（环境科学专业论文）新型填料生物栅系统的构建与试验研究.pdf

新型填料生物据系统的掏建与试验研究 摘要 水体污染己成为全球水资源短缺的一个重要因素。水体富营养化是水体污染中 的最为普遍的现象，也是国内外水环境污染治理难题。水体富营养化发生机理和修 复原理及技术的研究是国内外土壤植物营养、环境生态学科研究的前沿和热点。本 研究利用华东师范大学丽娃河南岛中试装置，比较了不同水生植物构成的新型填料 生物栅强化净化系统对丽娃河富营养化河水净化的效果；低温条件下，由水花生构 成的新型填料生物栅系统对丽娃河河水的净化效果：底栖软体动物对富营养化河水 的净化效果：最后比较了不同填料生物栅系统净化效果的差异性。 通过植物筛选试验发现，采用“新型纤维填料+ 水生植物”构建而成的生物栅系 统，对于净化富营养化水体有着明显作用。三种植物在各试验阶段t n 平均去除率分 别为：水芹系统4 1 3 5 、风眼莲系统3 9 4 2 、水花生系统4 3 4 9 。对应的t p 平均 去除率分别为：水芹系统3 4 4 4 、凤眼莲系统3 5 3 9 、水花生系统4 7 - 3 9 。但当 植物生长情况不佳时，各项污染物指标去除率均有不同程度的下降。此外，比较有 无植物两种运行方式可以得出，新型纤维填料在生物栅系统中是主要的净化手段， 而水生植物则是起到了辅助和强化净化的作用。最终，通过评估后提出植物选择的 原则：因地制宜、根系发达、净化力强、生长期长、管理简便和价格低廉。 对低温季节试验表明，在此气候条件下，虽然出现了水生植物生长不佳，但依 靠微生物的作用，出水水质仍旧处于一个比较理想水平，基本达到地表水i i i 类水的 标准。由此建议在今后生物栅系统应用的过程中，遇到低温季节，水生植物无法生 长时，可根据水质情况，尝试选择不投加水生植物，仅依靠新型填料上的微生物作 为修复手段对富营养化河水进行处理。对工况条件的摸索得出h r t 为1 0 h 时的处理 效果要稍优于6 h 的处理效果，且曝气对于提高生物栅系统的净化效果并不明显。因 此，建议在今后的应用过程中，对于类似的水质条件，可适时取消曝气，并且缩短 水力停留时间，控制在6 h 以内，以降低生物栅系统的制作成本和运行成本。 底栖软体动物净化富营养化河水小试试验表明底栖软体动物对于去除富营养化 水体中的c o d c r 、氮、磷等有一定的去除效果，且河蚌的净化效果要稍优于螺蛳。 两种动物最佳投加密度分别为螺蛳3 5 个m 2 7 0 个，m 2 左右，河蚌为3 个m 2 7 个 ，m 2 左右。净化时间为3 d 左右，且曝气组处理效果较好。 此外，通过多元线性分析获得了底栖软体动物存活率和各项污染物指标浓度之 间的关系，其中：l 组所于导方程为：y ( 存活率) = l9 4 5 6 4 6 5 3 x i ( d o ) o 4 1 x 2 ( c o 新型填料生物栅系统的拘建与试验研究 d c r ) + 2 1 0 4 x 3 ( n h 3 一n ) 2 3 3 0 ) ( 4 ( t n ) 一2 0 。6 2 x 5 ( 1 1 p ) ：h 组所得方程为：y ( 存 活率) = 1 6 1 6 l - 2 6 3 2 x l ( d o ) 一o 1 0 x 2 ( c o d c f ) + 2 4 2 0 x 3 ( n h 3 一n ) + 8 3 7 殛( t n ) 一2 3 6 ( t p ) 。而曝气各组由于存活率均处于较为稳定的状态，因此无法进行回归分析或所得方 程不理想，无法使用。 本研究最后通过对三种填料生物栅系统在低温季节对富营养化河水净化效果的 比较发现低温条件下，三种填料对污染物的去除效果依次为：组合填料 新型纤维填 料 悬浮填料。通过对试验结果进行t 检验确定新型纤维填料作为一种为生物栅系统 所开发的全新填料在净化效果方面与传统环境工程中较常采用的悬浮填料、组合填 料之间并没有很大的差别，其可以作为今后生物栅系统工程实践中的一种可行选 择。 关键词：富营养化；生物栅强化净化系统；新型填料；水生植物；底栖软体动物 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 a b s t r a c t w a t 盯p o l l u t i o n i s b e c o m i n gam a i n f a c t o rc a u s i n gs h o nw a t e rs u p p l y n o ww a t e r e u t f o p h i c a t i o ni saw 口r l d w i d ep h e n o m e n o na n db e c o m e so n eo ft h em o s tt o u 曲i s s u e si n e n v i r 0 砌e n t a lr e m e d i a t i o nf o rw a t e rp o l l u t i o n u n d e r s t a l l d i n g t h em e c h a n i s m so f e u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d ya n dd e v e l o pf c a