（生态学专业论文）水生植物处理污水关键技术及应用研究.pdf

摘要 本论文的研究内容为低温季节水生植物对污染水体的净化效果，水生植物不同器 官对营养元素的积累与分布特征，同时以南京市汤泉镇水生植物污水处理厂建设工程 示范项目为工程实例，探讨了整个生态净化系统的运行效果。得出了以下结论： ( 1 ) 在初春低温条件下，9 种植物对c o d c 的处理效果的差剔不大，挺水植物对 c o d c r 的处理效果优于沉水植物，均在中浓度条件下处理率最高9 种水生植物均对 t n 的吸收具一定的效果，但存在一些差异。沉水植物中微齿眼子菜和伊乐藻对n h 4 + n 的吸收量最大，竹叶眼子菜的吸收量稍低；挺水植物中水芹菜的吸收量最大所选植 物在低、中、高三种污染浓度下对n h 4 + - n 的平均去除率为8 7 6 4 ，8 0 1 3 ，6 1 4 0 ， 对照组分别为3 2 5 8 ，1 8 1 8 ，1 9 3 2 水生植物对t p 的吸收效果相差不大，以水 芹菜和石龙芮吸收效果最好。 ( 2 ) 湿地不同植物种类对氮磷的积累特征明显不同，各类植物氮元素的吸收系数 均大于磷。总的来说，汤泉塘湿地系统各类植物氮磷含量的大小依次为浮水植物 沉水 植物 挺水植物挺水植物体内的氮、磷积累量在秋末冬初达到最大值，且叶片中氮、 磷积累量远远高于其他器官。 ( 3 ) 生态塘组合处理系统中各处理单元分担的处理率为：生物调节塘对各污染物 的去除率分别为c o d c ，1 9 3 4 、t n4 4 5 6 、t p6 8 5 6 ；生物接触氧化塘系统对 c o d c ，、t n 、t p 的去除率分别为4 6 7 7 、3 5 6 3 、1 8 1 ，整个水生植物塘系统对 c o d c f 、t n 的去除率分别为1 4 4 7 、1 3 6 。季节温度越高处理效率明显上升，夏季 ( 7 9 月份) 效果最好，冬季效果最差 关键词：生态塘；组合系统；水生植物；净化效果；不同器官；积累量 s r nm l yo nk e yt e c h n o ij o g m sa n da p p l i c a n o no fd o m 匝s 耵c w a s t e ，a t e rp u r i f i c a t i o nb ym a c r o p h y t e s a b s t r a c t d 面n gm ec o u r s eo ft h er c s e a r c k i l i n em a c r o p h ”e s ( 肋虎口，如幻珊呼f d 刀肌口口c 幻册z 毽 p 0 t a m o g e t o nm n l n i l u s m i q p o t a m o g e t o nc r i p s a c o r l l sl 口t n r i n o w i is c h o n - ) k n c l l s 哆跏s e s ， 办括g e 册z 口月五巴口三， s u b m e r s e dm a c r o p h y t e e i n e r g e dm a c r o p h y t e h y d r o p h ”e sc o u l da b s o r bm o r e 血t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，a n dm en i t r o g e n a b s o r p t i o nb y v a r i o u s 虹r i d so fp l a i l ti nt 量i ew e t l 锄dw 弱g r e a t e rt h a nt h a to fp h 0 s p h o r u sa b s o 印t i o n i z lt h e l a t eo fa u t i l i i m 甜l dt h ee 2 u r l yo ft b e 、v i n t e ra c c 岫u l a t i o no fi l i t r o g e n 强dp h o s p h o r u si nm e h y d r o p h y t e sa c t l i e v eap e a kv a l u ea n di ta c c u m u l a t e si nl e a v e s t h e r e f o r e ，w es h o u l dp i c k t h e mu pt o 诵p eo f ri l i t r o g e n 觚dp h o s p h o r u si nm ew a s t e w a t e r ( 3 ) t h ea v e r a g er e m o v a le m c i e n c yo fc o d c r ，t n a j l dt pi nt h er e g u l a t ep o n da r e9 3 4 ， 4 4 5 6 ，6 8 5 6 ，a i l dc o n t a c to x i d a t i o np o n da r e4 6 7 7 、3 5 6 3 、1 8 1 s i i n u l t a n e o u s l y ，t h et e m p e r a t u r ei sm 曲e r ，t