a f t e ra n a e r o b i cd i g e s t i o n ，t h e e l e m e n t so ft h eu s i n gh a v ea l m o s tn ol o s s e s o r g a n i cm a t t e rc o n t e n ti sh i g h e rt h a nh u m a n w a s t e5 - 6t i m e s ，t h er e s i d u eo ff e r t i l i z e rh i g h e ri nn u t r i e n t s ，r i c h i n gi no r g a n i cm a t t e ra n d m o r eo fh u m i ca c i d k e yw o r d s ：w a t e rh y a c i n t h ，c l e a nu p ，r e m o v a l ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽 农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二f e 思o 、 ，- 学位论文作者签名：王圣2 叁 签字日期：o 矿年g 月，湘 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件， 允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 论文作者签名：墨量! 圣 签字日期：o 扩年钥明 指导教师签名：垂盈叁 签字日期：汐矿年z 月厂洎 1 1 水葫芦的生物学特性 1 文献综述 水葫芦 e i c h h o r n i ac m ，s 勿e s ( m a r t i u s ) s o l m sl a u b a c h 又称风眼莲、风眼兰、假 水仙、洋水仙、水生风信子、水荷花、布袋莲等，是单子叶植物，风眼莲属。水葫芦 广泛生长于各种湿地、河流、湖泊、池塘、水道、沟渠和死水区，能适应营养源、p h 值和温度的变化【1 1 。春天，在越冬老植株上发芽长出新植株，这些植株的数目和大小 在春夏逐渐增长，直到最大值。当生长拥挤的时候，底下的叶子被遮住而死掉。夏末 秋初花开最旺，种子凋零于水下的花中，一些老叶开始死去，直至大多数死亡【2 】。 水葫芦可以通过种子的有性繁殖和通过匍匐枝发芽进行无性繁殖。水葫芦在气温 1 3 开始繁殖，气温3 9 时仍能生长繁殖，是漂浮性水生草类，从几厘米到一米多 高不等【3 】。通常在漂浮的绿色匍匐枝上长出新芽以成致密的一片，也能从泥土中种子 长根。水下根蓝黑色或黑紫色，柔软，有分枝，根基较密。花穗鲜艳，长约3 0 c m ， 花序圆形。子株在匍匐枝上发芽。种子在几天内发芽，或者休眠1 5 2 0 年，主要的繁 殖方式还是通过匍匐枝。适宜条件下，1 株可在5 0 天内长成3 0 0 0 株，1 年内覆盖 6 0 0 m 2 【4 5 】。扩散一般通过风和水流，在一个新地点，水葫芦都是开始于低密度的小植 株。在形成一大片之前，植株数量和密度不断增长，而个体大小并不增长。在形成一 大片之后，个体大小继续生长，而密度因互相竞争而不再增长。 水葫芦原产于南美洲热带、亚热带地区的委内瑞拉、巴西等国家。目前，水葫芦 主要分布在4 0 n 和4 5 s 之间的6 2 个国家和地区，从美洲美国的东南沿海到巴西等 国家，亚洲东南沿海、太平洋岛屿到大洋洲北部，非洲的东南部到西南部等均有分布 【6 】。