s i b l er e m e d i a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yi s 山e 白d m i e r a n dh o tr e s e a r c hf i e j di np j a n tn u t r i t i o na 1 1 de n v ；r o 肋1 e n t 8 le c 0 1 0 9 y t h ep u q ) o s e so ft h i s s t u d ya r et 0c h o o s eak i n do fa q u a t i cp l a n t ，w h i c hi so n ec o r ep a ni nt h eb i o s c r n ，t o d e v e l o pt h er e g u l a t i o no fc h o o s i n ga q u a t i cp l a n t ；t os t u d yt h ee f f e c t so f b i o s c r e e nc o m p o s e d o fa q u a t i cp 】a n ta 1 1 dp a c k a g eo nt h el i w ar i v e ri nt h ei o wt e m p e m t u r es e 越o n ；t os t i l d yt h e e f f b c t so f b e n l h i cm o l l u s k so nt 1 1 el i 、v ar i v e r ；t oc o m p a r em ee f r e c t so f b i o s c r c e nc o m p o s e d o fd f f c r e i l tp a c k a g e so nt h el i w ar i v e ri nm el o wt e m p e r a t u r es e a s on t h ee x p e m e n t a lr e s u l t so fc h o o s i n ga q u a t j cp l a n ts h o w e dt h eb i o s 啾nc o m p o s e do f p a c k a g ea i l da q l l a t i cp i a l l th a do b v i o u se f f e c to nt h ee u t r o p h i c a t i o nw a t e rb o d y 。t h e a v e r a g er c l n o v a le m c i e n c yo f t ni s4 1 3 5 ，3 9 4 2 a n d4 3 4 9 ，a n dt h ea v e r a g er e i _ n o v a l e 伍c i e n c yo ft pi s3 4 4 4 ，3 5 3 9 a 1 1 d 4 7 3 9 f o rt h co e n a n m ej a v a i l i c as y s t e m ， e i c h h o m i ac r a s s i p e ss y s t e ma n da l t e m a l l t h e r ap h “o x e r o i d e ss y s t e mr e s p e c t i v e l y w h e n a q u a t i cp l a n t sd i d n tg r o ww e l l ，h o w e v e r ，t h er e m o v a le 瓶c i e n c yd e c r e a s e d t h er e s u l t sa l s o s h o w e dt h a tt h ep a c k a g e c o m p a r i n gw i t ht h ea q u a t i cp l a n t ，p l a y e da nm o r ei m p o r t 强tm l e i nm et r e 釉e mp r o c e s s ? a ti a s t ，t h eg u i d e l i n ea b o u tc h o o s i n ga q u a t i cp l a n t ，w h i c hi n c l u d e s a d 印t i n g e n v i r o n m e n t ，t o u 曲m o t s ，擎e a tp u r i 母i n ga b i l 时，l o n g l i f e c i r c l e ，e 鹊y m 啪g e m e n ta n d 】o wp r i c e ，w a ss u g g e s t e d ， t h ee x p c r i m e n t ，i nt h e1 0 wt e m p e r a t u r es e a s o n ，s h o w e dm ew a t e rq u a l i t yk e p tt l l e g o o d l e v e lc a u s e db yt h em i