（生态学专业论文）人工浮床不同采收方式对生物产出及水质净化的影响.pdf

m a s t e rt h e s i s2 0 l l u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn u m b e r ：5 1 0 8 2 6 0 1 0 2 0 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i 够 e f f e c t so fd i 虢r e n tc 甜i n gr e g i m e so n p r o d u c t i v i t ya n dp u r i f i c a t i o n m c t i o no f f l o a t i n g m a t sp l a n t s d e p a r t m e n t ：墨! 丛曼k 曼yl 垒坠q 垦墨堑= ! 垒! i 旦星垒坠鱼q 垒墨丝! b 曼墨曼垦鱼h m a j o r ：星昼q ! q 毂 r e s e a r c hf i e l d ：) 醴! ! 垒坠鱼曼亘曼q ! q g y s u p e r v i s o r ： a p p l i c a n t ： p r o f e s s o rx i u z h e nl i y _ u ej i a c o m p l e t e di na p r i l ，2 01 1 ，s h a n 曲a i ，c h m a 一 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文人工浮床不同采收方式对生物产出及水 质净化的影响，是在华东师范大学攻读额生博士( 请勾选) 学位期间，在导师 的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 华东师范大学学位论文著作权使用声明 人工浮床不同采收方式对生物产出及水质净化的影响系本人在华东师范 大学攻读学位期间在导师指导下完成的颤生博士( 请勾选) 学位论文，本论文 的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使 用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交 学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被 查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库 进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合 理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文 宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名丝亟本人签名亟! 匿 矽1 1 年了月砷日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 m v - r 、-， 、_ 0，：一 t 学位论文导师意见 本人负责指导震、阮同学的硕士学位论文，据我所知，除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过 的研究成果；经审阅认为该论文已达到我校硕士学位论文的学术水 平，同意该论文送审并答辩。 指导小组导师意见 本人参与指导显、 彰同学的硕士学位论文，经审阅认为该论 文已达到我校硕士学位论文的学术水平，同意该论文送审并答辩。 指导小组导师签名懂7 扎 、 _ ， v 1 酗士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 孝小耳苏攫华豫，吁衫六挲 至昂 i 达茛复雾矮缉刺千瓣 像乞蚕缸攫华釉币貉孕 hrk 、 - _ ， 峥一 y 一 摘要 水体富营养化问题已是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。聚焦长 三角地区水体治理难、富营养严重的问题，尤其针对陡直的水泥硬岸河道，恢 复自然岸滩和湿地经济代价巨大，鉴于人工浮床技术治理污染河流不受水位限 制，不造成河道淤积，只占水面不占地，可放可收易管理，还可以获得一定经 济和社会效益，特别是运行高效，因此对该技术开展相关研究，对我国水体富 营养化治理及水资源可持续利用具有重要的现实意义。目前，已有研究大部分 以静态实验或封闭水体小试验为主，较少涉及河道现场实验，且仅有的现场试 验，也只是局限于对浮床系统运行净化方面研究，而对浮床系统现场运行下的 管理研究较少。本文针对与采收管理相关的问题开展研究，以期寻求合理有效 的管理方式，对生物浮床高效运作具有重要的指导意义，可为该技术的高效应 用提供科学依据。 