水葫芦在2 0 世纪初作为一种花卉引入我国，2 0 世纪5 0 至6 0 年代曾作为畜禽饲 料、观赏和净化水质的植物而推广种植，后逸为野生，现在广泛分布于江苏、浙江、 福建、广东、云南等十多个省市、自治区 7 1 。 1 2 水葫芦的危害和控制 1 2 1 水葫芦的危害8 1 ( 1 ) 堵塞河道，影响航运。大量的水葫芦汛期阻碍水流，影响泄洪、排灌。如不 及时清除，会带来很大的危害。 ( 2 ) 造成生态链失衡，破坏水域生态环境。水葫芦繁殖很快，易在生长区内形成 优势物种，导致其它水生植物减少，甚至灭亡。水葫芦大面积覆盖水面，一方面降低 了光线穿透水体的能力，影响水底植物生长；另一方面，水体中含氧量降低，鱼类因 缺氧大量死亡，严重影响渔业生产。根据水质检测部门检测，在水葫芦生长茂密的鱼 场中间，水中氧溶量仅0 6 m g l ，鱼类生存需要的最低溶氧量是3 m g l 。 ( 3 ) 水葫芦在生长过程中消耗大量的溶解氧，腐烂后又造成二次污染，加剧了水体 的富营养化。 1 2 2 水葫芦的控制 1 2 2 1 人工打捞 水葫芦防治的传统的方法主要是人工打捞即利用人为的方法将水葫芦打捞出水 面然后处理。近年，云南的昆明、福建的莆田、浙江的杭州、温州、嘉兴、宁波、绍 兴等地，在水葫芦快速生长季节出动大量的人力、物力，每年消耗上千万元用于人工 打捞水葫芦【9 1 。人工打捞法尽管治标不治本，费用较大，但短期效果显著。 在菲律宾，t h o r e n 等报道，他们采用带有手动绞盘驳船打捞开放水域中的水葫 芦【l 们。当水葫芦靠近岸边时，一个人用轻松和可承受的速度，每小时大约收获2 0 0 k g 水葫芦1 1 1 。 根据v e r b a n d t 等的研究【1 2 1 ，水葫芦打捞具有以下几项优点：( 1 ) 去除过量的营 养盐；( 2 ) 具有不至于危害生态系统的快速效果；( 3 ) 水体的利用范围更广，如可作 为农业区的灌溉，饮用水供应等；( 4 ) 机械打捞方法在开放流动水体和封闭水体中均 可行。此外，水葫芦打捞的另外一个优点在于使水葫芦的利用成为可能。 1 2 2 2 化学处理 随着化学除草剂的发明，利用化学方法防治水葫芦也得到了应用。如用农达喷施 防治，在一些地方已经取得了一定的效果 1 3 】。但另一方面滥用化学除草剂对水体的环 境也产生了污染，影响了其它水生生物的正常生长，破坏了水生生态环境，造成了负 面影响，且费用高，这在一定程度上限制了它的利用。 目前常用的主要化学药剂主要有以下几种： 克无踪( p a r a q u a t ) ：触杀灭生型，速效性好，处理后，大多数水葫芦植株在短 时间内即死亡，但难以为天敌昆虫留下食料来源，而且对专食水葫芦的天敌昆虫 水葫芦象甲成虫具有一定的致死作用。 草甘磷( g l y p h o s a t e ) ：内吸传导型除草剂，能够很好地抑制幼芽、幼叶等幼嫩组 织的生长，处理后的植株在短时间内不会死亡，有可能为天敌昆虫提供食料，而且对 水葫芦象甲成虫、卵和幼虫均无直接影响。因此，若在田间单独使用化学除草剂防治 2 水葫芦，均可用克无踪或草甘磷；如进行综合治理，选择与水葫芦象甲配合使用的除 草剂，宜用草甘磷，既可避免杀伤水葫芦象甲，又使象甲获得较长时间的食料来源【l 4 1 。 农达( r o u n d u p ) ：是高效、低毒、光谱性的内吸除草剂，目前在我国南方很多地 区被用于防治水葫芦。