（环境科学专业论文）人工湿地富营养化水体的生态修复研究.pdf

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浮萍在室内条件下的生长规律 . 17 2.4.2 浮萍对氨氮的降解分析 . 19 2.4.3 浮萍对总磷的降解分析 . 22 第第 3 3 章章 水葫芦降解氮磷的研究水葫芦降解氮磷的研究 . 26 3.1 材料与方法 . 26 3.1.1 实验材料及仪器设备 . 26 3.1.2 实验方法 . 27 3.2 水葫芦对氮磷降解能力分析 . 27 3.2.1 水葫芦对氨氮降解实验结果与分析 . 28 3.2.2 水葫芦对磷降解实验结果与分析 . 29 第第 4 4 章章 湿地富营养化水体的生态修复示范工程项目湿地富营养化水体的生态修复示范工程项目 . 31 4.1 示范区工程情况 . 31 4.2 示范区建设的阶段工作 . 39 4.2.1 示范工程相关任务 . 39 4.2.2 示范工程的时间分段进展情况 . 40 第第 5 5 章章 结论结论 . 44 5.1 实验室培养实验 . 44 5.2 生态修复示范工程区 . 44 5.3 问题与展望 . 45 参考文献参考文献 . 46 致谢致谢 . 52 攻读硕士期间发表文章攻读硕士期间发表文章 . 53 山东师范大学硕士学位论文 i 人工湿地富营养化水体人工湿地富营养化水体的生态修复研究的生态修复研究 摘要摘要 工农业生产、人类生活、社会发展等各类人为活动，都向水体环境中排放大量的废物， 含有氮磷的废物进入水体会破坏原有的水体环境。如果排入水体的氮磷量过大，超出水体 降解、缓冲能力，便会引起水体富营养化现象产生。富营养化的水体可使水体生态系统发 生改变，继而使水体中的生物个体、种类、种群不同级别上发生变化，甚至使生物无法生 存，最终也会危害到人类身体健康。消减水体中氮磷的方法、措施很多，有物理方法、化 学方法和生物学方法。相对前两者，用生物降解水体有机物学方法，具有经济、高效、处 理水量大、处理范围广等特点，近年来应用发展很快，成为降解有机污染物、防止水体富 营养化发展得越来越的重要的技术手段。湿地具有多种功能，作为地球的“肾” ，其富营 养化的治理刻不容缓。 本工作通过在温控条件下对两种浮萍、水葫芦以及其他水生植物的培养和水质降解实 验，得出如下结果： 1、不同浓度氨氮和总磷对浮萍和水葫芦的促进作用不同，在适宜的条件下，浮萍和 水葫芦的生物量增长很快，且有较高的降解氮磷能力。 2、两种浮萍对不同浓度氨氮和总磷都有较强的降解能力。在试验期内(持续 20 天)， 紫背萍对氨氮的去除率为 46.5%83.3%，对总磷的去除率为 46.5%83.3%；本地本地小 叶萍对氨氮、总磷的去除率分别为 56.2%98%和 28.8%83.3%。两种浮萍对氨氮的去除 表现出先快后慢，对总磷的去除符合一级动力学方程，具有很好的相关性。 3、水葫芦对水体中的氨氮和总磷都有将较强的去除能力，在试验期内（持续 30 天） ， 水葫芦对氨氮的去除率为 78.2%88%，对总磷的去除率为 56.3%96%，降解能力稳定， 符合一级动力学方程。 通过实验室培养、测定和现场栽植培养生长情况，确定了示范工程区应用的生物种类 和配置模式，配合微生物附着陶粒产生生物膜建立了人工浮岛湿地污水生物降解示范区。 “浮岛”的构建基于微生物和浮水植物为主体，再配以其他几种高等水生植物，形成立体 山东师范大学硕士学位论文 ii 式富营养化污水处理、防治体系，让污染水体流经“浮岛”后，产生持续有效的处理效果。 从当地湿地水体水质的测定结果来看，示范区工程初步成功，可为在其他地区湿地富 营养化水体处理提供依据。 今后的工作重点应继续进行微生物与不同植物水生植物联合应用时的降解效率分 析，并就其可能产生的次级污染进行研究和找出早期的诊断方法，防微杜渐，一定做到及 时发现，及早处理。 