本文以空心菜为受试植物，采用野外实验和控制实验相结合的方法，对浮 床生物进行不同采收周期( 2 周间隔、3 周间隔、4 周间隔) 和留茬高度( 野外 试验为：1 5 c m 、2 5 c m 、3 5 c m ；控制试验：8 c m 、1 6 c m 、2 4 c m ) 处理。野外实验主 要通过观察分析植株新芽生长、生物量、茎叶比等变化，研究不同采收方式对 浮床植物生物产出的影响；控制实验是针对浮床生物不同采收方式对水质净化 效果设计的，主要通过对t n 、n h 4 + - n 、t p 、c o d c r 等水质指标的测定分析， 评价了不同采收方式对水质净化的功效。本论文主要研究成果如下： 不同采收方式对生物产出的影响 ( 1 ) 采收后的植物仍能够适应过水河道环境，并在其生长周期内持续生长。 经l l od 的生长，分枝数提高了近5 倍，最长根长2 7 c m ，平均根长1 5c m ，根系直 径达l lc m 。单株根鲜重可达1 4 6g ，每平米浮床根部可吸附颗粒物3 3 6 埏。 ( 2 ) 新芽生长速率随采收次数增多，均呈现先不断提高然后减小的趋势，变 化幅度为0 5 4 3 7 c m d - 1 ，对照组为1 6 3c m d 。适当采收能提高新芽再生速率。 单次收获生物量同新芽变化规律相似，即先逐渐增多然后减小，生物量增长速率 变化幅度3 8 3 3 7 9g m 。2 d - 1 。 ( 3 ) 从总生物量来说，每4 周采收1 次留茬2 5c n l 、3 5c m 组的生物量( 干重) 产出最高，达2 1 1 2g m 2 ；从茎叶比看，每2 周采收1 次3 个留茬高度，及每3 周采 “：， w r r一卜 y 1 商 收1 次留茬1 5c m 和2 5c m 方式收获植物茎叶比较佳；综合考虑产量和质量，及浮 床便捷管理，每3 周采收1 次留茬1 5c m 的采收方式效果最佳，此时新芽平均生长 速率1 8 8c m d ，平均茎叶比小于1 ，总生物量1 9 6 6g m ? 。 不同采收方式对水质净化效果的影响 ( 1 ) t n 含量在换水周期内随时间推移而不断降低。不论采收间隔，还是留茬 高度对t n 净化效果均有显著差异( p 0 0 5 ) ，即采收不影响系统对t p 去 除的效果。浮床对氮( 8 0 ) 的净化效果比磷( 6 4 ) 好。 ( 3 ) c o d c r 含量在换水周期内随时间推移呈不规则的上下波动变化。浮床系 统对有机物的净化效果不明显，浮床植株采收不会影响c o d c r 含量变化。 ( 4 ) n h 4 + n 浓度在换水周期内随时间推移不断降低。所有处理组对n h 4 + - n 的净化率在9 5 以上，甚至接近1 0 0 。采收方式不影响n h 4 + - n 的净化效果。 关键词：富营养化；生物浮床；空心菜；采收间隔；留茬高度；生物产出；水质 1 v1。 、 一 - ， a bs t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni sa h e a d yo mo ft h em o s tm a j o rw a t e rp o l l u t i o np r o b i e m si 1 1t h e w o r l dt o d a y 1 t sv e 叮h a r dt os o l v et h es e r i o u se u t r o p h i c a t i o np r o b l e mi i lt h e y a n 鲈z e r i v e rd e l t a d u et 0t h ec e m e me m b a n k m e n t ，t h ec o s ti se ) ( t r e m e l yh i g ht 0r e s t o r e n a m r a lb a n l 【sa n dw e t l a n d h o w e v e r ，n o a t 崦t r e a t m e n tw e t l a n d s ( f t c 粕。仃e rt h e a d v a n t a g e so f p r o v i d i n ge 舵c t i v et r e a t m e n t ，e a s ym a n a g e m e n ta n de c o n o m i cb e n e f i t s ， a n do c c u p y i n gw a t e rs u r 伍c eo n l y ，w i t h o u tb e 访gc o n s t r a i n e db yt h er e q u 心e m e n to f w a t e rd e p t h t h u s ，t h i st e c h n ol o g