c r o o 唱a n i s mw h e nt h ea q u a t i cp l 觚t sg r e wb a d s oi tw a ss u g g e s t e d n l a tt h ea q u a t i cp l a n t sc o u l db er 锄o v e df 幻mt h es y s t e m ，a c c o r d i r 培l ow a t e rq u a 强t y ，w h e n t h e yg r e wb a di nt h el o wt e m p e m t l l r es e a s o n t h et r e a t m 锄tp e 而丌n a n c eo f1 0 h ( h r dw 船 b e t t 即t l l 姐t l l a to f6 h ( h r t ) w h e t h e ro x i d a t i o no rn o t ，m ec h a n g e s ，h o w w e r ，w 鹋n o t o b v 主o u s ，1 1 1 er u n n j n gc o n 喇o n so fh r t 大漂 水花生 浮萍 风车草 宽叶香 蒲 菱白。童昌华等7 5 悯风眼莲、金鱼藻、狐尾藻、微齿眼子菜、马来眼子菜、苦草 等6 种水生植物对养鱼池的富营养化水体进行净化，在显著提高水体透明度的同 时，对t n 、t p 的去除也有显著效果，而以狐尾藻、微齿眼子菜2 种植物的效果最 好，且去除n 、p 所化的时间也最短。高吉喜等i _ 7 6 】在比较了7 种植物：慈姑 ( s 口g i t 姐r i ns 昭嘲b l kl i 胁。) - 菱包t z 的n i dl 口t 的l i as l n 咖，菹草( p o t n m o 罾e t o n 劬船加n ) 、金鱼藻( q r 口，印丘胁m 如m 口坩姗l 工加疗) ，满江红( 一z d 妇拥6 ，f c 口，口 舷) ? 水花生( 一抛晰册腩p r 口肋如x p r d f 如sg ，捃8 6 ) ，菱角( 丹印口托p d 弹f c 口，论r ) 对污水中n ，p 去除的效果后得出。对n 的去除率由大到小排列次序为：慈姑 菱白 水花生 菹草 金鱼藻 满江红 菱角。除p 效果在7 月和8 月效果有所不同，在两个 月均保持高效的植物有满江红、菱白、慈姑和菹草4 种植物。从去n 、去p 、易成活 性和适用性4 方面考虑，以慈姑和菱白最优。金鱼藻、水花生和满江红次之，菹草 和菱角最差。在这些植物中，大部分植物相互结合后可提高植物对水体氮磷的整体 净化效率。由文辉等7 7 1 认为，当河水停留时间为3 0 天时，对t n ，t p 的去除率水雍 菜分别为8 1 3 2 、7 1 3 4 ，水芹菜分别为8 2 7 7 、9 4 7 7 。 不同植物对n 、p 的吸收具有不同的条件和要求。菹草对水中p 的吸收与p h 、 光照、水文等有关，水中n h 3 - n 浓度低于o 3 5 m g l 左右时，其茎叶优先吸收n 0 ， n ，而水中n h 3 埘浓度高于o 3 5 m g l 左右时，则优先吸收n h 3 n 。水网藻具有过量 地吸收、储存p 的能力，对p 的吸收量随氮磷比的降低而增加，对n q 的去除率比较 新型埙料生物栅系统的构建与试验研究 高。在n h 3 - n 和n o ，n 两者同时存在时，水网藻优先同化n h 3 n ，n h 3 - n 吸收完 之后才开始利用n o ，- n ：n h 3 n 是水体富营养化的主要指标之一，水网藻优先吸收 利用n h 3 n 对治理水体富营养化是有利的( 林秋奇等，2 0 0 1 ) 。王旭明等( 1 9 9 9 ) 认为在不同温度( 1 5 和2 0 ) 条件下，水芹菜对营养的吸收率是不同的，对t n 的吸收率分别为6 6 6 7 和7 2 9 8 ，对n h 3 - l q 的吸收率分别为9 5 和1 0 0 ；对t p 的吸收率分别为7 3 7 和8 6 3 。 植物对污水的忍耐性也不完全相同。夏汉平等( 1 9 9 9 ) 用水葫芦、百喜草、水 花生、香根草4 种植物对垃圾污水进行植物净化，水葫芦在高浓度和低浓度两种污 水中均被毒害致死：百喜草在高浓度的渗滤液中不能存活，在低浓度污水中受到严 重伤害；水花生在高浓度污水中伤害较重，低浓度中形成庞大生物体；香根草在2 种水中受到的伤害在4 种植物中最轻。水花生和香根草对n h 3 - n 的净化效果在 7 7 9 1 之问，而香根草对p 的净化率也高达7 0 以上。 一些植物常用于构建人工瀑地，通过人工湿地去除污水中n ，p 。廖薪弟等 ( 2 0 0 2 ) 以香根草( 您r f 忡r 蛔z f z 聆f d f 加) 、风车草( c 功e ，淞础口小和，淞) 为植被建 立人工湿地，在春季对n h 3 n ，t p 有明显的去除效果：秋季对去除废水中t n 均有 效果；对去除t p 香根草湿地效果明显，而风车草湿地效果差。