（环境工程专业论文）三种生态方法去除晋阳湖中氮磷的实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 摘 要 水体富营养化是现在我国面临的一大棘手的环境问题， 如今我国各大 中城市 80%以上河流湖泊都有不同程度的富营养现象，并且有范围扩大、 程度加深的趋势。水体富营养化极大的危害人们的生活和生产，并造成了 巨大的经济损失。 1956 年正式开建的晋阳湖是我国建国以来开挖最大的内陆人工湖， 也是太原市最大的湖泊，位于太原市区西南方向的晋源区，湖面约 5.26 平方公里，占太原市湖泊面积的 76%。晋阳湖主要作为太原第一热电厂工 业用水水源储水和锅炉冷却用水， 同时又是太原市主要水产养殖基地和城 市备用水源地。近年来，随着工农业的发展，由于不合理开发、灭绝性捕 捞、无序养殖等原因，晋阳湖生态环境遭到严重破环，湖体富营养过程加 剧，清水美景早已成为过去，代之而来映入眼帘的不是黄汤黑水就是浮萍 杂物，并呈恶化之势。2007 年，太原市环保局监测数据显示，晋阳湖水 质为劣五类，属重度污染。 晋阳湖水体质量状况直接关系到附近居民的居住环境以及太原市居 民的健康，以致影响太原市经济发展战略目标的实现。鉴于晋阳湖对于太 原市工农业生产和人民生活的重要性， 现已被列为国家城市综合整治定量 考核点位。 所以保护和改善晋阳湖水质，治理富营养化，实施晋阳湖生态修复已 迫在眉睫。 目前，利用水生植物净化水质是一种成本低廉，节约能源、效益较高 的简便易行方法，是国内外正在广泛应用的净化水质生物处理措施。对晋 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii 阳湖拟采用阿科蔓生态基、 人工生态浮床、 芦苇香蒲湿地来进行综合治理。 尽早恢复湖水清澈、鹭鸟成群、鱼儿欢跃的优美环境。 本文对晋阳湖污染湖水分别运用阿科蔓生态基、人工生态浮床、芦苇 香蒲湿地进行中试试验，观察不同方法对氮磷污染物净化效果的影响规 律。通过试验数据相关性分析，观察了各种方法对晋阳湖污染湖水的处理 效果。 通过对晋阳湖的湖水调查分析与试验研究得出，人工湿地技术、生态 浮床和阿科蔓生态基技术均具有很好的水质净化效果， 采用这三种方法治 理晋阳湖是可行且有效的。但是我们也要清醒地认识到，水体富营养化治 理是一项长期的大工程，因为非生物环境的改变需要数年，而生态环境的 恢复还需要更长的时间，不可能在短期内就看到消除富营养的效果，必须 长期治理、 长期监控。 而且目前的富营养化治理措施仍处在不断探索当中， 有些治理措施在短时间看不出明显效果；有些治理措施虽然目前成效显 著，但治理效果的稳定性仍有待时间的检验；有些治理措施还停留在理论 水平。 我国在富营养化治理方面投入了大量的精力和财力， 如滇池的治理， 但富营养化问题仍未解决，有些地方还有恶化倾向。所以目前晋阳湖富营 养化的防治措施要在控源的基础上，加强监测，进一步对水生植物及湿地 生态系统对水质的净化能力及原理进行研究，从生态观点进行综合防治。 关键词关键词 富营养化湖泊，晋阳湖，湿地，浮床，阿科蔓生态基 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv experimental research on the removal of nitrogen and phosphorus in jinyang lake with three ecological methods abstract water eutrophication is a very awkward environmental problem. nowadays, more than 80% lakes in large and medium sized cities around china, more or less, facing the eutrophication problem that has a tendency with lager range and deeper degree.water eutrophication endangered peoples life and products, and resulted in enormous economic loss. jinyang lake is the largest inland artificial lake since our countrys founding, as well as the largest lake in taiyuan city, locates in the jinyuan district, southwest of taiyuan city, jinyang lake is 5.26 square