yh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 内rr e m i d i a t i o no f e u t r o p h i c a t e dr i v e ra n ds u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n t a tp r e s e n t ，m o s to f t h e e x i s t i n gs t u d i e sa r e 或a t i co rc 1 0 s e dw a t e rb o xt e s t s ，w i t h 佗wr i v e ff i e l d e x p e r i m e n t s t h eo n l yf i e l dt e s t sw e r ea l s oj u s tc o n f m e dt op u r i f i c a t i o n 如n c t - o n t h e r eh a sb e e n v e 巧l i t t l e i 1 1 f - o r r l l a t i o n p u b l i s h e d t 0d a t ea b o u tf t wp l a n t m a n a g e m e n ti nt h er i v e r t h ea ho ft h i sp 印e ri st os e e ke f r e c t i v ea r l dr e a s o n a b l e m e t h o d sf o rf t wm a n a g e m e n t ，w h i c hc a np r o v i d es c i e n t i n cf o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o no f t h i st e c h n o i o g y 与聊d p 口钾z | 讲阳w a su s e d 舔f t wp l a n t 证b o t hf i e l de x p e r i m e n t a t i o na n d c o m r o l e de x p e r h e n t a t i o nt oe v a l u a t et h ee 行i e c t so fd i f f e r e n tc u 仕i n g 丘e q u e n c ya n d s t u b b l eh e i g h t s w i t hf i e l de x p e r i m e n t a t i o mw ea s s e s s e dt h ee 脏c t so fd i 虢r e n t c u t t i i l gr e g i r i l e so nt h eo u t p u to ff l o a t i i l gp l a n t sb ya n a l y z m gs p r o m ，b i o m a s s ， s t e m - l e a fr a t i o ；w h i l ew i t hc o n t r o l l e de x p e r i m e n t a t i o 玛、ee v a l u a t e dt h ee f i e c t so f c u t t i i l gr e g i m e so nw a t e rp u r i 6 c a t i o n 如n c t i o n ，b ym e a s u r 堍t n 、n h 4 十一n 、t p 、 c o d c ri nt h ew a t e r t h e 眦i nr e s e a r c hr e s u h so f t h i s 咖d ya r ea sf o l l o w s ： t h ee f f e c t so fc u t t i n go np l a n tp r o d u c t i v i t y ( 1 ) a r e rc u t t i n gt h ep l a n t sc o u l dg r o wh e a l t h i l yd u r i n gi t sw h o l el i f e c y c l e t h e n u m b e ro ft i l l e r s 、v a s5t i i l l e st h a to ft h cm t i a lv a l u e ，w 曲t h el o n g e s tr o o t so f 2 7c m ， a v e r a g er o o t sl e n 西ho fl5c i i l ，a n da v e r a g er o o ts y s t e md i a m e t e ro