关键词：关键词：富营养化；生态修复；湿地；浮萍；水葫芦；氨氮；总磷 分类号：分类号：x52 山东师范大学硕士学位论文 iii the research on the ecological restoration of the artificial wetlands eutrophic water abstract social development and humans production or life will cause environment pollution.a large number of nutrients as nitrogen and phosphorus pour into the water.once more than the self-purification capacity of water will lead to eutrophication. the eutrophication occurs not only makes the creatures can not survive in water,but can cause great harm to humans.compared to the physical and chemical methods,biological methods have increasingly become an important force for eutrophication.earths wetlangds as “kidney”,the eutrophication can not be delay. under greenhouse conditions by the two duckweed, water hyacinth and other aquatic plants and water quality testing training, come here the following conclusions: 1, different concentrations of nitrogen and phosphorous on duckweed and water hyacinth to promote the role of differences in the under proper conditions, duckweed and water hyacinth biomass increased rapidly, and a higher ability to degrade nitrogen and phosphorus. 2, the duckweed on the concentration of nitrogen and phosphorous with different degradation have a strong capacity in 20 days, the local leaf duckweed removal of ammonia nitrogen and total phosphorus were 56.2% 98%, 28.8% 83.3% duckweed spirodela removal of ammonia nitrogen and total phosphorus were 46.5% 83.3%, 27% to 79%, duckweed removal of ammonia slow down after the first of the first order kinetics of phosphorus removal equation, with good correlation. 3, the water hyacinth on the different concentrations of ammonia and total phosphorus has a strong degradation capacity, removal efficiency and stability, a kinetic equation. through this research area index determination and the completion of demonstration projects, screening out the right variety of microorganisms and aquatic plants for the demonstration project to provide a theoretical basis and aquatic plant material. floating 山东师范大学硕士学位论文 iv islands floating construction of microorganisms and plants based on duckweed and water hyacinth in the three-dimensional eutrophication control system