r e a t m e n te m c i e n c yi sb e t t e r t h es y s t e mh a sh i g h e rn i t r o g e n a n dp h o s p h o i u sr e m o v a le m c i e n c i e sb e t w e e nj u l ya n ds e p t e m b e r k e yw o r d s ：e c o l o g i c a lp o r l d ；c o m b i n es y s t e m ；h y d r o p h y t c ；d o m e s t i c w a l s t e w a t e r p u r i 毋i c a t i o n ； d i f f e r e n to 唱a n s ；a c c 哪u l a t i o nc o n t e m 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是苯人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 撇娥者。一，f 孕麦心月朋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留，使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅拳人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在- 年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密日 ( 请在以上方框内打。 骨 ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 致谢 本论文是在导师张银龙教授的精心指导下完成的，从论文的设计、 试验方案、田间采样、室内分析一直到最后毕业论文的撰写无不倾注 着导师的心血。 导师严谨的治掌态度、求实创新的科研精神、敏锐的学术思路、开 阔的选题视野以及坦荡无私的胸怀给我留下了深刻的印象使我终身受 益。在论文完成之际，谨向尊敬的导师表示最衷心的感谢! 在试验进行和论文撰写中特别感谢南京市环境保护科学研究院卜 现亭院长及工程设计所的所有同事为试验的顺利进行提供了无私的帮 助在试验的过程中，同门俞学如、张蛛妹、可志锋，杨波，师妹王丹 等都给予了热情的支持和帮助谨此表示最诚挚的谢意! 在三年的研究生学习生活中得到了生态掌、环境科掌、植物掌专 业等老师的专业指导，使我的专业知识有了很大的提高和丰富，视野有 了很大程度的拓展，在此特表示最衷心的感谢! 感谢我的父母和爱人给予我精神匕莫大的支持和鼓励。 感谢三年来宿舍好友的相互关心和照顾o 感谢南京林业大学营造的积极向上、刻苦钻研的学习和科研氛围。 祝母校发展兴旺师长和朋友们身体健康! 作者，周艳文 2 0 0 8 年6 月寸南京 1 绪论 1 1 小城镇污水处理的重要性及紧迫性 1 1 1 水环境问题已成为制约小城镇发展的瓶颈 随着我国城镇化水平的加快，小城镇得到了迅速的发展i l j ，根据2 0 0 7 年村镇建 设统计公报，全国有建制镇1 9 3 6 9 个，乡1 6 3 9 5 个，总人口8 8 9 亿，据预测，到2 0 1 0 年全国建制镇达到2 5 3 万个【2 l 。小城镇建成的面积不断扩大，乡镇企业迅速发展，城 镇人口不断集中，城镇污水排放量也不断增加。绝大多数小城镇没有排水和污水处理 设施，造成了严重的水环境污染，加剧了我国水资源短缺。据估计p j ，到2 0 1 0 年，我 国城市生活污水排放总量为1 0 5 0 亿m 3 时，其中村镇污水排放量可达2 7 0 亿m 3 。国家体 改委的调查资料1 4 j 显示，小城镇废水处理率仅为2 7 ，非城关镇的小城镇废水处理率 标准大大低于城市和城关镇的水平，如果按照国际通用标准，其废水处理率接近于零 1 5 j 。特别是在经济发达的地区，小城镇星罗棋布，污水“农村包围城市”的现象十分 突出，这种格局对水污染防治工作提出了严峻挑战。 由于过去“重建设，轻环保 的旧观念，小城镇基础设施建设远远落后于小城镇 建设的发展。许多小城镇缺乏必要的污水收集系统和污水处理设施，污水乱流，这不 仅造成资源浪费和小城镇本身的环境污染日益恶化，严重影响了小城镇居民的生存环 境，而且也制约了小城镇的经济发展。因此，必须加快小城镇污水处理设施建设，以 确保小城镇的可持续发展。 1 1 2 保护流域生态环境的需要 随着国家经济的迅速发展，农村地区逐渐富裕起来，我国东部、东南部经济较发 达的农村地区自来水管道已入村入户，城镇化进程日益加快。随着人民生活水平的提 高，农村地区用水量也随之加大，使得生活污水的排放量也随之骤增。由于污水处理 设施建设的滞后，大量没有经过处理的生活污水直接排入农村的小河道，最终进入湖 泊等受纳水体。据统计，农村生活源和农业面源占我国太湖主要污染物氨氮排放总量 7 7 ，占总磷排放总量的6 6 【6 1 。