fl lc m t h e 丘e s h r o o tb i o m a s so fs i i l g l e p l a n tw a s l4 6g ，w h i c hc o u l da d s o r b3 3 6 蚝s u s p e n d e d p a r r t 沁u l a t e sp e rs q u a r em e t e ro f f l o a t m gm a t ( 2 ) s p r o u tg r o 、玑hr a t e 、) v e n tg r a d u a l l yu pa n dt h e nd o 、v nw i t ht h ei n c r e a s eo f a tt h er 狮g eo fo 5 4 3 7c m d - li nd i 脏r e n tc u t t i n gt r e a t m e n t s ，c o m p a r e d 一，一 n - - ：， v ，一 w t h1 6 3c m d 1o fn o c u t t m g o n l ya p p r o p r i a t ec u t t i n gc o u l dp r o m o t es p r o u t 羽o 、n h r a t e t h ec h a n g eo fb i o m 懿sh a r v e s t e dr e s e m b l e st h a to fs p r o u t s ，柚dt h ea v e r a g e b i o m a s s 铲。叭hr a t ew a sb e t 、e e n3 8 3 3 7 9g m d 1 ( 3 ) c o n c e r n i n gt o t a lb i o m a s s ，t h ct r e a t m e mo fc u t t i i l ge v e r y4 、e e k s ，a n ds t u b b l e h e i g h t sa t2 5c m o r3 5c mc o u l do b t a i nm a x i m u mb i o m a s s ，a t2 “2g m - z ；c o n c e m i n g s t e m l e a fr a t i 0 ，t h et r e a t m e n t so fc u t t i n ge v e r y2w e e k sa n de v e r y3w e e k sw i t h s t u b b l eh e i g h t sa tl5c mo r2 5c mw e r eb e t t e rt h a no t h e rt r e a t m e n t s ；c o n c e r n i n gb o t h b i o m a s sa n dq u a l i t y ，嬲、v c na sm a n a g e m e n tc o n v e n i e n c e ，c u t t i l l ge v e u3 、e e l ( sw 曲 s t u b b l eh e i g h t sa t15c mw a st h eb e s t u n d e rt h i sc u t t 血gr e g i m e ，s p r o u tg r 0 、n hr a t e w a s1 8 8c m d 1 ，s t e m - l e a fr a t i ow a sl e s st i l a nl ，a n dt h et o t a ib i o m a s sw a sl9 6 6g 1 - 2 t h ee f f e c to f n o a t i n gt r e a t m e n tw e t l a n ds y s t e mo nw a t e rp u n 6 c a t i o n ( 1 ) t h ec o n c e n t r a t i o no ft nr e d u c e dw i t ht h et i m ep a s s i n g c o n c e m i n gc u t t i n g 仔e q u e n c i e sa n ds t u b b l eh e i g h t s ，t h ee 行e c t so ff t w o nt nr e m o v a lw e r ef o u n dt ob e s i g n m c a n t l yd i f f e r e n t ( p 0 0 5 ) f o rt pr e d u nw a sf o u n da m o n ga l lt h ct r e a t m e n t s t h e r e f o r e ， t h e r ew a sn oe 脏c to fc u go nt pp u r i f i c 灿n t h er e m 0 v a lr a t ef o rt n ( 8 0 ) i s 伊钮 硷l i ，j l t 、 - 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章前言l 1 1 选题背景与依据1 1 2 生物浮床应用的国内外研究进展2 1 - 3 问题的提出6 1 4 研究内容7 1 5 技术路线7 第2 章试验材料与方法9 2 1 研究区概况9 2 1 1 试验河段位置及气候条件9 2 1 2 试验河段污染现状1 0 2 2 试验植物1 0 2 3 河道试验设计。