kilometers large, and it accounts for 76% of all the lakes area in taiyuan. jinyang lake supplies for the taiyuan no.1 thermoelectric plant as the resource of industrial water and water for boiler and cooling, while it is also the resource of the main aquaculture base and city reserve. in recent years, along with the development of industry and agriculture, jinyang lake ecological environment had been destroyed seriously, and water eutrophication had aggravated, as a result of rational exploitation, eradicated catching and random cultivation. beautiful and limpid water has already become the past, the generation coming of spring eye is not 太原理工大学硕士研究生学位论文 v only the yellow sewage but also the floating bottle and debris, and showed a tendency to deteriorate. in 2007, the data monitored by environmental protection agency of taiyuan city showed that jinyang lakes water quality had fallen into with the high levels of pollution. jinyang lakes water quality situation has direct relation to the living condition and health of resident in taiyuan city, even has an influence in the economic development strategy target. due to the importance of jinyang lake, it has been listed as comprehensive realignment of urban environment system. its the very time to take measures to protect and improve the water quality, control water eutrophication, and restore jinyang lakes ecology. at the present, taking use of hydrophyte has been used widely around the world as a biological treatment measure to purify water, because of its advantages, such as low cost, energy conservation and good benefits. the thesis completed the mid-term experience, including aquamats, artificial ecological floating beds and reed wetlands, and observed the influence discipline of purified influence to main pollutions with the different methods. according to the relative analysis of dates, the experience got the effect of different methods. through the researches and tests on jinyang lake water, we can see that constructed wetlands, ecological floating floor and aquamats had been