虽然农达对象甲卵、幼虫和成虫没有明显的影响，但施用不同 浓度的农达后对水葫芦的种群密度、植株生长状况会出现不同程度的变化，象甲栖境 和食料质量又会随之改型1 5 j 。 4 1 b i o f o r c e 水剂：是美国孟山都公司开发生产的草甘磷类除草剂，经过浙江省 植保总站试验，对水葫芦防除药效迅速，效果较好，持效性也较长，未见对水生生物 有不良影响，是目前较为理想的药剂。 目前在水葫芦治理中，国内多采用人工打捞和化学药剂防治，但防除效果并不理 想，都不能取得特效。 1 2 2 3 生物防治 从2 0 世纪6 0 年代初期，生物防治水葫芦是从水葫芦的原产地南美巴西、乌拉圭 进行天敌调查开始的。在乌拉圭、特立尼达、阿根廷、美国佛罗里达以及南美其它国 家和印度共发现多种取食水葫芦的节肢动物，另外，还发现了取食水葫芦的两种无脊 椎动物及海牛、草鱼等其它一些水生生物【1 5 1 。在此基础上，对多种昆虫、螨类等一些 天敌的生物学特性作了许多的观察研究，这些工作的开展为水葫芦生物防治、选择适 当的有效天敌奠定了基础。在天敌的选择过程中，昆虫及螨类由于体形小、易于培养、 具有高繁殖能力和较高程度的专食性等特点而受到特别的重视。 1 2 2 3 1 昆虫防治 据有关文献报道，目前国内外已释放了六种昆虫，包括两种象甲( n e o c h e 行n a b r u c h i 和n e i c h h o r n i a e ) 、两种蛾( n i p h o g t a p t aa l b i g u t t a l i s 和x u b i d ai n f u s e l l u s ) 、一种 螨( o r t h o g a l u m n at e r e b r a n t i s ) 和一种小虫( e c c r i t o t a r s u sc a t a r n e n s i s ) 。后3 种未进 行有控制的释放，前三种1 9 7 0 年代释放至今己在很多地方获得成功的控制。目前， 阿根廷、澳大利亚、印度、美国、新几内亚、津巴布韦、三个维多利亚湖国家( 乌干 达，坦桑尼亚和肯尼亚) 、南非和泰国等已经成功进行了生物法控制【1 6 五2 1 。 一般进行昆虫防治时，首先要确定天敌的寄主特殊性，是否适合引入和释放。其 后是确定要引入区域及剂量和方式，包括释放地点选择、得到并维护健康种群、释放 密度、是否重复释放等。释放后，放虫量、放虫虫态、放虫前水葫芦长势、其他捕食 及寄生天敌昆虫的生物种类和数量，以及气候、水质、营养和其他人为因素，均可促 进或降低生物防治效果。 1 2 2 3 2 致病菌防治 除了昆虫控制以外，最近发展起来用病菌来控制水葫芦，目前已经取得一些进展。 最有希望的病菌是u r e d oe i c h h o r n i a e 、a c e r m o n i u mz o n a t u m 、a l t e r n a m i ae i c h h o r n i a e 3 和c e r c o s p o r ap i a r o p i ，此外，m y r o t h e c i u mr o r i d u m 和r h i z o c t o n i as o l a n i 也广泛作为生 物除草剂团j 。 叶子病菌一般不能完全杀死水葫芦，除非联合低剂量的化学法或者昆虫生物剂。 生物控制不是快速有效的控制，所以生物除草剂作为化学除草剂的生物补充。叶子病 菌防治一般无技术难度，研究主要考虑对环境影响和增强防治效果。通过各种亲水聚 合物、乳液、表面活性剂等，能增强叶子病菌的防治效果。