l l 2 3 1 试验装置11 2 3 2 试验设计1 2 2 4 控制试验设计一1 2 2 4 。l 试验装置1 2 2 4 2 试验设计1 3 2 5 试验指标测试1 4 2 6 数据处理方法1 5 第3 章不同采收方式对浮床生物产出的影响分析1 6 3 1 结果与分析1 6 3 1 1 植物生长情况1 6 3 1 2 不同采收方式对新芽生长的影响1 8 3 1 3 不同采收对生物量的影响1 9 3 1 4 不同采收的茎叶比变化。2 2 3 2 结论与讨论2 3 3 3 本章小结2 4 第4 章不同采收方式对水质变化的影响2 6 4 1 结果与分析一2 6 4 1 1 不同采收方式对t n 变化的影响分析2 6 4 1 2 不同采收方式对t p 变化的影响分析3 2 4 1 3 不同采收方式对c o d 变化的影响分析3 5 4 ，1 4 不同采收方式对n h 4 + - n 变化的影响分析3 6 4 2 结论与讨论3 8 4 3 本章小结3 9 第5 章总结与展望4 0 参考文献4 2 附勇乇4 6 致谢4 7 v 、r q q - 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 1 1 选题背景与依据 第1 章前言 长江三角洲包括上海、江苏沿江地区、浙江杭嘉湖地区及宁波、绍兴、舟山 三市，面积约9 9 6 万k m 2 ，总人口达7 4 0 0 多万，占全国人口的6 ；全区工农 业总产值达2 万多亿元，占全国的1 8 。长江三角洲是近年来我国经济最为活跃 的区域之一，以上海市为例，到2 0 0 7 年，g d p 已连续1 5 年以两位数增长，江 浙两省位于长三角的市县也是两省经济增长最快的地区之一。 改革开放以来，长三角地区的经济得到前所未有的快速发展，但随之出现的 环境污染问题日益突出，尤其是水环境问题，“水质型缺水”已成为制约该区经 济发展的一项限制因素( 车越，2 0 0 5 ；杨凯，2 0 0 6 ) 。该地区突出问题表现在： 中小河流的水质污染严重，尤其是城市河流，几乎都存在比较严重的有机污染问 题，水质远劣于v 类标准，出现季节性或终年的水体黑臭现象。京杭大运河在长 江三角洲范围内水质大多为v 类，尤以镇江段污染最为严重，劣于v 类标准，其 主要污染项目为b o d 5 、c o d m 。和挥发酚( 陈文瑞，2 0 0 1 ) 。浙江省平原河网8 4 的河段不能饮用，太湖流域8 0 河道污染，6 0 失去饮用功能。整个区域已呈现 “面状污染”的态势( 汪松年，2 0 0 2 ) 。近年随着环保整治力度的加大，污水处理 效率已大幅提高，全市城镇污水处理率达8 5 以上，但总体水平仍然堪忧，河流 干流水质基本良好，中小河流污染突出( 陈振楼，2 0 0 0 ) ，季节性或终年的水体 黑臭事件频发。对城市水环境整治与修复，已成为本地区环境保护的重大课题之 一，也是2 l 世纪全世界所必须面对的一项长期而紧迫的任务。 近年来，各地区政府不断加大河道整治力度，开展了截污治污、疏浚底泥、 综合调水、深化处理等一系列的整治工程，同时也尝试采用生物生态工程修复 的措施整治河道。生态修复或治理已成为许多城市水环境整治的重要任务( 张捷 鑫，2 0 0 5 ；郑天柱，2 0 0 2 ) 。传统的生物生态修复技术，主要有微生物制剂( 李 雪梅，2 0 0 0 ) 、河道曝气( 徐续和操家顺，2 0 0 6 ) 、人工湿地( 陈平等，2 0 0 7 ) 、 缓冲带( 王敏，2 0 l o ；周婷，2 0 0 9 ) 、氧化塘( 赵安娜，2 0 1 0 ) 、植物修复技术等。 然而，微生物制剂技术效果虽好，但高效微生物的选育需要较长时间，且净化效 果持续时间短，受温度影响大；河道曝气技术成本过高且治标不治本；人工湿地 第l 章前言 虽投资少、效率高、易管理但需要占用土地。对于很多“寸土寸金”的地区，可 以用来发展湿地处理系统的空间十分有限，且大部分河湖边坡已经被陡直的水泥 硬岸所代替，建筑物临水很近，如果强行恢复自然岸滩和湿地，将付出很高的经 济代价。许多水生或湿生植物如芦苇、香蒲、莲藕等，受水位限制，只能在一定 深度水域内生长，且容易造成淤积，阻塞河道；而浮水植物如水葫芦，浮萍等又 容易发生“疯长形成二次危害。