陈能汪、张路平等人【7 】通过对福建省九龙江流域汇水 点定点监测分析，发现农村生活污水总氮、氨氮、总磷等各项水质指标浓度均很高， 其浓度变化基本反映了居民的生活方式及作息规律；农村生活污水污染人均年排放量 为总氮1 5 6 2 k g a ，总磷o 1 5 3 k g a ；九龙江全流域年排放量为总氮5 9 2 毗、总磷5 7 8 讹， 分别占农业非点源污染排放总量的2 8 ，2 5 ；经济发达，人口集中的沿江两岸地区 的氮、磷排放负荷较大。小城镇的水环境污染状况相当严重，水资源污染状况与该小 城镇所在流域情况大体相当。因此，为了实现对面源污染的有效控制，遏制水环境富 营养化趋势，对小城镇生活污水治理己迫在眉睫。 农村生活污水由于氮磷含量较高，是导致河流和湖泊富营养化的主要因素之一。 太湖流域有不同规模的污水处理厂7 座，而该流域内的小城镇就达9 7 8 个【引。如果只 l 注重大中城市污水处理工程的，而忽视数量多、分布广的小城镇的污水治理，其结果 必然是达不到区域污染防治的预期目标，必将造成严重后果。 2 0 0 5 年，国家环保总局全面启动全国重点流域水污染防治“十一五”规划编制工 作。中国环境规划院在重点流域水污染防治“十一五规划编制的基本思路中提 出，到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇污水处理率必须达到6 0 悼j 。 因此，小城镇污水处理厂将会越来越多，其数量将超过大中型污水处理厂。小城 镇污水治理是继大中城市污水治理之后的一个新的战略目标，有着十分重要的战略意 义。但是由于小城镇在社会、经济、环境、污水水质等方面与大中城市不同，因此以 往建设大型污水处理厂的经验只有借鉴意义，不可能也不应该把大中城市的污水治理 工艺照搬到小城镇的污水处理中去。否则，目前在大中城市中出现的“建的起，用不 起 的局面将会在小城镇中更加强烈的表现出来，甚至会演变成“既建不成，更用不 起”的局面【9 1 。因此，小城镇的水环境污染治理应寻求一条具有小城镇自身特点的水 环境污染治理技术路线。 1 2 小城镇污水处理现状 1 2 1 小城镇污水的特点 小城镇污水主要为生活污水和以农产品为原料的工业废水( 有机废水) 的混合污 水，水量与大城市相比较小，但在量与质上都不够均匀和稳定。小城镇的人口规模、 自来水普及率和工农业发展的结构水平，决定了小城镇的污水排放量大都在2 0 0 3 2 0 0 0 m 3 d 的规模范围内，其中生活污水量占5 0 以上【1 0 】。由于生活污水占的比重较大， 造成污水有较大的时不均匀性，同时也引起水质的波动。中小城镇的生活水平也决定 了污水的组成成分，如污水中悬浮物浓度较高，有机物浓度较低，尤其是一些小城镇 的排水系统不健全，采用明渠排水的较多，致使大量的雨水流入和地下水渗入，也降 低了污水中的有机物浓度。由于小城镇的基础设施不完善，政府财力不足，技术力量薄 弱，以往建设大型污水处理厂的工艺不能照搬到小城镇的污水处理中去。因此，小城镇污 水处理应满足经济、高效、节能和简便易行的处理要求。小城镇污水处理的主要特点i lj 如 下： ( 1 ) 人口少，用水量标准较低，污水处理规模小。 ( 2 ) 产业结构存在区域特定差异、受雨季影响及用水量时变化系数较大等特点， 因此污水水量、水质变化大。 ( 3 ) 经济发展水平偏低，经济承受能力弱，可供选择的适用技术少。 ( 4 ) 由于处理规模小而造成工程建设费及运行费用过高。 ( 5 ) 维护管理技术人员及运行管理经验严重缺乏等。 1 2 2 小城镇污水处理工艺技术应满足的条件 目前全国的小城镇绝大多数没有排水和污水处理设施，已成为我国水环境污染的 主要污染源。我国已建成的城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，这种传统 2 的污水处理工艺存在着基建费用高、耗能大、剩余污泥量大、运行费用高、易带来二 次污染等问题，以我国现有的国力，尤其是绝大多数经济水平偏低的小城镇，很难得 到广泛应用。因此寻求经济、高效、节能适合于水城镇的污水处理工艺和技术成为当 前迫切需要解决的问题。 污水处理工艺技术选择是依据进水水质、水量状况及受纳水体环境容量或者排放 标准，确定应该去除污染物的项目与数量，从而选择合适的污水处理工艺技术。一般 来说小城镇的污水处理工艺技术应能满足以下条件： ( 1 ) 处理工艺应具有较强的适应冲击负荷的能力，去除效率高。 ( 2 ) 处理工艺简便易行、运行稳定、维护管理方便，利用当地技术和管理力量能 正常运行。 ( 3 ) 处理工艺应具有能方便地改变其处理流程的能力。 ( 4 ) 基建投资和运行费用低、节省能耗，基本上不投加药剂或投加药剂量很少。 ( 5 ) 污泥产量少。 1 3 生态塘组合系统 1 3 1 生态塘组合系统的研究现状 生态塘是利用天然水中存在的水生植物、水生动物对污水进行处理的一种稳定塘 【1 i 】【12 1 ，稳定塘处理系统已在许多国家得到广泛应用，我国从上个世纪8 0 年代开始至 今在全国范围开展了研究。 生态塘是以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生作物，进行水产和水禽养殖， 形成人工生态系统。在太阳能的推动下，通过生态塘中多条食物链的物质迁移、转化 和能量的逐级传递、转化，将进入塘中的有机物和营养物进行降解和转化。最后不仅 去除污染，而且以水生作物、水产的形式作为资源回收，净化的污水也作为再生水资 源予以回收利用，使污水处理与利用结合起来，实现污水的资源化。