重点是采用叶面湿润的方 法，保护病菌不受太阳辐射影响，并且促进其在叶面渗透。 美国佛罗里达正在努力发展一种能与现有昆虫生物法相结合的生物除草剂，其重 点是控制住而非消灭掉水葫芦。试验结果表明，用c p i a r o p i 菌，结合表面活性剂 s i l w e r l 一7 7 使用效果最佳【2 4 】。 1 2 2 3 3 水生生物防治 江锦坡等研究了河蟹对水葫芦生长的影响【2 4 1 ，其主要利用河蟹的杂食性和对水葫 芦新根、新茎的喜食性进行河蟹对水葫芦生长的影响试验。结果表明，河蟹对水葫芦 的叶面增宽减少3 9 1 近，叶柄变矮达7 5 ，植株分蘖控制率达2 5 。 1 2 2 3 4 植物相克 传统的水葫芦生物控制是昆虫，但是因水流，寄主范围等因素而受到一定限制。 用真菌病原体也因恶劣气候下缺少毒害性、生命短和缺少扩散也使得控制有困难。有 些植物腐烂时会释放酚、植物碱、香豆素、醒、三菇烯等对水体和植物有害的物质， 近年来针对水葫芦疯长，利用有害植物的相克原理受到重视。 一般植物相克化学物质有p 羟基安息香酸、水杨酸、反丁烯二酸、甘宁酸等，其 中p 羟基安息香酸毒性最大，杀死水葫芦只要浓度1 0 0 p p m 即可。勋堋口研耕2 5 】表明 陆地植物马樱丹属l a n t a nc a m a r a 对水葫芦有植化相克作用，2 1 天后，沥出液1 _ 3 ( w v ) 对水葫芦生长非常有毒。 用生物防治的方法已经取得良好的效果，但大量的研究也发现单一用生物防治这 种方法一般需要比较长的时间才能见效，且受季节及气候的变化影响很大，高温干旱 及洪水都会导致这个防治作用的削弱，甚至丧失。如何采用综合治理措施、同时发挥 生物和化学防治等各种综合防治的优势，以取得快速、持续的控制效果，也是目前国 内外研究治理水葫芦的重点课题。 1 2 2 4 综合治理 由于每一种控制方法，都有其最佳的适用范围，而且水葫芦兼有性和无性繁殖， 种群恢复和扩散能力极强，单独应用生物、化学或机械防除都难以取得快速、持续的 控制效果。如影响生物法控制效率的一个因素是水体的富营养状态，富营养使得水葫 芦生长繁殖过快，使昆虫数目跟不上1 2 6 - 2 7 ，综合治理的方法之一是生物法与其他方法， 如与除草剂结合【捧3 2 1 。生物法属于长期控制，出现效果的周期较长，一般需要三年或 4 更长时间，与除草剂结合控制能在时间和空间上互补，减少扩散和入侵。 一般来说，控制手段宜长期和短期相结合，源头用生物法，下游用机械或化学法。 两者结合时，除草剂的药量是影响能否有效与象甲等防治生物相协调的关键因子。相 关研究结果表明，农达的剂量在0 4 5 k g h m 2 是较为适宜，而通常田间单独应用农达时， 4 5k g h m 2 是商品推荐用量。从生命周期管理、全过程管理来看，在管理的高度进行 综合控制，效果更佳。一般来说，采用费用少且可持续的方法，通常是结合各种方法 生物法、化学除草剂、机械去除、水流去除、减少营养物排放等并配合其他管理 辅助。 坦桑尼亚综合管理策略是生物法释放n e i c h h o r n i a e 和n b r u c h i ；人工机械打捞， 以保持河岸、水源、泵站和娱乐区域无水葫芦危害；控制水体富营养。结果三年后水 葫芦面积减少7 0 ，大部分河岸无水葫芦，且控制在小范围内，生态环境效果显著 3 3 1 。 南非n s e l e n i m p o s a 河和n s e z i 湖对水葫芦也进行了成功的综合控制【3 4 1 ，主要在1 9 9 5 年成立水葫芦综合控制委员会，采取的策略包括依靠化学、物理和生物方法，在总体 控制和约束下，采用各地最佳的控制方法，化学法用草甘膦( g l y p h o s a t e ) ，生物法用 e c a t a r i n e n s i s 。