proved as a good way to purify water, and those three kinds of ways 太原理工大学硕士研究生学位论文 vi are available and effective .however, we should find out that control of water eutrophication is a long-term project, because restoration of ecological environment needs longer period, not as the change of biotic environment. removing the effects of eutrophication wont be found out in short time, it must be controlled and observed in long time. moreover, control treatments in eutrophication are still in research ,and some measures wont have obvious influences in short time; meanwhile, although some measures have showed obvious influences , stability of final results need long time inspection while some measures are still in theoretical level our country has input greats of energy and financial resource, such as the control of lake dian ,but problem of water eutrophication hasnt been solved, even some areas are getting on the trend of worsening. as a result, the treatments on water eutrophication of jinyang lake must improve the monitoring on the base of resources control, do further studies on purify ability and theory of hydrophyte and wetland ecological system, and do integrated control in an ecological view. keywords lake eutrophication，jinyang lake，constructed wetlands， ecological floating beds，aquamats，ecological control 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 湖泊是分布于陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被与生 物特征的生态系统，是一种特殊的湿地类型，它在调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、 控制土壤侵蚀、促淤造陆、净化环境、维持生物多样性和生态平衡等方面均具有十分 重要的作用，享有“自然之肾”之称1。然而近年来，在经济持续快速增长的背景下， 湖泊富营养化日益突出，水华暴发，鱼虾基本绝迹，取而代之以适应污染的各类底栖 微小生物类群，湖泊水体的颜色、气味均有不同程度的恶化，部分湖泊甚至成为纳污 水体。许多知名湖泊的地理位置处于大、中城市周边，它们的污染导致城市景观质量 下降，严重影响了这些地区居民的身心健康。水质污染导致湖泊及其沿岸的生物多样 性下降，特别是一些对人类有益的或有潜在价值的物种消失。因此，湖泊流域富营养 化的综合治理和生态修复刻不容缓。 1.1 研究背景 1.1.1 湖泊富营养化的概念 湖泊富营养化是湖泊水体在自然因素和人类活动的影响下，逐步由生产力低的贫 营养状态向生物生产力较高的富营养状态变化的一种现象。自然界的湖泊有其自身发 生、发展、衰老和死亡的必然进程。在其形成之初，水体中营养盐类极少，生产力水 平极低，溶解氧丰富，呈现出贫营养型水质特征。