生态塘处理工艺 技术具有以下特点1 1 3 j ： ( 1 ) 适合不同的处理规模，基建费用低廉。生态塘系统没有复杂的机械设备，工 程十分简易，整个系统的基建费用只有常规处理方法的1 2 或1 3 。 ( 2 ) 出水水质稳定，回用领域广。生态塘处理的出水一般可以达到二级排放标准， 如果设计了脱氮除磷的功能，出水甚至可以达到三级排放标准。 ( 3 ) 材料来源广，就近可得。生态塘系统不需要任何材料。 ( 4 ) 运行费用低。生态塘系统无需额外动力，运行费用只有常规工艺的1 0 5 0 。 ( 5 ) 管理十分简单，维护容易。设计良好的小型污水生态塘系统几乎不用管理与 维护。生态塘处理系统具有基建投资省，运行费用低，运行管理维护方便，运行稳定 可靠等优点，是实现小城镇生态环境综合治理的有效工艺。如小城镇附近有可利用的 天然养鱼塘、天然废塘等条件，可考虑采用该处理系统。 目前，生态塘的处理工艺正在向着正规化、系统化、资源化、生态化、美学化的 方向发展。筛选、培育高效水生净化植物，营建诸如水葫芦塘、芦苇塘、藕塘等水生 植物塘，组合曝气、水生植物、水产养殖等多个生物处理单元的综合功能，营建生化 一体化的水生动植物的复合生态体系，将成为生态塘处理工艺的发展方向。生态塘与 其他工艺组合，或各种生态塘之间的工艺的组合，形成生态化、资源化的复合生态系 统，是污水处理与资源利用的完美结合+ 它构建了一个完整的生态系统和良好的内部良 性循环系统能产生较大的生态效益、社会效益和经济效益，具有极其广阔的应用前景， 非常适合我国的国情。 1 3 2 水生植物在污水生态净化系统中的作用 ( 1 ) 物理作用 水生植物的存在减小了水中的风浪扰动，降低了水流速度【l3 1 ，并减小了水面风速i 】4 ， 这为悬浮固体的沉淀去除创造了更好的条件，并减小了固体重新悬浮的可能性。另外，覆 盖在人工湿地上的植物，它对稳定人工湿地的土壤也十分重要，因为其稠密的根系阻止了 冲蚀缝隙的形成i l 引。 ( 2 ) 植物的吸收作用 大型水生植物生长过程中，需要从水层和底泥中吸收大量的n 、p 等营养物质，并同 化为自身结构的组成物质( 蛋白质和核酸等) ，同化速率与大型水生植物的生长速度、水体 营养物的质量浓度水平呈正相关。b r i ) 【l6 】的研究发现：挺水植物的吸收能力为2 0 0 0 2 5 0 0 妇n h a 年，3 0 5 0 0 蚝p l a 年，漂浮植物有较大的吸收量，约2 0 0 0 蚝n h a 年和 3 5 0 埏p 1 1 a 年，而沉水植物较低，仅为7 0 0 k g n h a 年和 飘浮植物 挺水植物，不同部位浓缩作用也不同，一般为：根 茎 叶，各 器官的累积系数随污水浓度的上升而下降1 2 引。香蒲的吸收能力大小依次是根、地下茎、 叶，并且按照一定的比例从生境中吸取重金属，以防止对某元素吸收过多而引起毒害。如 p b 、z n 进入香蒲体内，主要积聚在皮层细胞中的细胞壁上，只有少量进入原生质，可见 细胞壁对重金属有较高的亲和力i z 列。 ( 4 ) 与微生物的协同降解作用 大型水生植物植株各个部位光合作用产生的0 2 向水中扩散，在植株周围形成富氧区 域。其中，根际富氧区的形成对改善和稳定水域生态系统具有重要意义。一方面，水生植 物根际区域为微生物或部分微生物代谢提供了所需要的微生态环境。根系通过释放0 2 和 分泌一些有机物质以促进微生物的代谢，为好氧微生物群落提供了一个适宜的生长环境， 而根区以外则适于厌氧微生物群落生存，进行反硝化和有机物的厌氧降解【3 0 1 。水生植物 的根系还能分泌促进嗜n 、p 细菌生长的物质，以间接地降低n 、p 浓度，从而提高净化率。 同时，植物的代谢产物、残体以及溶解的有机碳还可为根际区的菌落提供食物源。另一方 面，根系可作为微生物附着的良好界面，大量微生物在水生植物根系表面和底泥基质表面 形成灰色生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积。水生植物根际区的微生物能大 大加速富集或沉降下来并截留在根系周围的有机胶体或悬浮物的分解矿化，使植物根部的 污染物经微生物分解利用，或者经生物代谢途径而降解去除。如芽孢杆菌能将有机p 、不 溶解p 降解为无机的、可溶的磷酸盐，从而可被植物直接吸收利用。殷敏等【3 l j 研究指出， 富营养化水体中，也可依靠水生植物根茎上的微生物使反硝化菌、氨化菌等加速n h 3 - n 向 n 0 2 - n 、n 0 3 n 的转化过程，便于水生植物的吸收与利用，减少底泥向水体中释放营养盐。 水体中n 的去除，尽管可以通过植物吸收，但硝化和反硝化作用才是主要的去除机制 ( 约4 0 9 2 ) 。j p 山i e s f r 【3 2 】通过大量的物质平衡计算，指出在n 的去除机制上占主导地 位的应是细菌的降解作用，而非水生植物的吸收作用。因此，大型水生植物不仅能直接吸 收水体中的n 、p 等营养物质，更重要的是它们构建了良好的微生态环境，使微生物对n 、 p 等营养物质的降解发挥了至关重要的作用。 g e r 妣r g 【3 3 】的研究表明，污水中对有机营养物起降解作用的主要是微生物，它们把有 机质作为丰富的能源，将其转化为营养物质和能量。