其次，上游营养物控制排放，n s e l e n i 污水厂扩建升级，使出水n h 3 n 和c o d 分别从1 4 2 m g l 和1 3 0 m g l ，降到1 2 m g l 和5 3 m g l 。再者，社会参与和 公司支持。 1 3 水葫芦的资源化利用 1 3 1 水体生物修复 1 3 1 1 对水体有机物和营养盐的净化作用 水葫芦进行有机物降解的基本机理是形成了植物细菌的共生系统，在废水塘中种 植水葫芦，叶子光合作用产生的氧气部分经过茎和根进入水体，这些氧气被好氧菌和 兼氧茵利用来降解水体污染物，相应产生的二氧化碳和含氮物质就被植物作为营养源 吸收利用。去除水体b o d 主要是两种菌群的综合作用，它们分别为水体中的悬浮细菌 和附着在根上的生物膜细菌，p o l p r a s e r t 和五汤口仇m 如【3 5 j 研究了该两种菌群降解有机物 的重要性，从悬浮细菌得到了包含负荷率的一级反应动力学系数，从生物膜细菌也得 到基于生物膜量的一级反应，该模型能很好的预测厌氧塘出水的b o d 或c o d 去除率， 种水葫芦的厌氧塘，c o d 和s s 去除率可达5 0 ，而b o d 去除率也有2 0 。 水葫芦能大量吸收水体中的富营养成分而净化污水，利用水葫芦处理动物粪便有 生态控制且可持续的优点。c 钿幻【3 6 】利用水葫芦池对猪场废物处理，停留时间2 0 天， 其中c o d 、b o d 、t n 、t p 都能去除5 0 ，即使t n 的表面负荷也在1 0 k g h m 2 d 。砌扩 等从理论和试验角度研究为了获得最大水葫芦生长量的最优收获管理，理论上分析， 水葫芦的最大生长率的获得可通过在一个封闭的水体中保持生物量密度在罗辑斯蒂 饱和值的一半时恒定地收获增长的部份。 1 3 1 2 对含重金属废水的净化作用 水葫芦不仅对氮磷以及有机物都有吸收、积累、分解和转化的能力，而且对水中 的重金属元素也有去除作用，能从污水中除去铅、汞、银等重金属【3 8 枷】。 m a z e n 4 h 等进行了埃及尼罗河中水葫芦吸收重金属的研究，当镉、铅、锡浓度超 过1 5 u g l 时，水葫芦生长出现缓慢；在1 5 3 0 u g l ，水葫芦叶子中的镉、铅含量是对照 的4 5 倍，而且超过5 0 的金属积累在根中，茎和叶分别仅有2 0 和3 0 。敏州玎【4 2 】等 人研究认为水葫芦可以从粉煤灰沥出浆液中吸收铬、铜、镍、锌等有害重金属。c h u a h 4 3 j 等研究发现水葫芦对水中的稀土元素有富集作用，钪s c 、钇y 、镨p r 、镧l a 被根 吸收，通过叶片进入大气，叶子中的稀土元素比水体中含量高3 倍。利用核磁共振和红 外光谱研究表明，水葫芦根能大量去除水体中的铕】。 1 3 1 3 对农药的净化作用 夏会龙等【4 5 】研究了水葫芦对水体中乙硫磷、三氯杀螨醇和三氟氯氰菊酯农药的清 除效果，在抑菌条件下，水葫芦使各农药的消解速率分别提高了3 2 4 、o 8 和2 9 倍，对 于水体中非极性农药或理化性状相似化合物污染的修复有良好的效果。 1 3 1 4 对含染料废水的净化作用 三d 俨】等人研究了水葫芦对两种基本染料亚甲基蓝和维多利亚蓝水溶液的生物 吸附作用，水葫芦根对这两种染料的最大吸附容量为分别为1 4 8 m g g 和1 4 9 m g g ，吸附 时间很快，吸附能力很大。 