李科德等( 1 9 9 5 ) 应 用芦苇床系统( 且g 鲥曰耐跚硎，月曰s ) ( 在人工池中加入土壤、砾石等填料并种上 芦苇) 建成污水处理系统，污水中的有机污染物是通过芦苇床内各种微生物的协同 作用而去除n h 3 - n 主要通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除，总大肠菌 群的去除一方面是由于原生动物的捕食作用和某些放线菌产生的拮抗作用，另一方 面受营养、温度、d h 等因素的影响；但芦苇床系统的去p 效果是不理想的。 目前，我国植物修复的研究虽然仍处于起步阶段，而且还面临着发达国家对相 关知识产权的垄断，但是我国有广阔的国土、丰富的植物资源和复杂多样的地理条 件、多种类型的矿山冶炼场所和悠久的丌采历史，因而蕴藏着大量可以用于环境修 复的超富集植物等特殊植物。这些为我国丌展植物修复提供了良好的自然条件。另 一方面，我国的环境污染问题突出、污染类型复杂。不可能采用投资大、成本高的 治理技术，植物修复研究与应用有广阔的发展前景。已经取得的成果表明，我国科 学家有能力丌发出一批适合我国国情的植物修复技术，建立有自主知识产权的植物 修复技术，并在全球植物修复领域取得一席之地。 新型勾! i 料生物栅系统的构建与试验研究 2 3 1 2 微生物修复技术 作为生物修复中的一项重要手段，微生物既可单独使用，也可作为植物修复的 配套技术。它还可以与其他技术相结合，成为综合技术或工程的一部分，在污水净 化中发挥重要作用。 a 微生物修复富营养化水体的原理 在大多数环境中存在着许多土著微生物进行的自然净化过程，但该进程的速度 很慢。其原因是d o ( 或其他电子受体) 、营养盐的缺乏，而另一个限制因子是有效 微生物常常生长很慢。为了快速去除污染物，常采用许多强化措施( 如提供电子受 体、添加n 、p 营养盐等) ，为降解污染物的微生物创造良好的生长条件，使其大量 繁殖以去除污染物，并达到良好的生态平衡；或者直接接种事先培养好的微生物。 投加的微生物制剂不会破坏水体的生态平衡，而且是有益菌，不污染环境，还可作 为水中鱼、虾等的饵料，预防水生禽类疾病，促进生物生长。当水体中的有机物被 微生物降解到一定程度时，水体中的营养物得到控制，富营养化得到治理，此时微 生物的生长由于缺乏营养而受到抑制，因此微生物制剂修复受污染水体不会造成微 生物大量繁殖，不会污染水体。 b 微生物修复技术 1 )e m 制剂修复湖泊富营养化 e m 微生物具有广泛的应用价值。李雪梅等【7 8 l 在重度富营养化的人工湖中投加多 糖e m ( 有益微生物) 制刻，2 5 个月后湖水透明度从o 0 9 米提高到o 4 8 米，r n 从 6 3 m g ，l 降到2 5 m g l ，下降6 0 2 ，c o d 从2 9 m g ，l 降为1 3 m g l ，从停止起投菌4 5 后，透明度回到0 3 米，t n 回到4 5 m g l ，c o d 回到2 4 m l ；t p 在投菌3 5 天后从 3 5 m g ，l 降为o 1 5 m l ，从停止投菌起4 5 天后，回到0 2 m l 。但是，停止投菌后 虽然各项指标有所反弹，却未见“水华”再有发生。 2 )c l e 盯f l o 系列菌剂修复湖泊富营养化f 7 9 c l e 瓣f l o 系列菌剂由美国一家公司研究玎发，专门用于湖泊和池塘清淤、养殖 水体净化、河流修复及污泥去除。1 9 9 2 年美国m o u l i nv e r t 水渠使用c i e a r f 1 0 1 2 0 03 个月，n h 3 - n 从0 0 2 m g ，l 降为o o o m l ，c o d 降低了8 4 ，b o d 降低了7 4 ，无 毒性检出。1 9 9 8 年西班牙使用c l e a r f 1 0 7 0 0 0 后抑制了大部分池塘表面的藻类，再加 c l e a r f l o l 0 0 1 使池塘水变清。持续用c 1 e a r - f 1 0 1 2 0 0 补加c l e a 卜f 1 0 1 0 0 1 进行处理以保 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 持池塘水清澈。治理后，b o d 下降9 7 ，c o d 下降8 5 ，s s 总量下降9 8 ，t p 下 降6 9 。 3 )固定化氮循环细菌 李正魁等( 2 0 0 0 ；2 0 0 1 ) 应用固定化氮循环细菌技术( 砌掰口6 班理d f 即。驴拧 c y c l i n gb n c t e r i n 。简称l n c b ) 结合铂理蛰酴i 程( p h y s i c o e c o l o g c 硪e n g i n e e r i n g 简称删) 对贵阳红枫湖进行除氮、抑菌效果研究，使试验区t n 、非离子氨和亚 硝酸盐氮分别平均降低0 5 6 8 m l ，0 0 1 5m l 和o 0 1 9m l ，工程后排入红枫湖的 非离子氨均 小型浮游动物：就摄食量而言，小型浮游 动物占主导地位。占整个浮游动物总摄食量的5 0 以上，它们主要捕食小型和微型 浮游植物。许多研究结果表明，浮游动物群体的摄食压力通常小于浮游植物现存最 的5 ，小于初级生产力的1 0 ，但另外有些调查结果显示某些海区浮游动物群体的 摄食量占浮游植物现存量的较大部分，其摄食压力接近甚至超过浮游植物的初级生 产力【8 们。 日本学者在研究湖泊生态模型时，提出了水生动物调控作用的机理模型，该模 型较好地解释了水生动物生物净化作用的机理。