有植物的人工湿地中微生物的种类和 数量是极其丰富的，因为人工湿地水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根 系附近形成好氧、缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的 生存环境，也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。很多湿地的大型挺水植物在 水中部分能附生大量的藻类，这也为微生物提供了更大的接触表面积。张鸿等【3 4 j 的研究 表明，有植物的湿地系统，细菌数量显著高于无植物系统，且植物根部的细菌比介质处高 1 2 个数量级，植物的根系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长，促进氮、磷释放、 转化，从而间接提高净化率。例如g e r s g e f g 吲，h a 一潮诩p e m e ，6 1 ，r e e 7 均研究表明 氨氮的主要去除途径是微生物的硝化、反硝化作用，但水生植物群落的存在，为微生物和 微型动物提供了附着基质和栖息场所，其浸没在水中的茎叶为形成生物膜提供了广大的表 5 面空间，埋在湿地土壤中的根系也为微生物提供了基质。植物机体上寄居着稠密的光合自 养藻类、细菌和原生动物，这些生物的新陈代谢能大大加速截留在根系周围的有机胶体或 悬浮物的分解l l 引。 ( 5 ) 气体传输和释放作用 水生维管束植物通过植株枝条和根系的气体传输和释放作用，能将光合作用产生的氧 气或大气中的氧气输送至根系，一部分供植物呼吸作用，一部分通过根系向根区释放，扩 散到周围缺氧的环境中，在还原性的底泥中形成了氧化态的微环境，其中好氧生物膜对氧 的利用使离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区域则完全厌氧。这种连续呈现好氧、 缺氧、厌氧的状态，相当于许多串联或并联的- v 刖o 处理单元，这样可以通过硝化、反硝 化作用及微生物对磷的过量积累作用使氮、磷从废水中去除1 3 引。水生植物根系在人工湿 地底部的扩展有利于微生物特别是好氧细菌向湿地深处的分布p 引。 l i m 【柏】的研究表明，在莎草( c 功p m 册嘿刃，r 淞) 枝条与大气之间，白天没有0 2 的交换， 但夜间0 2 由大气进入枝条的速率为1 1 6 l 砌o m 2 s ) ，从而保证了植物夜间呼吸需氧。而 从枝条向根系输送0 2 的速率，白天为3 1 9i n m o m 2 s ) ，夜间则更高达4 2 7m m o m 2 s ) 。 根系除了氧气外还可能释放别的物质。 ( 6 ) 对藻类的抑制作用 对藻类的抑制作用一方面表现在水生植物个体大，吸收、储存营养物质和利用光能的 能力强，能与藻类形成竞争，从而抑制浮游藻类的生长】。另一方面，水生植物向水中 分泌化学物质，如萜类化合物、类固醇等，来抑制藻类的生长。唐萍等1 4 2 j 的试验表明， 水花生、菱、金鱼藻和浮萍均能在不同程度上减少水体中藻细胞数量，促进藻细胞内叶绿 素a 的破坏与脂质过氧化物含量升高，抑制超氧化物歧化酶( s o d ) 的活性，从而抑制了 藻类的生长。凤眼莲根系的分泌物能使栅藻叶绿体、线粒体肿胀、解体，胞内可溶性蛋白 及光全速率急剧下降1 4 引，从而破坏其生长。 水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者，前者个体大、生命周期长， 吸收和储存营养盐的能力强，通过竞争营养能很好地抑制浮游藻类的生长m j 。而且，某 些水生植物根系还能分泌出克藻物质，破坏藻类正常的生理代谢功能，迫使其死亡，达到 抑制藻类生长的作用【4 5 l 【矧。何池全【4 7 1 实验表明，使用培植石菖蒲的水培养藻类，可破坏 藻类的叶绿素a ，使其光合速率、细胞还原t t c 的能力显著下降。朱斌等1 4 8 j 研究指出，水 生植物根圈还会栖生某些小型动物，如水蜗牛，能以藻类为食。 水生植物表现出对不同藻类不同程度的克制效应，这可能与各种水生植物自身代谢的 强弱，导致克藻物质的分泌量不同有关【4 9 1 。据s u nw e l l l l a o 等【5 0 】报道，金鱼藻等9 种水草 含有克制小球藻的生物碱，并且能抵抗食草动物的危害。孙文浩掣”j 进行关于水葫芦克 藻类效应的研究，结果证明水葫芦的根系能够向水域分泌某些化感物质，抑制藻类生长， 使水变澄清。 水域生态系统中，许多沉水植物如金鱼藻、苦草、微齿眼子菜、菹草和伊乐藻等，与 藻类之间相互作用复杂，包括空间竞争、营养竞争，分泌化感物质和改变周围的水体环境 等。 杨柳燕等【5 2 1 实验证明，中加低浓度的铜绿微囊藻能促进金鱼藻生长，高浓度则抑制 6 金鱼藻的生长，而铜绿微囊藻的密度始终处于下降趋势。对沉水植物而言，挥发性物质特 别是气味化合物可能是重要的化感物质。沉水植物化感物质的产生受“水华藻类的诱导， 采用铜绿微囊藻代替普通的绿藻，沉水植物产生化感物质种类更多，活性更强。 ( 7 ) 维持系统的稳定 维持人工湿地系统稳定运行的首要条件就是保证湿地系统水力传输，水生植物在这方 面起了重要作用。植物根和根系对介质具有穿透作用，从而在介质中形成了许多微小的气 室或间隙，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，使得介质的水力传输得到加强和 维持【1 4 1 。