1 3 1 5 对水体中藻类的克生作用 早在1 9 8 4 年，日本大木规晃就观察到水葫芦对浮游生物的克生作用【4 7 】，具有使富 营养化水域变得清澈的功效。其机制主要是由于水葫芦根系向水体分泌的有机物质能 伤害和杀死藻类，且水葫芦覆盖减少太阳辐射量，从而限制藻类生长，水葫芦只要覆盖 1 2 1 4 的水面，就可以便全水域变清。k i m 等【4 8 】也研究了水葫芦对藻类的限制作用， 它能有效减少污水处理出水中的藻类含量。 由此可见，水葫芦基本上对水体中的各种污染物及富营养水体中的藻类都有相当 好的治理效果。然而，水葫芦用于污水处理或生态修复后，污染物转移到了水葫芦体内， 这些水葫芦需要进一步的处理。 1 3 2 基于水葫芦高矿质养分的应用研究 由于水葫芦中含有很多能被植物利用的营养物质，在现有水葫芦资源化利用方式 6 中，较为普遍的是将其与其它物料如污水塘底泥、动物粪便等混合后进行好氧或厌氧 堆制，产生沼气及制得有机肥【4 9 - 5 2 1 ，或直接利用其干粉作为有机肥料或土壤改良剂【5 3 】， 或将干水葫芦燃烧后的灰分作为肥料使用【洲。在水葫芦制取堆肥工艺中，利用蠕虫转 化水葫芦的工艺研究较多，其中有蠕虫种类的选择【5 5 1 ，也有蠕虫在堆制物料中密度的 选择等【5 6 1 。由于新鲜的水葫芦植株含有大量的水分，如将其与其他有机物料，如猪粪 混合堆制时，堆体温度上升很快，水分从堆体中大量溢出，翻堆时易使物料成稀泥状， 使好养发酵只维持较短时间，另一方面，堆体p h 上升快，氮素以氨的形式损失大p 7 | ， 如何解决好堆肥制作中的水分过多和氮损失问题是在水葫芦制作有机堆肥过程中需 要进一步研究的。由于水葫芦含有相对较高的钾含量，水葫芦秸秆或粉料可直接作为 肥料使用。据报道 5 8 】，施用水葫芦和可可的废弃物达1 0 f f h m 2 时，作物可获得最大的 生物量和产量，与施n 、p 、k 肥相比，分别比钾水平在1 0k g s w n 2 和2 0 蛐2 达到 0 0 5 的显著性水平。从土壤残留的钾含量和作物吸收量来看，水葫芦所提供的钾比 其它植物所提供的钾要更有效。水葫芦和可可的灰分中的钾主要以k e c 0 3 形式存在， 施用这类灰烬是一种补充土壤钾的经济实用手段。单独施用水葫芦或将水葫芦与磷灰 石、尿素混合施用，相比单独施用磷灰石或尿素显著增加小麦和玉米产量；此外，混 合有水葫芦的肥料处理在后两茬的作物上均表现出残效，而只施用磷灰石或尿素则不 表现出任何残效。有研究表明，水葫芦堆肥或灰分肥与普通肥料比较，对作物有明显 的增产作用【5 9 】。在酸性土上施用5 和1 0 的水葫芦堆肥，能促进玉米和芝麻籽粒产 量增加及微量元素养分的吸收。与掺混有污泥的水葫芦堆肥相比，单独的水葫芦堆肥 效果更好】。微量元素硼的存在对施入农田的水葫芦中氮的矿化有促进作用【6 1 | 。在 沿海的滩涂、酸性硫酸盐土、冲积土上硼的存在对施用的水葫芦秸秆均表现出相似的 促进其中氮素矿化的作用，机理则尚无较好的解释。 1 3 3 厌氧制能 相对堆肥，厌氧发酵有很多优点，如回收了能量、沼气，而堆肥一般来说是消耗 能量。用生命周期分析表明，厌氧甲烷产生的能量大于反应需要的保温等条件。从可 持续发展角度考虑，厌氧更好，因为沼气是一种清洁能源，符合未来的发展趋势。 水葫芦在植物的厌氧处理中，效果属于较好的。水葫芦含有合适的c n 比( 约 2 0 ：1 ) ，微生物能够利用其中的营养物质进行厌氧产甲烷。