随着时间的变化，湖泊水体与外界 环境不断地进行物质交换，湖水中氮、磷等营养盐浓度逐渐升高，水质变“肥” ，湖泊 生产力由小变大，生物量越来越多，溶解氧下降，水色发暗，透明度降低，湖体的生 物现象也发生相应的改变，生长于深水中的动植物群落与高级鱼类逐步消失，浮游性 藻类大量繁殖，加之流入湖体的泥沙和过量繁殖的生物残体不断堆积于湖底，使湖床 不断抬高，湖水变浅这样日积月累的结果，就逐渐完成由贫营养型向富营养型湖泊的 过度，进而转化为沼泽，直至最后消失。在自然状态下这种转化是缓慢的，需要几千 年甚至亿万年的时间，但人类活动的影响，特别是富含氮、磷等营养物质污水的大量 排入，使得湖泊富营养化进程大大加快1。因此，水体富营养化分为天然富营养化和 人为营养化。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 水体天然富营养化过程是一个自然演变过程。世界上许多湖泊，它们在数千万年 前，或者更远年代的幼年时期，均处于贫营养化状态。随着时间的推移和环境的变化， 一方面从天然降水中接纳氮、磷等营养物质，另一方面土壤的自然淋溶、渗透也使大 量的营养元素进入湖内，逐渐增加了湖泊水体的肥力，造成大量的浮游植物和其它水 生植物的生长。这种湖泊营养物质的天然富集，使湖水营养物质浓度逐渐升高，从而 导致水质变化的过程就是天然富营养化。从天然环境中获得的氮、磷等营养物质一般 数量都非常少，水质演变的过程极其缓慢，往往需要以地质年代来描述天然富营养化 的过程。 随着人类对环境资源的开发利用活动日益加剧， 特别是人类进入 20 世纪以来工业 化带来的“城市化”现象，集中在一些水源丰富的特定地区，大量含有氮、磷等营养 物质的工业废水和生活污水排放到附近的湖泊、河流和水库，增加了这些水体的营养 物质的负荷量。同时，由于农业生产提高农作物产量的需要，化肥和农药用量的逐年 增加，大量未被农作物吸收的营养物质经过雨水冲刷和渗透，最终流失而被输送到水 体中。此外，畜牧业中的牲畜粪便以及水产养殖业中投放的饵料也成为水体接纳氮、 磷等营养物质的主要渠道。所有这些人为因素的影响，使得水体由贫营养向富营养发 展2。 1.1.2 湖泊富营养化的机理 在地表淡水系统中，磷酸盐通常是植物生长的限制因素，而在海水系统中往往是 氨氮和硝酸盐限制植物的生长以及总的生产量。导致富营养化的物质，往往是这些水 系统中含量有限的营养物质，例如，在正常的淡水系统中磷含量通常是有限的，因此 增加磷酸盐会导致植物的过度生长，而在海水系统中磷是不缺的，而氮含量却是有限 的，因而含氮污染物加入就会消除这一限制因素，从而出现植物的过度生长。生活污 水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水都含有大量的氮、磷及其他无机盐类。天 然水体接纳这些废水后，水中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻 和红藻的个体数量迅速增加，而其他藻类的种类则逐渐减少。水体中的藻类本来以硅 藻和绿藻为主，蓝藻的大量出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为 以蓝藻为主。藻类繁殖迅速，生长周期短。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物 分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等气体，从两 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 个方面使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡。藻类及其他浮游生物残体在 腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用。 因此，已经富营养化了的水体，即使切断外界氮磷等营养物质的来源，水体也很难自 净和恢复到正常状态。 1.1.3 湖泊富营养化的成因 水体富营养化的主要原因是由于外源性营养物质(主要是氮和磷)的过量输入，造 成水生生物大量繁殖，引起水生生态系统的失衡。 营养物质的来源：水体中过量的氮、磷等营养物质主要来自未加处理或处理不完 全的工业废水和生活污水、有机垃圾和家畜家禽粪便以及农施化肥，其中最大的来源 是农田上施用的大量化肥。 （1）氮源 农田径流挟带的大量氨氮和硝酸盐氮进入水体后，改变了其中原有的氮平衡，促 进某些适应新条件的藻类种属迅速增殖，覆盖了大面积水面。例如我国南方水网地区 一些湖汊河道中从农田流入的大量的氮促进了水花生、水葫芦、水浮莲、鸭草等浮水 植物的大量繁殖，致使有些河段影响航运。在这些水生植物死亡后，细菌将其分解， 从而使其所在水体中增加了有机物，导致其进一步耗氧，使大批鱼类死亡。