so that contaminated water flows through the floating island, the resulting effect of sustained and effective treatment. from the local wetlands determination of water quality results, the initial success of project demonstration area, as in other regions has contributed to the promotion. has not been done in laboratory conditions and plant microbial degradation when co-culture experiments; emergent plants are strong degradation of pollution, the future is to develop emergent plants in the floating island in the application; of aquatic plants may be caused by two residues second pollution to take certain measures; for duckweed and water hyacinth in the local biological invasion may be caused by a high degree of attention as a preventive measure, must be timely detection, early treatment. key words：eutrophic water, ecological restoration， wetland, duckweed, water hyacinth， ammonian， total phosphorus category number: x52 山东师范大学硕士学位论文 1 第第 1 章章 前言前言 1.1 课题来源及研究意义课题来源及研究意义 本研究是国家重大课题专项，水体污染控制与治理科技重大专项，2008zx07209 006 子课题项目北运河下游湿地水体的高效微生物降解和植物修复研究。 通过对 北运河下游湿地的高效微生物降解和植物修复的研究，筛选适合降解北运河湿地水体有 机物的微生物和水生植物种类，为保障北运河下游污灌区水污染得到控制及河道水质保 持提供技术支持。针对富营养化水体的高效土著微生物结合载体的吸附降解，能很好的 降低水体氮磷含量，结合湿地土著水生植物的修复功能，进行合理配置和工程建设，为 北运河下游自然湿地生态恢复的人工调控提供科学依据。 本研究就是在实验室条件下模拟北运河水质状况， 主要通过浮萍、 水葫芦 （凤眼莲） 、 芦苇以及香蒲对营养液氨氮、总磷的降解测定，为示范工程提供理论支持。 中国淡水资源约占世界淡水资源的 6%，排名世界第四，总量达 28000 亿 m3，但人 均占有量相对较低，约为 22002300 m3，为全球人居占有量的 14 左右，排名第 121 位。加之我国地域广袤，降水量差别很大及工农业发展不均衡，致使很多城市尤其是北 方大城市处于严重缺水状态。在缺水的同时，由于近几十年来经济的发展，我国工农业 发展水平和人民生活水平都大幅度进步，随之而来的是大量污染物排入环境，包括工业 “三废”排放、农业农药化肥的滥用以及生活污水和医疗废水的乱排乱放，使我国很大 部水环境遭到不同程度的破坏，甚至有些区域水质已失去应用价值。当进入自然水体外 源物质超出水体的缓冲能力时，原来的水环境就会发生变化，污染即会发生。氮磷等有 机营养物质排入江河、湖泊、湿地时，引起浮游生物大量增加并使水质迅速变坏，水域 的生态系统发生明显的变化，因此，水体富营养化的防治与治理迫在眉睫。1 1.2 水体富营养化水体富营养化的成因与现状的成因与现状 1.2.1 水体富营养化的水体富营养化的概念概念和成因和成因 人类的生产、生活活动产生的大量含氮磷等营养物质，排入水流较为缓慢的湖 泊、海湾、河流等水体，在外界综合因素的影响下，藻类和其他浮游生物由于养分充 山东师范大学硕士学位论文 2 足，繁殖量大，开始覆盖整片水域，从而引起水体溶解氧量减少，到一定程度时，水中 的鱼类等水生生物窒息而死，严重时还会发生“水华”现象，水体生态系统遭到严重破 坏，使渔业、养殖业等经济效益和整个水域及相邻生态系统都产生重大损失。