其次，利用水葫芦制取沼 气是严格的厌氧发酵过程，原料中氮素挥发损失较少，氮素结构得到优化，其发酵残 余物( 沼r e ) 既含常量营养元素、有机质，又含有多种微量元素、氨基酸、氮素、维 生素等物质，是速缓兼备的有机复合肥。 在利用水葫芦生产沼气的研究方面，主要集中在产气原料的配比及制气工艺的经 7 济性上。比如，将牛粪、水葫芦、泥浆按质量比5 ：1 ：l 配比，经1 4 d 培养时间后达到 最高的甲烷产气浓度6 6 9 ，在按牛粪：水葫芦：泥浆按质量比0 ：1 ：l 、1 ：1 ：1 、3 ：1 ：1 、 1 ：o ：0 配比时，可分别得到的甲烷产气浓度为6 1 9 、6 1 0 、5 6 和5 1 【6 2 】。m a t s u m u r a 比较了液相产气和固相产气工艺后认为，前者经济性优于后者，但产气成本仍是城市 煤气成本的1 8 6 倍；为提高产气效率，改善热交换器的效率是有效手段，加入污泥 菌种也将提高其效率【6 3 1 。沼气的产生速率和产量与物料的c 、n 含量及c n 有关【钏， 水生植物的不同及生长的水体环境不同，沼气的产生速率和产量也不同。另有人对水 葫芦产气中的动力学进行了研刭6 5 】。除生产沼气外，利用水葫芦纤维素作为碳水化合 物的原料，并进一步生产液体燃料酒精的研究工作也引起了广泛关注。 1 4 水葫芦的控制和利用研究中存在的问题 由上述水葫芦控制利用的相关研究可知，目前在该领域虽然进行了大量的研究， 但尚存在以下几个问题： ( 1 ) 在水葫芦控制研究方面，大多数研究方法虽然可一时解决水葫芦泛滥成灾 的环境问题，但同时也可能产生了新的环境问题。如化学法可能对水体产生新的化学 污染，生物防治可能产生新的外来种入侵问题等。此外，对水葫芦的控制研究主要还 是采用末端治理的思路，治标不治本，对水葫芦的控制为短期和不可持续的。例如在 乌干达，1 9 9 5 年报道水葫芦已被水葫芦象甲成功地控制了，然而，在2 0 0 0 年由于种 子的萌发，这种杂草被观察又重新死灰复燃了。 ( 2 ) 在水葫芦的利用研究方面，目前的研究基本上是针对水葫芦的单一利用方 式，而单一利用方式所产生的经济效益是有限的，且难以对水葫芦进行彻底有效的利 用，这样也就影响了该方法的推广应用。加上近年来水体污染的加重，水葫芦对一些 有害物质的积累，人们担心食物链的迁移影响人体的健康，使得水葫芦作为工农业原 料直接利用的方法越来越受到限制。 ( 3 ) 在水葫芦综合利用研究方面，虽然已有人从生态系统角度提出了水葫芦综 合利用的设想，但大都停留在定性分析的层次上，很少进行系统定量研究，故无法 对其效果进行定量评价。 8 2 引言 当前，人类正面临着自然资源匾乏威胁，人口的不断增长及环境连年恶化，水体 富营养化问题已成为世界性的一大难题。多年前，人们主要通过环境技术解决环境污 染问题，但这种技术通常会将污染物从一种介质转移到另一种介质中去，同时完成这 一过程尚需消耗大量的能源。1 9 8 7 年，世界环境与发展委员会提出了“可持续发展 的战略，持续发展的概念将经济和环境政策相结合，当两者发生冲突时，生态利益优 先。在这种态势下，生态工程应运而生，生态工程是一种全新的技术和方法，它在无 需投入大量能源的情况下，保护生态系统和非再生资源，而且解决了污染问题，避免 污染的转移，将污染物转化为人类可以利用的再生资源。 自2 0 世纪6 0 7 0 年代开始，我国将水葫芦从南美引进作为畜禽饲料推广后，导 致其快速繁殖，堵塞河道，影响航运、排灌，死亡腐烂后，污染水体，加剧水体富营 养化，被称为“水上绿魔。