最近，美 国的有关研究部门发现，含有尿素、氨氮为主要氮形态的生活污水和人畜粪便，排入 水体后会使正常的氮循环变成“短路循环” ，即尿素和氨氮的大量排入，破坏了正常的 氮、磷比例，并且导致在这一水域生存的浮游植物群落完全改变，原来正常的浮游植 物群落是由硅藻、鞭毛虫和腰鞭虫组成的，而这些种群几乎完全被蓝藻、红藻和小的 鞭毛虫类所取代。 （2）磷源 水体中的过量磷主要来源于肥料、农业废弃物和城市污水。据有关资料说明，在 过去的 15 年内地表水的磷酸盐含量增加了 25 倍， 在美国进入水体的磷酸盐有 60是 来自城市污水。在城市污水中磷酸盐的主要来源是洗涤剂，它除了引起水体富营养化 以外，还使许多水体产生大量泡沫。水体中过量的磷一方面来自外来的工业废水和生 活污水。另方面还有其内源作用，即水体中的底泥在还原状态下会释放磷酸盐，从而 增加磷的含量，特别是在一些因硝酸盐引起的富营养化的湖泊中，由于城市污水的排 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 入使之更加复杂化，会使该系统迅速恶化，即使停止加入磷酸盐，问题也不会解决。 这是因为多年来在底部沉积了大量的富含磷酸盐的沉淀物，它由于不溶性的铁盐保护 层作用通常是不会参与混合的。但是，当底层水含氧量低而处于还原状态时(通常在夏 季分层时出现)，保护层消失，从而使磷酸盐释入水中所致。 1.1.4 湖泊富营养化的危害 （1）恶化水质：富营养化会影响水体的水质，使水变得腥臭难闻，降低水体的透 明度，增加浊度，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成 溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成 鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的 大量水藻，形成一层“绿色浮渣” 。死亡藻类不断沉到底部，加快了底部氧的消耗，使 表面以下的水体处于厌氧状态，造成好氧生物死亡。 （2）影响人畜健康：因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些 物质含量超过一定标准的水，会中毒致病。部分藻类还能分泌藻毒素，引起鸟类、牛、 羊等动物中毒，可能有致突变作用，对人类也有很大的潜在危险 。富营养化对水体生 态和人们生活造成很大影响，对于那些依靠富营养化水体为饮用水源的城市来说，情 况尤为严重。 （3）影响水厂供水：水中的藻类会大大提高化学需氧量(cod)、生物需氧量 (bod)、悬浮固体(ss)等的浓度，增加水处理负担。藻类在过滤时会堵塞滤料，在氯 化消毒时产生三卤甲烷(thms)等有毒副产物。 藻类代谢物如糖酸等在混凝过程中与混 凝剂反应，降低处理效果，增加混凝剂用量，而生成的络合物又会导致管网腐蚀。藻 毒素不能以常规方法去除。因此，富营养化水体作饮用水源会严重影响水厂的工艺运 行、腐蚀管网、恶化出水水质。 （4）影响旅游业：在观光游览区，因藻类大量发展使水体透明度下降，湖泊旅游 观光的价值大减，甚至丧失其功能。 1.1.5 湖泊富营养化的防治对策 富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。这是因为：污染源的 复杂性，导致水质富营养化的氮、磷营养物质，既有天然源，又有人为源；既有外源 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 性，又有内源性。这就给控制污染源带来了困难；营养物质去除的高难度，至今还 没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除废水的氮、磷营养物质。通常 的二级生化处理方法只能去除 30-50%的氮、 磷。 本章仅简要介绍富营养化水体中除磷 和除氮的方法。 （1）控制外源性营养物质输入 绝大多数水体富营养化主要是外界输入的营养物质在水体中富集造成的。 如果减少 或者截断外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性。为此，首先 应该着重减少或者截断外部营养物质的输入，控制外源性营养物质，应从控制人为污 染源着手，应准确调查清楚排入水体营养物质的主要排放源，监测排入水体的废水和 污水中的氮、磷浓度，计算出年排放的氮、磷总量，为实施控制外源性营养物质的措 施提供可靠的科学依据。 （2）减少内源性营养物质负荷 输入到湖泊等水体的营养物质在时空分布上是非常复杂的。氮、磷元素在水体中 可能被水生生物吸收利用，或者以溶解性盐类形式溶于水中，或者经过复杂的物理化 学反应和生物作用而沉降，并在底泥中不断积累，或者从底泥中释放进入水中。减少 内源性营养物负荷，有效地控制湖泊内部磷富集，应视不同情况，采用不同的方法。 