2 在自然状态下（如火山爆发等） ，也会有一定量的营养物质进入水体中，通过水体中 微生物和水生植物等的分解吸收，经过一段时间后，流入水体的污染物浓度减低或者被 全部吸收分解，不会对生物和水体产生危害，这种水体具有的自然缓冲能力即为被水体 的自净作用。富营养化的产生最主要的原因是人类的活动，过量的污染物排入水中而又 超出水体的自净能力时，富营养化便容易产生。 引起水体富营养化的水体污染的物质，其来源可分为两类：一是自然污染源，一是 人为污染源，而后者是引起水体富营养化主要原因3。自然污染源系指自然界的地球化 学异常所释放的物质使水体造成的自然污染，这种污染源具有持久性、长期性的特点， 但一般多发生在矿区及其周围有限的区域内。当前造成水体富营养化严重的是由于人类 活动所产生的污染物排放到水中造成的污染，即人为活动产生的污染。 （1）工业生产、城市生活污水 近年来，工业生产迅猛发展，城市人口增多，排放污水的量也不断增加，因而水体 富营养化时间频频发生。另外，我国工业生产为粗放型模式，耗水量非常大，万元产 值耗水量为发达国家 10 倍左右， 大量未经处理的工业、 生活废水直接排入水体， 湖泊、 河流富营养化频发，甚至一些出海口也发生了“赤潮”现象。4 （2）农业生产污水 21 世纪以来，我国农业使用化肥、农药总量是上世纪的一倍多，人们对化肥、农药 过度依赖和过量使用，大量的未经利用、吸收的化肥、农药随地表径流或排灌渠排入水 体中。 农业用水是非重复用水，加之我国大部地区的灌溉方式仍是漫灌，因此农业用水 的量相当大，有时比工业用水量还要大，所以农业废水是也造成水体富营养化的主要因 素。 （3）宣传力度欠缺，人们的环保意识淡薄 我国于 1989 年 12 月 26 日颁布了中华人民共和国环境保护法 ，之后又有许多相 应的法律法规出台。但由于科普宣传不够，民众的环保意识相对淡薄，且监管监督力度 也不够， 结果于上世纪 90 年代各地相继建设了许多污染严重的企业， 如想罗棋布的造纸 企业，出现了“肥了一厂，害了一乡”的怪现象，部分企业单位的舞弊作假现象也屡见 不鲜，逐渐导致附近水体污染加重，富营养化泛滥。5,6 山东师范大学硕士学位论文 3 1.2.2 富营养化水体的危害及富营养化水体的危害及现状现状 水体发生富营养化后，水体中的氮、磷、钾、碳等营养元素增加，使藻类和其他浮 游生物在水体表面加速生长以致覆盖整个水面，耗去水中的溶解氧，水体中的溶解氧量 下降，某些藻类甚至产生毒素（如甲藻） ，使其他水生生物因缺氧窒息死亡，直接破坏了 水生生态系统，影响经济效益，同时对人类健康造成危害。水体富营养化加剧水资源危 机，破坏生态平衡，威胁饮用水安全，并造成重大经济损失。 上世纪 30 年代人们第一次注意到水体富营养化现象，发展到今天，全世界范围内 30%40%湖泊水库都不同程度发生了富营养化现象。富营养化现象也开始发生在许多 大型河流上，比如尼罗河和莱茵河下游。关于水体富营养化问题，不少国家都有报道， 如日本、加拿大、印度、芬兰等，报道较为细致的属美国7。水体富营养化引起浮游生 物大量增加， 尤其带来的次级环境问题已成为全球性的问题， 它不仅使水体的水质腐败， 一些藻类产生的毒素还可引起禽类、畜类及人类患病，我国及其他国家的科学家对有毒 藻类进行了研究8。 u.s. epa 生态学专家将美国划分为 14 个生态区域，并对这些生态区域中河流的营 养素含量进行了测定，计算出了中间值。dodds 等人根据美国测定发表的研究结果表明： 这些生态区域中有 12 个生态区域，其 90%的河流营养素超过了先前计算的中间值，其 平均总氮含量超过中间值的 5.5 倍，平均总磷含量超过中间值的 3 倍，富营养化程度比 以前危害严重，dodds 等人保守预计，美国每年由于水体富营养化原因造成的经济损失 可高达 40 亿美元9。 山东师范大学硕士学位论文 4 图 1 富营养化危害 (walter k dodds , 2008) 2008 年国家环保部中国环境状况公报报告水体污染部分可知，目前中国的地表 水污染相当严重。对长江、珠江、松花江、黄河、淮河、海河和辽河为进行氨氮指标监 测，结果表明：海河和辽河达重度污染，黄河、淮河达中度污染，以往水质较好的松花 江也已达到轻度污染状态， 只有珠江水质总体上还保持良好状态。 