他们认为生物净化最基本的原理是 通过改变鱼类的群落结构，如提高食鱼性鱼类生物量，降低以浮游动物为食的滤食 性鱼类生物量，进而引起浮游动物生物量上升，浮游动物通过摄食浮游植物、细菌 和悬浮有机碎屑。达到改善水质的作用【8 0 舒】。 2 3 2 t 生态修复 7 1 2 2 人工湿魄系统( 岛押s 仉妇d 舰妇一西跏把珊) 湿地系统包括天然的和人工构建的、地表渗流的和地下渗滤的、有植物体系的 和无植物体系的等多种形式，湿地系统一般比较重视植物一土壤复合系统的综合净 化功能。目前国内外对各种湿地系统研究比较多( w a l t e r ，1 9 9 3 ；b u r 2 0 0 n ，1 9 9 5 ， k 锄p ，1 9 9 7 ；s a k a d e v a n ，1 9 9 9 ；b a d k o u b i 。1 9 9 8 ；m a n d i ，1 9 9 8 ) ，而人工湿地无 疑是其中的热点。 新型填料生物搬系统的构建与试验研究 人工湿地的设计和建造正是通过对湿地自然生态系统中的物理，化学和生物作 用的优化组合来进行的，一般利用这三者的协同作用来处理污水。人工湿地是在一 定长宽比及底面坡降的洼地中，填充着一定级配的填料，以及填料表层种植的一些 处理性能良好，成活率高，生长周期长，具有景观和经济价值的水生植物所共同构 成的一个处理污水的湿地系统。 人工湿地一般由五部分组成：( 1 ) 具有透水性的基质： ( 2 ) 适合在饱和水和 厌氧基质中生长的植物： ( 3 ) 水体( 在基质表面下或上流动的水) ； ( 4 ) 无脊椎 动物或脊椎动物；( 5 ) 好氧或厌氧微生物群落。 人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实 现对污水的净化。成熟的人工湿地系统中填料表面和植物根系中会生长大量的微生 物形成生物膜。废水中的颗粒物通过湿地的沉淀、过滤作用，其中有机物部分可以 很快地被植物吸附、被微生物降解；废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜 的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。人工湿地对氮的去除主要有四个 途径：挥发、填料吸附、植物吸收和硝化，反硝化。但是前三者对氮的去除量十分有 限。在人工湿地系统中，植物根系的充氧作用和自由表面的大气的复氧作用可以造 成好氧环境，使产生硝化作用；另一方面，当土壤水分含量大予田问持水量的6 0 时，就会在局部造成缺氧甚至是厌氧环境，使产生反硝化作用。这两者在系统中可 以同时发生。人工湿地对磷的去除主要是通过两种途径： ( 1 ) 将其作为湿地植物的 营养物质被吸收，然后通过定期收割去除：( 2 ) 由于有合适的微环境使其可以被微 生物过量吸收，通过定期更换基质去除。 人工湿地按水流形式通常可分为表面流湿地、潜流湿地、复合垂直人工湿地三 类： ( 1 ) 表面流湿地：污水在人工湿地表面漫流，绝大部分有机物的去除是由长在 植物地下茎、杆上的生物膜来完成。其不能充分利用填料和丰富的植物根系。净化 负荷不高，占地大，夏季卫生状况不好。 ( 2 ) 潜流湿地：污水在人工湿地地表下渗流，因而可充分利用填料表面及植物 根系上生物膜及其他各种作用处理废水，提高处理效果和处理能力；同时。其对水 流的保温性好，受气候影响较小，卫生条件办较好，但投资略高，对氮的去除率不 高。 新型填科生物栅系统的构建与试验研究 ( 3 ) 复合垂直人工湿地：复合垂直人工湿地是山下行流池、上行流池两个单元 串联而成，两池仅底部相通，污水经下行流池表面所布水管快速均匀的投配到池 中，在重力作用下垂直下行，经过两池连通层到达上行池后，垂直上行，通过上行 池表面的收集管将处理后的水排出系统。水的流态综合了表面流和潜流湿地的特 点，输氧效果好，利于硝化作用。 由于人工湿地系统采用人工建造，不受场地条件限制，而且不会产生渗漏，造 成对地下水环境的影响：渗滤介质可采用不同的人工材料回填，可根据污染控制性 因子做调整，提高系统对污水的净化能力；处理效果高，对c o d 、b o d 、s s 、病源 微生物去除率可达8 0 9 0 以上，对n ，p 的去除率可达4 0 6 0 ；投资少，运行 管理方便，操作简便，系统所须仪器、设备简单，系统本身无需额外动力：不存在 二次污染问题。这些优点使其在欧洲，美洲和澳大利亚应用非常普遍，它们主要用 它来生活污水的三级处理。在北美，自由水表面湿地已经成为污水处理的主要形 式，其中一半是自然湿地，一半为人工湿地。我国现已在深圳，山东建设了人工湿 地系统处理污水，其除水水质达到了设计的要求。另外，我国在滇池和太湖等富营 养化水体的研究及治理过程中都采用了人工湿地技术，并且在湿地构造、填料以及 植物的选择上做了大量的工作，以求达到最佳效果。 7 1 2 3 人工浮岛州廊口，肋鲥熠j i 跏一d ) 人工浮岛是一种像筏予似的人工浮体，在这个人工浮体上栽培一些芦苇之类的 水生植物，放在水晕。其一般由四个部分组成，即浮岛框架、植物浮床、水下固定 装置以及植被。 