主要的方法有： 1）工程性措施：包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水稀释以及在底泥 表面敷设塑料等。挖掘底泥，可减少以至消除潜在性内部污染源；深层曝气，可定期 或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常 保持有氧状态，有利于抑制底泥磷释放。此外，在有条件的地方，用含磷和氮浓度低 的水注入湖泊，可起到稀释营养物质浓度的作用。 2）化学方法：这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，例如有许多种阳 离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝 和钙，它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。例如美国华盛顿州西部的长 湖是一个富营养水体，1980 年 10 月用向湖中投加铝盐的办法来沉淀湖中的磷酸盐。 在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓度则由原来的 65g/l 降到 30g/l，湖泊 水质有较明显的改善。在化学法中，还有一种方法是用杀藻剂杀死藻类。这种方法适 合于水华盈湖的水体。杀藻剂将藻杀死后，水藻腐烂分解仍旧会释放出磷，因此，应 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 该将被杀死的藻类及时捞出，或者再投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放出的 磷酸盐沉降。 3） 生物性措施： 利用水生生物吸收利用氮、 磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、 磷营养物质的方法。目前，有些国家开始试验用大型水生植物污水处理系统净化富营 养化的水体。大型水生植物包括凤眼莲、芦苇、狭叶香蒲、加拿大海罗地、多穗尾藻、 丽藻、破铜钱等许多种类，可根据不同的气候条件和污染物的性质进行适宜的选栽。 水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协 同效应，净化污水。经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、 磷和悬浮颗粒，同时对重金属分子也有降解效果。水生植物一般生长快，收割后经处 理可作为燃料、饲料，或经发酵产生沼气。这是目前国内外治理湖泊水体富营养化的 重要措施。 近年来，有些国家采用生物控制的措施控制水体富营养化，也收到了比较明显的 效果。例如德国近年来采用了生物控制，成功地改善了一个人工湖泊(平均水深 7 米) 的水质。 其办法是在湖中每年投放食肉类鱼种如狗鱼、 鲈鱼去吞食吃浮游动物的小鱼， 几年之后这种小鱼显著减少，而浮游动物(如水蚤类)增加了，从而使作为其食料的浮 游植物量减少，整个水体的透明度随之提高，细菌减少，氧气平衡的水深分布状况改 善。但也发现，浮游植物种群有所改变，蓝绿藻生长量比例增高，因为它们不能被浮 游动物捕食，为此可以放鲢鱼来控制这种藻类的生长。 1.1.6 我国湖泊富营养化现状 在我国，大多数湖泊长年作为纳污水体，水质污染问题严重，而湖泊本身具有相 对封闭性和相对静止性的特点， 水体自净能力较弱， 这更是加大了其污染治理的难度。 2007 年 5 月太湖蓝藻暴发引发水资源危机，直接影响到周边居民的饮用水安全，人 们的生活和工作无法正常进行。这次突如其来的水危机，敲响了湖泊治理的警钟。 我国是一个湖泊众多的国家之一，大于 1 km2的天然湖泊有 2300 余个，湖泊面积 为 70988 km2，约占全国陆地总面积的 0.8%，湖泊总贮水量为 7077 多亿立方米。目前 水体的富营养化已经成为我国较为突出的环境问题之一。 许多大型湖泊如巢湖、 太湖、 鄱阳湖、滇池、杭州西湖等都已经处于富营养或重富营养状态，而且一些河流在部分 河段也出现了富营养化现象，如黄浦江流域珠江广州河段等，据统计，我国主要湖泊 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 处于因氮磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的 56%，由于水体一旦进入富营养阶段 就会对人们的生活环境产生很大的负面影响，最终影响经济建设和社会发展。因此如 何治理富营养化的水体、减少其中的营养物质的含量、恢复水体的综合功能已成为当 前全球性的环境问题研究热点。 1.1.7 晋阳湖富营养化现状 据有关资料显示，位于汾河西岸，距太原市 10 公里的晋阳湖，是建国以来全国最 大的内陆人工湖，也是太原人曾经的骄傲。