成水平进行的人工湿地处理污水的试验中发现【5 3 1 ，经过3 5 个月的污水处理后， 不种植物的对照土壤介质板结，发生淤积，而种有水烛和灯心草的人工湿地渗滤性能好， 污水能很快地渗入介质。植物的生长能加快天然土壤的水力传输程度，且当植物成熟时， 根区系统的水容量增大。 1 4 水生植物的筛选原则 根据生态学原理及低成本的要求，水生植物选种的原则是尽可能优先选用当地种，适 当考虑引进外来优良品种。同时，在选取水生植物时还要考虑以下几个方面的因素： 1 ) 具有较好的水质净化功能：水生植物对污水中的b o d 5 、c o d 、t n 、t p 主要是靠附 着生长在根区表面及附近的微生物去除的，因此应选择根系比较发达的水生植物。 2 ) 抗逆性强。抗逆性主要包括三个方面： 耐污能力。由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中并接触浓度较高且变化较 大的污染物，因此所选用的水生植物耐污能力一定要强，并且对当地的土壤条件和周围的 动植物环境都要有很好的适应能力。所以一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植 物。 抗冻、抗热能力。由于污水处理系统是全年连续运行的，故要求水生植物即使在恶 劣的气候环境下也能基本正常生长。 抗病虫害能力。污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害，抗病虫害能力直接关系 到植物自身的生长与生存，也直接影响其在处理系统中的净化效果。 3 ) 易管理。简单、方便是人工湿地生态污水处理工程的主要特点之一。若能筛选出净 化能力强和抗逆性均较强的植物，将会减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多麻烦。 4 ) 综合利用价值高。若所处理的污水不含有毒、有害成分，其综合利用可从以 下几个方面考虑： 作饲料。一般选择粗蛋白的含量 2 0 ( 干重) 的水生植物。 作肥料。应考虑植物体含肥料有效成分较高，易分解。 生产沼气。应考虑发酵、产气植物的碳氮比，一般选用植物体的碳氮比为2 5 3 0 。 5 1 ) 美化景观。由于城镇污水的处理系统一般都靠近城郊，同时面积较大，故美化景观 也是必须考虑的。 6 ) 考虑物种间的合理搭配。 为了增强污水处理系统的污染物净化能力和景观效果，有利于植物的快速生长，一般 在人系统中选择一种或几种植物作为优势种搭配栽种。根据环境条件和植物群落的特征， 7 按一定比例在空间分布和时间分布方面进行安排，使整个生态系统高效运转，最终形成稳 定可持续利用的生态系统。但也要考虑到不同种类的植物生长一起，不仅污染物净化能力 和景观效果差异较大，而且存在着相互之间的作用，包括两个方面：其一是对光、水、营 养等资源的竞争；其二是植物之间通过释放化学物质；影响周围植物的生长。 1 5 水生植物在污水处理应用中的难点 1 ) 水生植物的越冬 水生植物能有效地净化污水，但在实践应用中往往受限于水生植物的生长季节。在冬 季，大多数高等水生植物生长极其缓慢，一些挺水、浮水、浮叶植物死亡，其死亡的残体 易引起二次污染。例如，净化水体功能显著的水葫芦，由于不耐寒，在纬度高于3 0 度的地 区难以越冬，使得以水葫芦为功能主体的水体生态工程无法，极大地限制了其发展。为解 决这一问题，欧洲一些国家不惜花费巨资建立大面积人工气候室来维持水葫芦的周年生 长，虽然很成功，但费用太高，未能普遍推广应用【5 引。因此，探讨水生植物在冬季净化 能力，对进一步开发利用水生植物在净化水体中应用具有重要的现实意义。在实践中，可 以采取一些防寒技术。如王国祥等【5 9 l 采用覆膜和改变生态位的越冬技术，使喜早莲子草、 水葫芦等漂浮植物能安全越冬，并有效地改善了水体透明度，为沉水植物的生长提供了保 障。另外，还可让耐寒植物和喜温植物搭配应用。例如，李文朝【6 0 j 在富营养湖泊五里湖 中开展水生植物组建试验，在围隔试验区中，选用耐寒植物伊乐藻和喜温植物菱及水葫芦， 组建成了常绿型人工水生植物，这种常绿型人工水生植物不仅使试验区常年保持较好的水 质，而且对外来污染冲击有很强的缓冲能力。 2 ) 水生植物的资源化利用 在实际应用中，应对净化富营养化水体后产生的或因繁殖迅速而收割的水生植物加强 人为管理和后期开发利用，本着资源化利用的原则，使之变废为宝，形成一种良性循环。 例如，水葫芦曾经是国内外公认的净化水质最好的水生植物之一，但是由于水葫芦生长迅 速，甚至疯长，铺满整个水面，阻断了水体与外界空气的交换，若长时间不收割，就会降 低水中的溶解氧，造成水体缺氧，反而使水质恶化。另外，目前我国对收集后的水葫芦不 是作为垃圾处理就是随意丢弃，但这些处理方法都存在很大问题。因为水葫芦是一种有机 垃圾，含有大量的有机物质和从污水吸收的污染物质，一旦水葫芦腐烂溶解，这些污染物 又会重新进入土壤和水体，造成二次污染。据中国科学院上海科技查新咨询中心证实，上 海科研人员已研制成功将水葫芦变废为宝的新技术。即利用物理腐熟二次发酵技术，经过 凉干、物理腐熟、粉碎、添加辅料、造粒和检测等6 道工序，只需半个多小时就可将凤眼 莲转化成肥力充沛的有机肥料，整个生产过程不产生废气、废水、废渣。