因此，寻求适合城市河道治理的生物生态修 复技术成为河道治理的前提( 周晓红，2 0 0 9 ) 。 生物浮床( f l o a t i n gt r e a t m e n tw e t l a n d s ，或f l o a t i n g i a t s ，也称人工 浮岛，生物浮岛) 是一种新兴的人工湿地污水处理系统( h e a d l e y t a n n e r ，2 0 0 6 ， 2 0 0 7 ) ，它利用有机或合成材质作为载体漂浮于水面，其上栽植植物，用以形成 生物群落来改善水域生态环境( 马风有，2 0 0 7 ) 。浮床植物通过根部的吸收、吸 附作用和物种竞争相克机理，削减水体中的氮磷及有机、有毒物质，净化水质。 生物浮床技术，作为新兴的人工湿地处理系统，具有明显的优势，以其可放可收， 不受水位限制，不造成河道淤积，只占水面不占地，特别是运行高效，可为我国 经济发达地区水质的改善提供可能。如能在现有河流的基础上，辅加以生物浮床， 在不影响原有通航和灌排功能的前提下，将大大提高河流系统的净化潜力，为该 地区走出“水质型缺水”的困境找到解决途径，比单纯构建湿地公园更节约土地 和财力，因此更具推广价值。 1 2 生物浮床应用的国内外研究进展 生物浮床最早于1 9 7 9 年由德国建造( n a k a m u r a ，1 9 9 7 ) ，在9 0 年代中期被 日本科学家广泛认识，并应用于湖泊治理( 中村圭吾，1 9 9 9 ) 。我国生物浮床方 面的应用始于上世纪8 0 年代，当时叫“无土栽培”或“水面种青 ，由于那时水 污染问题尚不突出，这类生物浮床的目的还主要是为了利用水面获取饲料，为了 高产甚至还要添加化肥。从9 0 年代初开始，关于生物浮床的研究逐渐开始。这 项技术陆续被用于处理各种污水，主要有城市暴雨污水、暴雨下水道混合污水 ( v a n a c k e rje t a 1 ) 、生活污水( 舢hr 彰r n l o n gp ，2 0 0 3 ) 、酸性采矿尾水( s m 曲 m p & k a l i l lm ，2 0 0 0 ) 、养猪场废水( a s hr & t r u o n gp ，2 0 0 3 ；h u b b a r dr ke t a l ， 2 0 0 4 ；刘士哲，2 0 0 5 ) 、禽类加工废水及水库( g a r b 吡p ，2 0 0 4 ，程树培，1 9 9 1 ) 等等。有关基础研究如生物浮床设计技术、工艺研究等不断成形。还有很多关于 实际应用的案例，都收到很好的效果。 2 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 ( 1 ) 浮床植物的筛选 在不同浮床植物的筛选上，已有研究发现( 卢进登，2 0 0 6 ；余俊任，2 0 0 6 ； 张丽萍，2 0 0 8 ；黄田，2 0 0 7 ；李艳蔷，2 0 l o ) ，夏季应以水蕹菜、水葫芦、香根 草、美人蕉等较优，冬季以水芹菜、多花黑麦草、高羊茅为优。另一方面，要根 据目的水体的污染性质和污染程度，针对性地选择品种，必须要求该植物适合被 污染水体，完成正常的生长周期且有较大的生物量( 付子轼，2 0 0 7 ) 。林东教等 ( 2 0 0 4 ) 研究发现不同阶段生物净化效果有差异，可能与它们的生长状况、气候、 污水有机质、n 、p 含量等有关，是一个漂浮植物、微生物、水体以及植物根区 生理生态特性相互作用的结果。 程树培等( 1 9 9 1 ) 在缫丝工业排放废水的水体中无土栽培水蕹菜，经静态动态 和现场试验，结果表明：水蕹菜在去除废水有机污染物的过程中，有较强的适应 性。应用水蕹菜无土裁培技术在缫丝废水中，既可以净化污水，又具有经济效益。 刘士哲( 2 0 0 5 ) 等对养猪场废水种植美人蕉、风车草、香根草、水蕹菜、彩叶草等 几种植物进行了研究，观察植物生长状况以及对污水中氮、磷的净化效果，结果 表明，这些植物中的美人蕉、香根草、水蕹菜等在该系统中生长良好，并具有很 好的水质净化效果和广泛的应用前景。戴全裕( 1 9 9 6 ) 等运用水蕹菜净化啤酒和饮 食业废水，水蕹菜在食品废水中生长迅速。据估算，水蕹菜( 茎叶可食用部分) 的 亩产量可达5 0 5 5 k a 。若以市售最低价o 6 0 元l ( g 计，则每亩水面的经济效益为 3 0 3 3 元。经重金属分析，其含量与对照组无污染区的陆生水蕹菜处在同一水平 上。更进一步证明：水蕹菜不仅净化了水质，且经济产出可观，是生物浮床植物 的理想选择。 ( 2 ) 对水质净化能力的研究 氮、磷去除研究 对生物浮床关注最多的是它吸收过剩营养盐的能力。k a n s i i m e ( 2 0 0 5 ) 等在 乌干达以纸莎草为浮床生物，用来净化经过二次处理的生活污水，1 5 周后系统 对t n 和n h 4 + - n ( 入水浓度分别为9 0 和7 3 9 n 1 3 ) 的去除率稳定在8 0 9 0 ；对t p 和正磷酸盐的去除率在2 l 周后稳定到7 0 8 0 ，此系统净化能力优于传统的人工 湿地处理系统。