人工浮岛的净化机理主要表现在两大方面：( 1 ) 发达的植物根系在水中形成浓 密的网，表面积很大，可吸附大量悬浮物，并逐渐在植物根系表面形成一种生物 膜，膜中微生物吞噬和降解水中的污染物，使其成为檀物豹营养物质，通过光合作 用转化为植物细胞，促进其生长，最后收割浮岛植物和捕获鱼虾减少水中营养盐。 ( 2 ) 人工浮岛通过遮挡氧管抑制藻类进行光和作用，减少浮游植物生长量，通过接 触沉淀作用促使浮游植物沉降，这可有效防止“水华”发生，提高水的透明度，其作 用相对于前者更为明显。 人工浮岛有净化水质、消减风浪、美化水面景观、提供水生生物栖息空间及进 行环境教育等多种功能。其特点如下： ( 1 ) 浮岛可大可小，形状多种多样，易于制 作和搬运； ( 2 ) 跟人工湿地相比，更容易栽培植物，并且人可站在浮岛上面，收割 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 方便；( 3 ) 浮岛通过锚固定，随时搬运；( 4 ) 无需专人管理，只需定期清理即 可，且大大减少设备投资，降低设备的运行费用和维护保养费。 目前，人工浮岛在国内已有多处示范性工程。在应用过程中也发现一些问题： ( 1 ) 浮岛种植的植被如果不及时收割会产生二次污染；( 2 ) 人工浮岛对氮，磷的 吸收和水温有关，冬季吸收量少，因此，北方多在夏季使用；( 3 ) 安装时间长，浮 床上积累淤泥，再加上植物生长茂盛，增加重量，浮岛会慢慢下沉；( 4 ) 造价成本 不一。有时过高。 7 - 1 2 4 物理生态工程 物理生态工程( 雎声如口f - 髓d ，d g 出口，职，础r 魄简称州强 ) 是濮培民等经过1 0 多年的研究总结出来的，在湖泊富营养化的控制方面起到了重要作用。该工程主要 包括四项技术：1 ) 能适应多种底质、风浪、湖流条件的软隔离墙技术( 黝耽f f 死c d 如，s 阡“d ；2 ) 水生生物群落镶嵌技术( 如s 口缸乃c 加f p 加r 坊枷d 曰f 0 p ，l ，脚? w 研：3 ) 捕藻技术( n 曲n d f 0 拶扣，r p 幽c 魄 爿趣钟p ，“m e 豫4 p ) ；4 ) 固 兜化氮循环镪菌技术q l m o b i l t z e dn 泐g e 蚌c y c l eb 毗l e r 如| n c 秘。 圃氮循环细菌是自然界能够将死亡有机物分解成植物能吸收的无机盐，起“清道 夫”作用的有益细菌的组合，该技术在贵阳市红枫湖温流水养殖场排污水治理工程中 进行了现场实验。红枫湖的局部水域己出现藻类水华。通过物理生态工程的方法对 红枫湖进行治理，取得了明显效果，t n 、t p 、非离子氨和亚硝酸盐氮都有显著降 低。2 0 0 1 年上述工程技术在太湖梅梁湾马山、五旱湖、贵阳红枫湖、南京莫愁潮等 地己经过试验改进，可以在滞留时问为7 8 天内将水质由i v 、v 类改善为i i ，i i i 类。 虽然生物生态修复技术有其特殊的优势，但是，就目前在实际应用中的这些技 术均存在着一定的问题：首先，现有生物生态修复技术处理手段单一、污染负荷较 低。以植物修复技术为例，植物修复主要依靠植物在生长过程中吸收水体中的营养 物质和根系微生物对污染物的降解来进行修复的。但是。一方面植物的生长速度决 定了其污染负荷不可能很高，否则将会影响净化的效果，另一方面，其根系的微生 物数量也无法和普通生物膜法相比，因此其在修复过程中的作用也相当有限。丽微 生物修复中最常遇到的问题是。有效微生物无法在环境中处于优势微生裙，导致最 终被系统淘汰，无法取得预期的效果。第二，生物生态修复受周围环境因素影响较 大一这里所指的“环境因素”主要包括气候、水质情况、水力条件等会影响生物生长 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 的各种因素。植物修复要取得满意的效果就必须以其生长情况良好为前提，而其生 长的环境对此会起到决定性的作用。一旦水生植物生长不佳，那么其不仅无法起到 修复的作用，而且还会向水中释放营养物质，造成二次污染。微生物修复中也存在 同样的问题，环境的变化会影响微生物净化的效果。第三，维护管理成本较高。目 前较为常用的植物修复技术和生态修复技术中所采用的植物大多由于其生长特性和 自然环境的影响需要定期移除、更换、和维护，这使得其整个运行成本较高。 因此。如何提高生态修复技术的可靠性和有效性，如何强化处理效果，将是未 来生物生态修复技术所面临的重要问题。本研究课题试图将植物修复同传统水污染 控制工程中的生物膜法相结合，利用植物和微生物的共同作用，提高富营养化水体 的挣化效果，为生物生态修复开辟一条新思路。 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 3 研究背景、内容、技术路线及方法 3 1 研究背景 利用生态修复技术治理富营养化水体是当前国内外治理及修复受损水体的发展 方向和研究热点。生物栅强化净化系统作为一种全新的生态修复技术尚处于研究开 发阶段。本论文将针对生物栅系统自身物理结构、水力条件和水质净化的需要开发 一种新型生物填料，同时考察填料自身和集成之后对典型富营养化水体的净化效 果，寻找生物栅系统的最佳工况，初步研究其作用机理。这是生物栅系统第一次应 用于富营养化水体治理的中试规模试验，其对于今后推广和工程实践均具有指导价 值。 