晋阳湖占地 5.26 平方公里，湖体年蒸发量 为 1000 万立方米，年渗透量为 500 万立方米，其蒸发和渗透，对净化市区空气起到很 大作用，可以说是太原市空气质量的“调节器” 。然而，随着经济的不断发展和时间的 慢慢推移，晋阳湖的清水美景早已成为过去，代之而来映入眼帘的不是黄汤黑水就是 浮萍杂物。去年，太原市环保局监测数据显示，晋阳湖水质为劣五类，属重度污染。 根据相关部门调查，晋阳湖可养殖投食鱼类为 300 吨左右，而目前的养殖产量是 可养殖产量的 3 倍。每年向湖水排放的有机物约为 1900 吨，大约有 1400 余吨通过饲 料和粪便的形式沉淀，严重超出了晋阳湖水体的自净能力。 由于过度养殖和捕捞，晋阳湖的水体严重缺氧，加上污染物大量堆积，晋阳湖的 自净能力明显下降，各种藻类大量滋生、繁殖和蔓延，以致到去年 5 月，晋阳湖内蓝 藻数量急剧增长，整个湖面呈现出绛紫色。8 月，晋阳湖再次出现大量死鱼事故，晋 阳湖对人类过度养殖给予了无情的报复。 污染成因如下： （1） 晋阳湖由于工业用水和水面自然蒸发， 每年补水主要从汾河上游汾河水库放 水时经西干渠引水，而汾河上游段水质受娄烦县和古交市影响，水质已明显污染，这 是造成晋阳湖污染的主要原因。 （2）晋阳湖为太原一电厂冷却循环用水，没有出水口，湖水更新能力差，对水质 的自净极为不利，使得某些污染物浓缩、积累，严重影响其水质。 （3）随着太原市经济的发展，晋阳湖又开辟为水产养殖基地，养鱼投放饲料以及 游泳等人为活动的影响对湖水的污染也不容忽视。 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 1.1.8 湖泊富营养化防治的研究现状 水环境污染问题特别是水体富营养化已成为中国水环境重大问题之一。 20 世纪 60 年代以来，开始对水体富营养化的治理进行了研究，采用换水、引水冲刷、底泥疏浚、 化学除藻、禁用含磷洗涤剂、用塑料薄膜或颗粒材料(如粉煤灰)、覆盖湖底的淤泥等 方法来处理富营养化水体，收效甚微。 20 世纪 80 年代以来，人们在治理富营养化水体发现，单纯依靠控制外源污染， 减少外源养分负荷，不能使富营养化水体水质得到根本的改善，原因在于水体中作为 内源污染的沉积物质已经成为氮、磷营养盐的重要来源。而以生物为主的生态修复方 法不但能有效的控制外源污染，还能调控水生生态系统结构，恢复健康和稳定的水生 生态系统功能。目前，富营养化湖泊治理的思路是控源及生态修复，生态修复的关键 是水生植物。这是因为水生大型植物是河流、湖泊的初级生产者，它们不仅能够吸收 水体中的氮、磷等营养元素合成自身的组织，对富营养化水体起到净化作用，提高河 流的自净能力，而且还能改善生态环境，促进退化水生态系统的恢复。而一种植物一 般只能吸收、降解一种或有限几种污染物，因此在修复、净化富营养化水体时，应针 对不同环境，从净化能力、抗逆性等方面综合考虑水生植物类型的选取，以达到最佳 的去除效果。 目前，利用水生植物净化水质是一种成本低廉，节约能源、效益较高的简便易行 方法，是国内外正在广泛应用的净化水质生物处理措施。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 1.2 三种生态方法综述 1.2.1 阿科蔓生态基技术（悬挂式生物膜法） （aquamats） 1.2.1.1 概念： 阿科蔓生态基是一种用于生态型水处 理的高科技材料，由美国梅瑞地安水生科 技公司研发， 现已应用于全国 80 多个国家 和地区。 2001 年， 阿科蔓技术被引入中国； 2007 年， 由软银赛富投资组建成立阿科蔓 控股有限公司，研发并推广适合中国国情 的水生态治理技术。同年，被水利部评为 重点推广实用技术，成为北京奥运水质维 护工程核心技术。 阿科蔓水生态技术的原理在于，它能为微生物群落提供巨大的生物附着表面积， 并利用生物工程化学原理和精确设计的水生惰性基质，帮助我们选择优势微生物种群 和帮助它们繁衍。应用这种条件，一方面可以充分利用水体中生物群落高效地降解水 体和底泥中营养物质，另一方面可以为整个水体生物圈营造理想的栖息环境，从而恢 复或建立健康的生态水环境。 采用阿科蔓技术治理湖泊，实施简单，管理技术要求低，适应性强，营运费可低 至零。阿科蔓技术已经成功应用于湖泊、水库、景观水体与饮用水水源的治 理及长期维护，城镇小区生活污水就地处理，城镇河道污水综合治理、农村生活污水 处理、污水处理厂出水深度处理等领域。 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 1.2.1.2 类型： 阿科蔓分为两种类型，即 sdf 型（表面放置型）和 bdf 型（底部放置型） 。 