s e k i m n d a 和k i w a 肌l ( a ( 1 9 9 8 ) 以芦苇做为浮床生物，对生活污 水的处理实验发现，n 时- n 去除率高达9 7 ，但对照组的n 吖- n 也降低了 9 2 5 。他们同时还发现，传统湿地处理系统比浮床系统对磷的去除能力要高得 多，原因可能是传统湿地基质砂石对磷的吸附作用。 3 第l 章前言 徐晓锋和郭永新( 2 0 0 7 ) 对水培净化系统的污水浓度响应进行了研究，发现 适当提高污水浓度有利于提高污水中t n 、t p 的去除效率。污水浓度对铵态氮、 磷酸根的去除率影响不明显。苏志烽等( 2 0 0 8 ) 的研究还发现，水蕹菜面积过大， 会影响水体中溶解氧的含量，需要在实际应用中加以注意。郭沛涌等( 2 0 0 7 ) 对 冬春季不同植物盖度的浮床研究发现，在黑麦草覆盖率为3 0 时，系统对 n h 4 + 。n ，t n 和t p 的去除率都达到最高，在植物覆盖率6 0 时，无论是净化率， 还是植物本身的生长参数，都不及低植物覆盖率的处理。孙连鹏等( 2 0 0 8 ) 运用 人工模拟水槽对春秋两个季节的美人蕉浮床净化效果进行了实验对比，发现秋季 的处理能力略有下降，但对n h 4 + - n 的处理能力在第四天仍达到了1 0 0 。周晓 红等( 2 0 0 8 ) 通过水培实验发现，重度采收有利于黑麦草生物量的累积，且能有 效提高系统对n 、p 等的去除能力。然而不同植物对采收的响应不同，关于采收 浮床植物对水体净化效果的研究，还需要开展更多的研究工作。 李海英等( 2 0 0 9 ) 对浮床水芹不同部分的n 、p 累积特征进行了研究，发现水 芹对n 、p 的积累主要集中在上部，占其吸收总量的9 0 以上；吸收n 量占系统 t n 去除量的4 7 ，吸收p 量占系统t p 去除量的1 8 2 2 。但周小平等( 2 0 0 5 ) 对空心菜和水芹的研究则发现，植物组织所累积的n 、p 量分别占各自系统去除 量的4 0 “4 。上述相差悬殊的研究结果，可能与不同的实验条件有关，这方 面还需要进一步的研究加以分析和验证。 c o d 去除研究 生物浮床对c o d 的降解能力不高，v r a n a c k e r 等( 2 0 0 5 ) 在比利时的研究发 现，该系统对c o d 的降低幅度在3 3 6 8 之间。r e v i t t 等( 1 9 9 7 ) 对机场化冰污水 的研究数据显示，浮床系统对c o d 的降解率只有31 。杨志峰等( y a n ge ta 1 ，2 0 0 8 ) 则发现，不管输入污染物的浓度负荷如何变化( 入水c o d4 2 6 9g m - 3 ) ，滞留期限 1 3 天内，出水c o d 浓度总维持在3 5 4 0g m ? 之间。通过“微曝气+ 生物浮床” 的系统改进，可以把c o d 的处理能力提高到7 0 以上( 李海英，2 0 0 9 ) 。尽管水 蕹菜对污水中化学需氧量( c o d ) 的去除没有影响，适当提高污水浓度也有利于提 高c o d 的去除率( 徐晓锋和郭永新，2 0 0 7 ) 。 微生物方面的研究 在生物浮床的微生物研究方面，吴伟等( 2 0 0 8 ) 在池塘水体中构建以空心菜为 试验植物的浮床植物系统，研究了其对池塘水体中微生物的数量、分布以及氮循 4 z “ 华东师范大学2 0 “届硕士学位论文 环的影响。发现浮床植物系统可明显改变池塘不同水层中细菌和真菌的数量，实 现不同生理类群的微生物在水体同一水层的共存。魏瑞霞等( 2 0 0 9 ) 发现温度较高 时可用植物和微生物共同结合的生物修复技术修复水体污染；秋末冬初温度较低 时，植物开始死亡，必须将植物收割，以免植物残体造成二次污染，此时可用固 定化氮循环细菌( i n c b ) 和水体中原有微生物相结合来修复水体的污染。 胡绵好等( 2 0 0 8 ) 对水芹和豆瓣菜浮床的研究发现，植物氮代谢酶的活性与 水体中t n 、n h 4 + - n 、n 0 2 。- n 的去除存在显著的相关性。胡绵好等( 2 0 0 9 ) 还研 究了浮床植物单作和混作对氮的去除效果及其根际周围硝化与反硝化菌种群数 量，认为混作比单作更有利于水体中n 的去除，而且硝化细菌种群数量与硝化 作用速率存在显著的正相关关系；范洁群等( 2 0 1 0 ) 以多花黑麦草为浮床生物，研 究了n 循环细菌随植物生长和水质的变化，发现黑麦草浮床系统有效提高了n 循环细菌的数量和细菌群落的多样性。刘娅琴等( 2 0 1 0 ) 还研究了生态浮床对富营 养化水体中浮游生物群落的影响，认为框式复合型生态浮床可以通过去除水体中 的营养物质，有效抑制水体中浮游植物的数量。