据了解，利用这 种技术将水葫芦转化成有机肥料，每吨成本只需1 4 8 0 元，而肥料售价约3 5 0 0 元，年产3 5 万吨的生产线可实现年销售收入1 2 2 亿元。 利用水生植物净化污水，它具有以下优点：成本低，能耗小，对环境扰动小，植物资 源可回收再利用，并获得一定经济效益，有较高美化环境价值，利于整体生态环境的改善。 正是因为这些显著的优越性，水生植物治理受污染和富营养化水体的发展和应用将具有很 广阔的前景。尤其对于包括我国在内的发展中国家，环境污染和生态破坏都很严重，水生 8 植物净化技术将是一种很好的污染治理手段。我国河湖水面宽广，利用水生植物的自然条 比较好。如能因地制宜，发展以水生植物为核心的净化系统，在污水处理过程中利用从污 水资源转化而来的生物能源和资源，这将是非常有意义的。 1 5 本试验研究目的与内容 1 5 1 研究目的 本论文课题来源于：南京市科技局专项科研课题小城镇生态环境建设与保护污水 处理厂建设工程示范项目。本论文研究的内容系该课题中的“水生植物的筛选及应用推 广关键技术及示范工程研究报告的部份内容。 南京市科技局专项科研课题小城镇生态环境建设与保护污水处理厂建设工程示 范项目，是以研发符合可持续发展原则的小城镇污水生态净化系统成套装置的示范工 程为目标的科研课题，污水生态净化系统成套装置示范工程建在南京汤泉镇，处理规 模为3 0 0 0 吨，日。因地制宜采用以高等水生植物为主，并加以人工强化，充分利用生 物的净化功能和多元生物的协同作用，最终达到污水净化和水资源回收利用的目的。 组合生态塘系统净化系统，主要由太阳能来驱动，并且在对污水进行深度处理的同时， 还可以回收资源和固定能源，加之处理过程，不使用化学品，也不会产生有害副产物， 是一种非常有潜力的“绿色一处理技术。处理设施由调节沉淀塘、生物接触氧化池、 水生植物净化塘组成，运用组合增效原理将不同技术与工艺进行优化组合后建立的生 物组合系统，不仅处理效果好、工程投资低、运行成本低，而且占地面积少，起到了 优势互补、组合增效的作用，是一套经济、高效的污水处理系统，具有较好的经济效 益和环境效益。 课题是针对水生植物在污水处理应用中应注意的问题，如水生植物的越冬及收割 等关键技术展开的，由于适宜在温暖季节生长的植物品种繁多，且治理富营养化水体的 效果显著，因此相应的研究较多，而对于寒冷季节水生植物净化水体的研究则较少。此外， 夏季水生植物生长旺盛，对水体的去污效果好，但一到低温季节，夏生水生植物将枯萎死 亡，不仅不能净化水体，反而引起新的污染。因此如何筛选高效植物品种，进一步提高植 物修复效率，尤其在低温季节提高植物修复效率，从而解决植物修复的周年循环问题，是 污染水体植物修复中必须解决的重要问题。筛选一些既能耐低温又能高效脱氮除磷的水生 植物，使其在秋冬季节仍能发挥净化水体的有效作用，从而建立一个完整的水生植物净化 富营养化水体的体系，避免因季节的变化导致水体水质出现明显波动，具有较大的理论意 义和现实意义。 利用植物修复技术清除水体中的氮、磷等是治理水体富营养化的有效途径之一。以往 对植物净化水体的研究多为通过测定水体中污染物质的浓度来判断植物对水体的修复作 用，而关于测定植物体内污染物含量来研究植物对水体中污染物的吸收积累效应的报道较 少，特别是关于植物不同器官对氮、磷的吸收积累效应研究报道更少。植物在水体中停留 一段时间后，会大量吸收水体中的污染物，因此需要及时打捞，使污染物从水体中移除。 对挺水植物整株移除存在一定困难，因而收割法多应用于水生植物修复水体，而如何收割、 9 何时收割是其核心问题。本研究以汤泉塘湿地系统的水生植物为例，通过研究根、茎、叶 各器官中氮、磷的分布特征及其在生长过程中的动态特征，来判定各器官去除水中污染物 的贡献度以及植物体内氮、磷积累量达到峰值的时期，从而确定收割的最佳方法及季节， 并对所选水生植物的水质净化潜力进行评价，以便为具有良好景观效果的挺水植物在水体 净化中的推广和应用提供参考依据。 在此研究基础上，以南京市汤泉镇水生植物污水处理厂为工程实例，通过组合生 态塘系统中各处理单元进出水质的监测，研究示范工程的运行特性。探讨整个生态组 合净化系统以及各个处理单元的净化效果、运行特性和稳定性，从而实现各个净化单 元的优化组合，进一步提高处理系统的净化能力，达到低耗高效稳定的最佳运行状态。 1 5 2 研究内容 1 ) 低温季节越冬水生植物对低、中、高三种不同污染浓度的污染水体的净化效果 研究； 2 ) 水生植物根、茎、叶各器官中氮、磷的积累分布特征及其在生长过程中的动态特 征，分析各器官去除水中污染物的贡献度以及植物体内氮、磷积累量达到峰值的时期； 3 ) 研究生态塘组合系统在南京汤泉镇污水处理中的应用情况，对工程设计参数及 其工艺特点作了重点介绍，为小城镇生态保护与建设污水处理厂提供技术支撑和示范 样板。 4 ) 生态塘组合系统各处理单元对不同污染物的去除特征以及所分担的去除率，为 优化组合两段工艺，合理分配两段污染物负荷，调节单元工况参数和单元工艺特性，达到 好氧处理段灵活、高效性和生态处理段低耗、稳定性的最佳结合作出理论依据。 l o 2 低温季节水生植物对污染水体的净化效果研究 对伊乐藻、微齿眼子菜、菹草、竹叶眼子菜、石莒蒲、德国鸢尾、灯心草、水芹菜和 石龙芮9 种耐低温的水生植物在低浓度、中浓度和高浓度下去除污染物的效果的对比研 究，分析它们在初春低温条件下净化水质能力的差异，从中比选出能适应逆境环境并能高 效净化水质的水生植物。 