对我国 28 个重点湖库 水体中的总磷和总氮进行测定结果表明，其中达劣类水质湖库占总量的 39.3%，达 11 个， 为类水质的湖库占到 21.4%，为 6 个， 类水质的湖库占 7.1%；有 2 个，其中 类水质的湖库有 4 个，占 14.3%，所有胡库的水质均为达类水质标准，可见水体污 染的严重程度。通过 26 个湖库的营养状态指标测定，达重度富营养化的占 3.8%，有 1 个，达中度富营养化的占 19.2%，为 5 个，轻度富营养化的有 6 个，占 23.0%10。 著名的云南滇池，昔日清澈的水面已不见，表面藻类、水葫芦疯长，致使水体处于 于重度富营养化状态，失去了旅游景观的意义。其他河流水域如著名的广东珠江、长江 源水汉江也相继出现了“水华”等富营养化的现象11。 1.3 水体富营养化的水体富营养化的生态修复生态修复及生态修复工程及生态修复工程 避免水体富营养化产生，关键是要控制污水的排放，工厂废水、城市污水一定要经 过预处理和分类排放。 而控制废水排放进入河流湖泊， 既减少外源性物质进入需要政府、 企业的共同努力，应采取的措施：指定和完善相应环境保护法律法规，加强环境保护宣 传，严格控制污染物排放，推动生态农业发展等。 水体具有自我净化能力，在一定程度内靠水体的自净能力即可将外源污染物的浓度 山东师范大学硕士学位论文 5 降低，但外源性物质的里昂超过水体的自净能力时，通过水体的自净能力已经不能使水 体环境恢复，这就需要增加人为活动的进行水体修复，以减少污染水体中的营养物质， 是水体恢复达到原有状态，维持水体的原有平衡。常采取的水体修复方法主要有物理方 法、化学方法和生物方法三种，而以生物学修复方法效果最好。 水体富营养化的物理方法修复较简便、易操作，但常用到一些设备，其过程包括人 工曝气、稀释、流水冲污、过滤、河道疏浚等措施。化学方法修复措施要用到化学药品， 主要是添加化学药剂和吸附剂，通过改变水体酸碱度，氧化还原电位等，水体中有机质 和悬浮物质通过被吸附等过程而降低12。物理方法和化学方法不足之处是往往成本过 高，一般也不能在原地修复，且对大型水体难以操作，效果也不明显，因此生物修复以 其优点开始被广泛应用，而且效果显著。 1.3.1 水体富营养化的水体富营养化的生物生物修复修复概述概述 产生富营养化的河流、湖泊一般具有水量巨大、影响因素多等特点，因此，其修复 过程只能在污染区域的原位进行，传统的限定在反应器中进行修复的及人为设定控制修 复条件的物理、化学方法已不适用。生物方法修复污染水体避免了物理化学方法修复水 体的缺陷，其优点是成本低、设备少、技术简单、运行费用省、效果显著，最关键的是 它可以修复大的水体，且不易引起二次污染等，因此生物方法修复污染水体越来越成为 人们研究的热点。 水体富营养化的生物修复，有时也称作生态修复，指的是通过利用特定的微生物、 水生植物以及部分水生动物对水体中营养素的降解、吸收和转化，使富营养化的水体中 的有机物浓度逐渐降低，并逐步恢复水体的功能，最终消除水体污染，恢复水生生态系 统，生物修复可自发或人工设计建立并受控13。 生物修复利用到各种生物材料，其中微生物是有机污染物的主要的分解者，微生物 种类、活性、新陈代谢速率是生物修复效能的的关键环节。其他水生植物如水葫芦（凤 眼莲） 、浮萍、芦苇、香蒲等对氮磷等造成富营养化的营养素吸收降解能力都很强，尤其 是凤眼蓝对氨氮的吸收可达到 98%14。另外水生植物的根部区域系统是微生物良好的载 体，容易使微生物聚集，从而在特定位置建立生物修复带，达到可以控制的目的。 山东师范大学硕士学位论文 6 1.3.2 生态修复技术生态修复技术 生态修复是通过调节、改变环境生态因子，实现对污染物所处环境介质的调控，发 挥生物的降解净化功能。富营养化水生态修复一般采用的是原位修复技术，即在富营养 化水体中直接进行原位治理15。 生态修复过程的核心是从污水中筛选出特殊、高效的微生物，并通过人工培养、复 壮等措施，是微生物的降解效能达到最佳，然后在在人工创造的适宜条件下，降解水中 污染物以达到恢复水质的目的。同时在水体中配其他具降解能力的大型水生植物以增加 降解效果，使逐渐恢复水体的自净能力，达到生态系统恢复的目的。 目前，国内外实际应用的生态修复技术主要有：投菌技术、人工浮岛技术、人工湿 地技术和生物膜技术三种。 投菌技术投菌技术 被污染水体发生富营养化时，水质恶化，往往是由于水体中没有或只有少量可降解 污染物的微生物，其降解速率低，水体自净达不到的水质恢复的效果。或因为这些微生 物或者因为捕食或竞争而不能大量繁殖，或者因为水体环境不适宜微生物大量繁殖。因 此，投入足够数量的外源菌技术技术开始广泛应用。