此外，通过新型填料生物栅系统和传统填料生物栅系统之间的横向比较，对新 型填料送行全嚣的评价，探讨其优越性，分析其存在的不足，加以改进后，即可作 为今后生物栅系统使用中的核心部件申报专利。 3 2 研究内容 本课题旨在建立一套以生物栅强化净化系统作为处理手段的富营养化水体原位 生物生态修复技术，在研究过程中，借鉴了大量国内外对生物接触氧化法处理微污 染原水和生活污水、水生植物修复富营养化水体的研究结果，以典型的富营养化水 体丽娃河作为处理对象，通过中试研究工作，对生物栅强化净化系统的构建、 新型填料的净化效果、水生植物的筛选以及其在低温季节的处理效果进行了系统地 分析和探讨。课题的研究内容主要分为以下四个方面： 3 2 ，1 新型填料生物栅强化净化系统水生植物的筛选研究 以丽娃河综合整治前河水水质作为参考，在中试试验装置中进行人工模拟富营 养化河水，采用问歇运行的方式，考察了投加水生植物对于生物栅系统净化效果的 影响，定性判断水生植物在生物栅净化系统中的作用。同时还研究了不同水生植物 构成的生物栅强化净化系统对模拟河水的净化效果，通过对比，找到最合适的水生 植物，并总结出生物栅系统水生植物筛选的原则。 新型境料生物栅系统的构建与试验研究 3 2 2 f 氐温季节新型填料生物栅强化净化系统最佳工况的确定 在中试试验装置中，以综合整治后的丽娃河河水作为处理对象，采用连续流的 运行方式，探讨了低温季节新型填料生物栅系统在不同水力停留时问、不同曝气方 式条件下对水中污染物的去除效果。 3 2 3 底栖软体动物对富营养化水体的净化效果研究 以丽娃河夏雨岛附近水体作为水源，在实验室进行小试研究，采用间歇运行的 方式，研究底栖软体动物对富营养化水体的净化效果。通过设置不网养殖密度、曝 气和非曝气两种工况条件和不同水力停留时间，比较对水中各项污染指标的去除 率，获得底栖软体动物净化富营养化水体的最佳工况条件。 3 2 4 低温季节不同填料生物栅强化净化系统净化效果的比较 在中试试验装置中，以综合整治后的丽娃河河水作为处理对象，采用连续流的 运行方式，考察了低温季节不同填料生物栅强化净化系统在不同水力停留时问、不 同曝气方式条件下对水中各项污染指标的去除率，评价新型填料生物橱系统。 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 3 3 技术路线 3 7 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 3 4 水质分析方法 根据上述试验内容，需对生物橱强化净化系统的d o 、c o d c r 、n 王b n 、n 0 ；一 n 、n 0 i - n 、t n 、t p 等水质指标进行分析，其监测分析方法【8 6 1 8 7 8 8 1 如表3 1 所示： 表3 1 水质指标酌分析方法 t 曲l e 3 一la n a l y 2 i 九gm e t h o d so f w a t e rq u a l t yi 九d e x 水质指标分析方法 t d o c o d c r b o d i t n n h 3 j n n o j _ n n o3 n y s l 5 8 型溶氧仪 y s l 5 8 型溶氧仪 重铬酸钾法 五日生化需氧量法 过硫酸钾紫外分光光度法 纳氏试剂比色法删 n ( 1 萘基) 乙二胺分光光度法 紫外分光光皮法 新型填料生物橱系统的掏建与试验研究 4 新型纤维填料生物栅系统植物的比选试验研究 当前，水体污染己成为环境污染中的一个带有普遍性的重大难题。水质恶化己 影响到我国许多城镇饮用水的质量，甚至危及人类的生活，因此迫切需要采取有效 措施净化污染水体。 作为诸多污染水体修复技术中的一种手段，以植物为主要修复工具的技术已经 引起国内外学术界的重视。实验证明，植物修复去除n ，p 具有明显的效剁 8 9 9 0 9 h 9 2 1 ，可以用于富营养化湖泊、河道生活污水等方面的处理，是一项既行之有效又 保护生态环境、避免二次污染的净化污染水体的好方法，近年来这方面的研究较多 邮9 5 1 。植物如同其在人工湿地、人工浮岛等生态修复技术中所起的作用一样，是 生物栅强化净化系统的一个重要组成部分。但是，在生物栅的设计过程中如何选择 合适的植物、植物在生物栅系统中究竟起到怎样的作用、以及如何对其作用进行定 位是在研发和将来推广生物栅系统过程中必须解决的重要问题。 本研究利用丽娃河南岛的中试系统，采用人工模拟自然条件的方法，选取了水 芹、风眼莲和水花生三种水生植物，在夏、秋两季较为适宜的生长季节对富营养化 水体进行净化试验研究。通过比较不同种类水生植物组和有无植物组两种情况下对 富营养化水体的净化效果的差异，探讨生物栅设计过程中水生植物选择的原则，同 时了解水生植物在整个生物栅系统中所起的作用，为今后生物栅的应用和推广提供 理论依据和应用参考。 4 1 材料与方法 4 1 1 中试装置简介 试验中试装嚣位于华东师范大学丽娃河南岛，占地约3 0 m 2 。整个中试装置由平 衡水箱和反应池组成( 见图4 - 1 、图4 2 ) ，平衡水箱由钢板焊接而成，反应池采用 砖混结构。平衡水箱上设有管嘴和出水管，通过水箱末端不同高度的出水管和不同 高度、直径的管嘴调节平衡水箱内的液位差，从而达到控制反应池迸水流量的目 的。在平衡水箱前端所设的格栅则用于拦截较大的颗粒物，以避免堵塞管嘴，水箱 末端的放空管可用于清洗水箱等工作。