2 1 植物的选取 选取的越冬植物包括4 种沉水植物伊乐藻、微齿眼子菜、菹草、竹叶眼子菜，5 种挺 水植物石菖蒲、黑麦草、灯心草、水芹菜和石龙芮。 ( 1 ) 伊乐藻觑d 锄c 册口出船捃慨船 多年生沉水植物，营养繁殖，能耐受o 甚至冰点以下的寒冷，在人工栽培管理条 件下能一年四季正常生长。伊乐藻采自汤泉生态塘系统，剪取枝端1 0 c m 。 ( 2 ) 微齿眼子菜励f 口坍9 邸f d 拧聊口口c 后砌玎螂彳，眈朋 多年生沉水草本，无根茎，产于东北、华北、华东、华中以及西南各地，生于湖泊、 池塘等静水水体。采自无锡太湖。 ( 3 ) 竹叶眼子菜肋 绷哗幻疗聊砒泐2 埘坳 多年生沉水草本，产于我国南北各地，生于灌渠、池塘、河流等静、流水体。采自南 京江心洲。 ( 4 ) 菹草尸。幻聊9 妒幻刀叻埘 多年生沉水草本植物，广泛生于沟渠、池塘、湖泊等水体中。菹草生命周期与多数水 生植物不同，它在秋季发芽，冬春生长，4 5 月开花结果，夏季6 月后逐渐衰退腐烂， 同时形成鳞枝( 冬芽) 以度过不适环境。冬芽坚硬，边缘具有齿，形如松果，在水温适宜 时在开始萌发生长。菹草采自南京江心洲。 ( 5 ) 石菖蒲么c d ，淞纪栅加d w f & 办d 盯 挺水植物，四季生长，根系发达，生命力强，能分泌克藻物质抑制藻类生长。石菖蒲 采自南京中山植物园。 ( 6 ) 灯心草砌 c 淞芝加淞 多年生草本，常密集丛生：花期5 6 月，果期6 7 月。灯心草有8 属约3 0 0 种，分 布于温带和寒带，常生于湿地或沼泽边。灯心草采自南京江心洲。 ( 7 ) 德国鸢尾咖括班r 聊口玎泐厶 德国鸢尾原产欧洲中部和南部，我国广泛栽培。耐寒性强，长江中下游地区露地栽培 过冬时，地上茎叶不完全枯萎。耐干燥，宜在排水良好，阳光充足处生长。喜粘性石灰质 土壤，花朵硕大，色彩幽雅。 ( 8 ) 水芹菜傀朋砌咖 埘 挺水植物，多年生草本，对环境条件的适应性较广，抗逆性强，喜冷凉，较耐寒，适 于冷凉、短日照季节生长。以水芹菜构建生态净化工程来促进污水的净化，具有很好的环 境效应、生态效应和经济效应。水芹菜采自南京江心洲。 ( 9 )石龙芮r 册甜玎c 甜，螂卵p 彪，口f 驸 石龙芮为挺水植物，生长在田间溪沟，对环境条件的适应性较广，抗逆性强，喜冷凉， 较耐寒，适于冷凉。石龙芮采自南京江心洲。 2 2 植物的栽培 本项研究选择的植物包括4 种沉水植物伊乐藻、微齿眼子菜、菹草、竹叶眼子菜和5 种挺水植物石菖蒲、灯心草、德国鸢尾、水芹菜、石龙芮。 植物的栽培采用以下几种方法： 1 ) 挺水植物石菖蒲、德国鸢尾、水芹菜和石龙芮用同一型号的塑料周转箱( 5 0 0 i 砌 3 8 0 m m 3 0 0 l 】珊) 种植，每箱注入污水2 0 l ，另外用铁丝网格做支撑板，支在箱边沿，不 直接浸泡在污水中。在网格上上以“4 3 布局，每格放入底部有孔的一次性塑料杯，栽 入植物，植株根系通过中间小孔浸入污水中用海绵条加以固定，保证植株2 3 以上的根 系浸泡在污水中。 2 ) 沉水植物中伊乐藻、微齿眼子菜、菹草、竹叶眼子菜用同一型号的塑料小桶种植， 塑料小桶桶口直径为3 7 c m ，桶底直径为2 5 c m ，高3 0 c m ，容积约2 2 l ，伊乐藻剪取枝端 1 0 c m ，扦插于装满湿土的一次性塑料杯中，深约2 c m 。每一杯中种植3 4 棵伊乐藻，一 共1 0 杯放入桶中培养。微齿眼子菜、菹草、竹叶眼子菜均连根扦插于装满湿土的一次性 塑料杯中，深约5 c m 。每一杯中种植5 棵，一共5 杯放入箱中培养。 3 ) 灯心草用塑料小桶种植。 灯心草属于密集丛生植物，连根带少量的泥土直接植入桶中，种植密度约为桶口截面 的5 5 。 2 3 实验设计 2 3 1 实验用水 原水采用南京林业大学校区内的生活污水，原水浓度见表2 1 。将其稀释到预设浓度 范围后加入种有植物的容器。 表2 1 生活污水的水质 t a b l e2 - 1q u a l 埘o fw 饿w a t e r 根据其浓度，实验进水设置低、中浓度，并考虑到系统故障等突发情况，再设置一个 高浓度测定植物的耐高负荷冲击的能力，浓度值设定详见表2 2 。由于所取污水的浓度值 在一定范围内发生变化，所以配置的进水浓度也设置正负2 0 3 0 的变化值。 1 2 表2 2 进水污染物浓度 t a b l e2 2c o n c e n t r a t i o no f t t i et a s t e dw a t 盯 污水在在容器中的停留时间参考辛晓云【5 4 j 得出的5 天，结合l ，3 天和7 ，9 天后的 处理水浓度共同分析去除效果。 2 3 2 实验安排与方法 污水分为中营养、富营养和超富营养三个等级，相同条件下每种植物均设2 个平行 样，试验共设计5 4 组植物样品。另外，取不放植物的3 种营养等级的污水溶液作为空白 对比样品，同等营养条件下的空白也设2 个平行样。 将植物从产地取来后，先在实验室太阳光照条件下用自来水驯养5 1 0 d 。于2 0 0 7 年3 月2 日称取鲜重为3 0 0 9 的植物样，小心地用去离子水清洗根系( 切勿损伤根系) ，分别 植入每个容器中。试验开始后于第1 ，3 ，5 ，7 ，9 天取试验桶中的水样，分别测c o d c