将本地微生物筛选培养或是培育高 效微生物投入水体中，同时通过人工控制水体环境，如温度、溶解氧、ph 等因素，改变 营养条件，微生物则会快速繁殖，数量激增，降解能力随之快速增加，使水体生态系统 得以恢复。 国外投菌技术的研究取得不少成果，其中具有代表性的是由美国 alen murray 公司 分离和研制出的活性有效微生物菌的 clea-rflo 系列微生物菌剂和日本琉球大学比嘉照 夫教授研发的新型复合微生物活性菌剂 em(effective microorganisms)。西班牙瓜达拉哈 拉城郊俱乐部就利用 clear-rflo 系列菌剂治理发生富营养化的池塘，治理后效果显著， 其中bod降低了97%， cod降低了85%， ss 总量降低了 98%， 磷酸盐总量降低了 69%8。 国内这项技术的研究发展缓慢，但目前为止我国学者已经对硝化细菌、光合细菌等以及 它们组成的复合微生物进行了研究，在治理富营养化水体方面效果理想16。 人工浮岛技术人工浮岛技术 山东师范大学硕士学位论文 7 人工浮岛技术是在富营养化水体中设置各种形式的漂浮物体组合，称人工浮岛。在 浮岛上种植各种具降解有机物能力治理或漂浮水生植物，通过水生植物根系及茎叶等结 构对氮磷的吸收，达到生态修复的目的。一般同时结合投放降解污染物的微生物，建立 立体式浮岛17。在水下通过载体附着微生物，产生吸附降解有机物的生物膜。植物的庞 大根系也可以在载体中扎根，更有利于微生物的繁殖。在浮岛四周栽植挺水植物，如香 蒲、芦苇、美人蕉、花叶竹、旱伞草、千屈菜等，浮岛中心位置放养水葫芦、浮萍、睡 莲、大漂等等浮水植物。由于这些植物的存在，吸引了许多水生动物，这样在水体中就 建立起一个小型生态系统，水生动物可食浮游藻类，降低了藻类的生物量，抑制水面藻 类的过度繁殖，形成一个微生物和水生植物的持续降解污染物的环境。 人工浮岛同样有观赏价值，可用于于城市景观建设及城市内河及湖泊的绿化美化。 人工湿地技术人工湿地技术 人工湿地是指模拟湿地的综合的生态系统，基本原理是生态系统中的物种共生、物 质循环再生原理，结构与功能互相补偿协调原则。在一定区域将污水控制分流到水 土壤中，区域内具各种水生植物如芦苇、香蒲、水花生、千屈菜等及各种水生动物和泥 土中、水体中及植物根茎上的微生物种群。污水在流动过程中通过植物、土壤、微生物 等的联合作用达到降解污水的效果，因而人工湿地的结构单元为：水、透水性基质(如土 壤、砾石、沙、煤渣等)、水生植物、水生动物和微生物。用人工湿地进行污水处理具 有缓冲容量大、工艺简单、经济高效等特点。 国外利用人工湿地处理污水已达到一定的水平， 形成了一定的规模， ， 欧洲的人工湿 地有 6000 座，美国的人工湿地有 1600 座。自上世纪 20 世纪 80 年代开始，我国也开始 建设人工湿地，用人工湿地处理生活污水，取得了显著地效果18,19。 根据湿地的水体流动方式，人工湿地可分为不同的类型，一般分为三种，有水平潜 流型、垂直流型和表面流型三种类型人工湿地。实际应用结果表明，水平潜流型、垂直 流型人工湿地的处理效果较好，具有去除率高，植物不易倒伏，有利于微生物繁殖等特 点。 山东师范大学硕士学位论文 8 1.4 植物在植物在水体水体生态修复中的应用生态修复中的应用 1.4.1 浮萍在生态修复中的作用浮萍在生态修复中的作用 1.4.1 .1 浮萍浮萍的的生物学生物学特性特性 浮萍属浮萍科植物，植株为叶状体，浮水小草本植物，单生或聚生，无茎叶的区分， 呈椭圆形或倒卵形。有毛根，有的无根。夏季开花，生殖方式主要是出芽生殖。表面有 掌状脉，通常是 1 到 11 条。花单性同株，无花被，花柱短。背部呈现绿色、紫色等不同 色泽。 浮萍结构比较简单，绝大部分由水分构成，达到 93%左右，其他成分包括无氮浸出 物 2.7%，粗蛋白 1.6%，粗脂肪 0.9%，纤维素 0.7%，灰分 1.3%20,21。 浮萍只有 30 种，分属于 4 个属，广泛分布在世界各个国家和地区，但目前尚未在北 极发现浮萍。我国境内浮萍共有浮萍属(lemna perpusilla)、紫萍属(sprrodela polyrhiza) 和无根萍属(spirodela oligorrhiza)等 3 属，共 7 种，其中长江入海口附近有以上 3 属，共 5 种浮萍22。 浮萍生活环境一般为水流缓慢的池塘、河流、沼泽等水面。浮萍在水中有机营养供 应充足时繁殖很快， ，浮萍在这一点上类似藻类，与其他高等植物的特点不同。 浮萍一般生长在流动缓慢的池塘、河流、沼泽等水面上，只要水体中含有浮萍需