丽娃河河水由潜水泵抽入平衡水箱，通过水 箱上设置的管嘴流入反应池内。反应池设有9 格廊道，每格平面尺寸为3 m o 7 m ， 新型填抖生物栅系统的构建与试验研究 通过反应池末端的出水管将池内水位控制在0 7 m 。在每格廊道底部设有两根d n 2 5 的穿孔管，空气由空压机提供。 a 、艘鳘 平衡水 箱按照j 二捣穗 1 # 雒嚣 4 #5 #群储 8 # 端 穿孔管 r一、 。 q 一 一r 。 一 一厂 。i 。一| 上一 一 i l 。一- j u 迸气 圈4 1 生物栅中试装置平面示意图 f i g u r c 4 - ll 日y o u to f t h ep i l o ts c a i ee x p e r i m e n tc o n s t r u c t i o n 口进水 d 出水 一( 二 进气 图4 _ 2 生物栅中试装置剖面示意图 f 噜u r e 4 - 2c r o s ss e c t i o no f t h ep i l o ts c a i ee x p e f i m e n tc o n s t n l c t i o n 4 0 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 4 1 2 试验设计 本试验选在丽娃河南岛生物栅中试系统进行，从2 0 0 5 年5 月2 7 日开始，至l o 月1 4 日结束，选取其中两条廊道进行，其中6 # 廊道为新型纤维填料，7 # 廊道为 “新型填料+ 植物”。通过查阅文献，综合目前富营养化水体生态修复技术中较为常用 的植物，决定选用水芹、风眼莲和水花生作为备选植物。试验用水芹取自无锡太 湖，风眼莲取自上海市闵行郊区某黑臭水体、水花生取自丽娃河荷花塘中。此外， 在该时间段内，气候较为温暖，对植物生长较为有利。试验具体安排参见表4 1 。 表4 - l 试验设计处理表 t a b i e4 - ld 髂i 鲫o f t h ee x p e r i m e n t 在试验前半段时间内( 5 月2 7 日7 月2 9 日) ，正逢丽娃河综合整治工程进行水 力清淤，致使试验无法利用丽娃河河水，因此只能根据丽娃河综合整治工程前其各 项永质指标进行人工配水。配水期间，由于各廊道中各类营养盐的去除情况不相 同，因此根据各污染物指标的去除情况调整营养液配方，同时，用自来水补充蒸发 的水分。在试验后半段( 9 月1 4 日一l o 月1 4 日) ，试验水源采用丽娃河河水。由于 试验期间，治理系统刚刚启动，因此从各项水质指标来看，试验期间水源仍属于典 型的富营养化水体。进水各项水质指标参见表4 2 。试验期间其余工况条件为： ( 1 ) 水力停留时间为3 天； ( 2 ) 曝气使用空压机供气，一天运行1 2 h ，每次间隅运 行l h 。 表4 - 2 配水期间生物棚系统进水水质情况 t 曲l e4 2w a c e rq u a l 时o f s o u r c ew a t c ri ns t a g ea 、ba n dc 水质指标 艉娃河进水平均浓度( m 叽) 配水期间污染物平均浓度( m g ，l ) c o d c |3 9 3 2 9 0 + 7 3 n h 3 _ n1 5 4j 4 7 0 t n2 2 1 2 0 2 2 t po 3 5 2 0 5 在试验开始前，采用自然挂膜法，对新型纤维填料进行挂膜，至试验开始时， 填料的挂膜工作已经完成。 新型填科生物栅系统的构建与试验研究 塑料球形填料 围4 3 撅型织物填搴j 结构示意圈 f 追u r e 4 3d r 糠o f n e wp a c k a g e 4 2 结果与分析 4 2 1 三组系统对c o d c r 的去除效果 1 姐 o n 兽册 百肿 8 柏舯 舶舯 o 肿 2345671234567 基并量量 一一墨鲢塞 l + 嗍执+ 出承扣甜击陲宰ll + 7 进采- 7 出木+ 击腺宰1 圈“a 组系统对水中c o d c r 的去除效果 f i g u r e4 - 4e f f e c 协o nt h ed e c 陀髂eo f c o d c rf b m s o u r c ew a t e ri ns t 孥a 邑 瞢 崔 4 2 删姗帅蛐帅枷删 一d _邑3a ou 专 墓 ： 8 新型填料生物栅系统的构建与试验研究 柚 5 n 吉柏舯 百 3 住 口脚 i潜a露薹再凌鲁 i + 时进袁+ 6 出承十b 吉辣辜ll + 7 蚰承一件出木士一弹击奠搴 圈4 - sb 组系统对水中c o d c r 的去除效果 f i g u r e4 - 5e 脑c t s0 nt h ed e c 他船eo f c o d c rf r o ms o u r c ew a l e ri ns t a g eb 一墨! 呸一 一一 鼍秤戎一 f + 雠袁一甜离承+ 稚击墓事ff + 斗避采一强珀承十”圭纛摹 圈4 - 6c 组系统对水中c o d c r 的去除效果 f i g u r e4 - 6e f f k t so nt h ed e c r e 够eo f c o d c rf m m s o u r c cw a t e ri ns 协g ec 从图4 - 4 、4 5 、4 - 6 可以看出，三