陈立婧等( 2 0 0 8 ) 研究发现，人 工浮岛的建立在一定程度上调控了受污染河道中的浮游藻类群落种群结构和生 物量，使水体生态系统向良性方向发展。浮床植物系统可明显改变池塘不同水层 中的细菌和真菌的数量，促进水体的氮循环，提高水体的自净功能( 吴伟，2 0 0 8 ) 。 以上研究都是基于控制实验的，野外过水条件下大面积浮床系统的长期运行 效果尚无报道。 ( 3 ) 浮床技术应用的工程实例 浮床技术也有用于治理污染河道的尝试，成效显著但野外开展的研究尚存在 很多问题。较早的现场实验是戴全裕等( 1 9 9 5 ) 在太湖入湖河道所做的水蕹菜、金 针菜、丝瓜和风眼莲+ 水稻四级串连实验，对t n 和t p 的总体净化效果可达到 8 4 ，研究认为串联级数过少，水质难以有效改善，但是串联级数过多，又会因 水体中营养盐不足而导致后级植物生长不良，甚至萎缩或死亡，引起二次污染。 张彦海等( 2 0 0 9 ) ，以长江次级河流临江河为研究对象，利用美人蕉四级串联浮床 系统净化重污染次级河流。研究结果表明，当进水t n 、t p 、n h 4 + n 、c o d 分 别为7 8 1 2 1 、1 0 6 1 8 9 、4 8 8 7 、2 9 4 6m l 时，美人蕉生长状况良 好。与单级相比，去除率提高了2 7 3 3 、3 5 6 9 、1 6 1 5 ，其中t n 和n h 4 + n 的去除率最高达到了8 0 3 9 和9 4 4 5 ，并且t n 、n h 4 + n 的去除与温度正相 关。为利用美人蕉浮床技术净化河流水体提供了一定的依据。由文辉等( 2 0 0 0 ) 的 第l 章前言 现场实验研究只对水蕹菜和水芹菜通过采收带走的营养盐量进行了估算，没有监 测实际的野外水体污染净化效果。 杨婷婷等( 2 0 0 7 ) 在原位围隔条件下运用高羊茅浮床进行了冬季重污染河道 的净化实验，探讨了不同覆盖率浮床对净化效果的影响，发现3 0 的浮床覆盖率 已经能够达到较高的n 、p 和c o d 去除效果，进一步提高覆盖率对净化能力的 增加幅度有限。这为冬季重污染河道水体水质改善提供了科学依据。李英杰等在 ( 2 0 0 7 ) 太湖五里湖示范区的研究表明，湖滨工程区内营养盐的浓度被大幅度消 减，工程区内外透明度分别为8 0 1 2 0 m 和4 0 5 0 c m ，浊度分别为1 5 9 n t u 和 5 3 4 n t u ；河口段浮岛边营养盐去除率为t p5 1 8 6 、t n3 9 6 4 、n h 4 + - n 6 6 9 2 ， 浮岛撤除后，河口的净化效果变差，其对营养盐的去除率仅为t p1 8 2 、t n 9 2 、n h 4 + - n2 7 8 。操家顺( 2 0 0 6 ) 等人的研究涉及到野外河道小区实验，但由 于示范河道水量交换大，只能通过示范区内外河道几个水质参数的简单对比说明 问题。研究表明示范区内的几乎所有水质指标都优于示范区外的河道。他们认为 河道水体交换量大，使净化效果不如静态实验明显。高阳俊等( 2 0 0 9 ) 在大清河入 滇池河口的实验表明，组合生态浮床对水体中c o d 、t n 、t p 的面源污染负荷去 除率分别达到4 0 1 5 、5 0 o 、5 4 4m ( m 2 d ) ，年平均去除率分别为5 1 6 、4 2 和7 9 1 。杨飞等( 2 0 0 9 ) 的研究表明，冬季水芹浮床对城市劣v 类水河道中t n 、 n h 4 + - n 、t p 和c o d 的平均去除率分别为l o 6 ，1 3 3 ，8 5 和1 2 8 。陈家 长等( 2 0 l o ) ，研究浮床栽培空心菜对集约化养殖鱼塘的净化作用，取得了一定效 果。通过4 次收获，空心菜产量可达6 9 6 1 8 7 31 6 lk h m - 2 。空心菜覆盖率为 l o 和2 0 处理组通过收获空心菜直接从lh m 2 养殖池塘中移出的t n 分别为 2 7 5 l 、5 2 3 5 蝇，t p 分别为2 8 3 、5 3 9 蝇。与对照塘相比，处理塘鱼类成活率 明显提高，说明采用浮床栽培空心菜能够促进水体物质循环，加强水体自净功能。 总体而言，浮床的野外推广应用和相关的实验研究已越来越多，与之相关的 基础研究也越来越需要跟上。 1 3 问题的提出 已有研究大部分以静态实验或封闭水体小试验为主( 屠清瑛，2 0 0 4 ；周晓红， 2 0 0 8 ) ，较少涉及河道现场实验，且仅有的现场试验( 高阳俊，2 0 0 9 ；李英杰， 2 0 0 7 ) ，也只是局限于对浮床系统运行净化方面的研究，而对浮床系统现场运行 下的采收管理研究，报道较少。若能定期采收，一方面不仅能促进营养盐不断从 6 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 水体输出，有效地避免对水体造成二次污染，另一方面还会有一定的经济产出。 倘若浮床植物被采收，采收补偿可能使短时间内生长加速，或可增加对营养元素 的吸收，但相对较小的生物量，