由于水葫芦生长繁殖速度极快，在短期内要达到完全控 制水葫芦疯长的目标尚存在难度，机械打捞是我国目前解决水葫芦问题的最主要途 径。在对水葫芦生长规律及净化富营养化水体的效果进行深入研究的基础上，将定期 打捞起来的水葫芦进行厌氧发酵，一方面可去除水体中过量的营养盐；另一方面还能 够产气制能，发酵完以后的沼渣和沼液还可以用来制造肥料。 基于上述两点考虑，本课题遵循生态工程设计的基本原则，利用生态学中“整体 效应 、“各组分协调”、“循环再生 等原理，从水葫芦控制和利用两个方面同时着手， 一方面研究水葫芦生长规律，提出水葫芦防治管理的对策建议；另一方面进行水葫芦 净化水质和厌氧制能技术研究，提供水葫芦资源化利用的途径。其最终目标是建立以 水葫芦资源化利用为主线的生态工程模式，不仅达到净化富营养化水体、生态修复的 目的，而且有效地实现水葫芦的资源化利用，开发新能源的目的。 9 3 材料与方法 3 1 水葫芦净化富营养化水体的研究 3 1 1 材料 水葫芦 e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ( m a r t i u s ) s o l m sl a u b a c h 又称风眼莲、风眼兰、假 水仙、洋水仙、水生风信子、水荷花、布袋莲等，是单子叶植物，风眼莲属。7 月份 采集水葫芦，试验用水葫芦取自南京市莫愁湖，将水葫芦打捞上来后，在流水下冲洗 0 卜1 h ，去除黄叶、腐根，选取大小、重量相近的植株，置于玻璃缸中自来水养殖， 备用【矧。 水葫芦干物质含量为6 1 2 ；试验池为长木宽木高分别为2 5 m x 2 m x 0 5 的水泥池， 并行建于排污河旁。注入无污染的河水至3 0 e m 处，将污水按一定的比例加入各池， 使池内形成低、中、高三种不同浓度的污水，空白组对照，不加入污水，每个处理设 置三个重复。 3 1 2 主要试验仪器 医用手提式蒸汽压力锅( 1 1 1 4 k g = n 2 ) 高速冷冻离心机 显微镜 10 3 型气相色谱仪 b c d 2 2 8 t 冰箱 可见紫外分光光度计 火焰分光光度计 2 0 0 u l , 1 0 0 叫移液枪 电热鼓风干燥箱 马弗炉 p h s 一2 5p h 计 万分之一电子天平 半微量蒸馏器 1 0 b i o f u g es t r a t a sh e r a e u s 公司 o l y m p u s 公司 上海分析仪器厂 合肥美菱股份有限公司 上海分析仪器厂 上海分析仪器厂 德国印删炯 上海博迅仪器公司 上海博迅仪器公司 上海雷磁仪器公司 i7 s a 3 1 3 主要试剂 乙醇溶液( 9 5 ，分析纯) ；浓硫酸( 比重1 8 4 ) ；5 0 p p m p 标准溶液；3 0 h 2 0 2 ； 钒钼酸试剂；6 n n a o h ；1 n n a o h ；2 ，6 二硝基酚指示剂；混合加速剂；高氯酸( 1 6 8 9 m l ， 优级纯) ；硫酸( 1 ：1 ) ；硝酸( 1 4g m 1 ) ；高锰酸钾溶液( 5 0 9 l ) ；还原铁粉；盐酸标 准溶液( o 0 1 m o l l ) ；过硫酸钾( 5 0 9 l ) ；抗坏血酸( 1 0 0 9 l ) ；钼酸盐溶液；浊度色 度补偿剂；磷标准储备液；磷标准液；酚酞溶液( 1 0 9 l ) ；硼酸溶液( 2 0 9 l ) ；甲基 红压甲蓝混合指示剂；氯化亚锡溶液；钼酸铵硫酸溶液：钼锑抗显色剂；试铁灵指 示剂；硫酸亚铁铵标准溶液；重铬酸钾标准溶液；硫酸银催化剂；邻苯二甲酸氢钾标 准溶液( 2 0 8 2 4 m m o l l )