1.2.1.3 特点： 阿科蔓产品具有高比表面积的三维结构，其中包括大量的纤维和疏松的孔隙，通 过控制两面的疏紧程度，使空气尤其是氧气在阿科蔓两面上进入最里层的速率和量不 同，从而产生从好氧到厌氧的环境。生态基表面的微 a/o 环境，为硝化、反硝化作用 的细菌群落繁殖以及藻类生长创造适宜的条件，从而强化氮、磷的去除效果。 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 阿柯蔓生态基是利用人工材料和人工技术模拟水体自然生态环境的水体修复技 术，该技术融合了水生生态学、材料学和微生物学的前沿理论，采用阿柯蔓生态基作 为自然生态环境中水草的替代品，借助生态及超强的吸附能力和对浮游生物提供牺息 场所和天然食物的优势，重建被破坏的湖内生态体系，使湖水恢复较强的自净能力， 从而达到净化水体的效果。 1.2.2 人工生态浮床（man-made ecological floating beds） 1.2.2.1 生态浮床概念和原理 人工生态浮床技术是一种无土栽培技术，即人工把高等水生植物或改良的陆生植 物，以高分子材料为载体和基质，种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、 吸附作用和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质，从而起到 净化水质的作用， 并能取得与陆地种植相仿甚至更高的收获量与景观效果。 生态浮床技术治理水环境的机理一般认为如下： （1）植物可以直接或间接地吸收利用水体中溶解氧、氮、磷等营养物质，将其分 解，并通过本质化作用使其成为植物体的组成成分，也可通过挥发、代谢或矿化作用 使其转化成二氧化碳和水，或转化为无毒性作用的中间代谢物； 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 （2）陆生植物水上种植后，能形成较大生物量，特别是发达的根系，能释出大量 能降解有机物的分泌物，从而加速有机污染物的分解； （3）植物与微生物的协同效应：由于水生植物将氧气输送至根区，致使植物根区 的还原态介质中形成了氧化态的微环境，这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为 根区的好氧、兼性厌氧和厌氧微生物提供了不同适宜的小生境。其浸没在水中的茎叶 也为形成生物膜提供了广大的表面空间； （4）许多的水生植物有较高的耐污能力，能富集水中的金属离子和有机物质。比 如凤眼莲，由于其线粒体中含有多酚氧化酶，可以通过多酚氧化酶对外源苯酚的羟化 及氧化作用而解除酚对植物株的毒害，所以对重金属和含酚有机物有很强的吸收富集 能力。 （5）最终通过收获植物体的方法将 n、p 等营养物质以及吸附积累在植物体内和 根系表面的污染物搬离水体，使水体水质得到改善。 1.2.2.2 生态浮床的结构与特点 所谓生态浮床是一种像筏子一样的人工浮体，浮床的载体大多采用白色泡沫塑料 板。在泡沫塑料板上钻出若干小孔后，利用无土栽培技术将一些耐污并具有观赏效果 的水生植物如美人蕉、旱伞草等种到里面，再将泡沫板用铁丝、竹片连接起来，固定 在水中早已打好的桩子上。浮床可以像船一样从深水区拉到浅水区，收割、栽种都很 方便3。 植物是浮床生物群落及其净化水质的主体，选择浮床植物以“湿生”为基本原则。 在我国江南地区，美人蕉、空心菜、水芹菜、水葫芦、水龙、水竹、黑麦草、香根草、 慈菇等都可以作为浮床植物，具有生长快、分株多、生物量大、根系发达、观赏性好 等优点，兼具一定的经济价值，使得浮床可成为颇具有观赏价值的“水上花园”。 生态浮床技术是生态技术，具有无环境风险和二次污染，并可以直接从水体中去 除污染物、充分利用水面而无需占用土地、适应较宽的水深范围、造价低廉且运行管 理相对容易等优点。 创新点是将陆生植物经培育引入水体种植。 陆生植物水上种植后， 能形成较大生物量，特别是发达的根系，可吸附大量藻类等浮游生物，根系释出能降 解有机污染物的分泌物，加速污染物分解。还可创造一定的经济效益和美化污染水体 的水面景观。如种植水生蔬菜等。若采用不同花期的花卉组合，兼有美化景观功能， 即水面种花治理水污染。再加上造价低、供试植物和浮床载体材料来源广，结构组装 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 投放方便、刚柔兼备、效果稳定、能抵抗较大风浪、载体可移动拼装等优点，生态浮 床技术有着广阔的前景。 1.2.2.3 生态浮床对污染水体的去除 人工生态浮床净化富营养化水体的作用主要表现在 （1）对浮游植物的削减： 1995 年日本研究者在霞浦(土浦市大岩田)进行一次隔 离水域试验，试验标明，在生态浮床占有率只有 25 %的条件下，削减了 94 %的植物 性浮游生物4； （2）对水体中 n、p 等营养物质的去除：大多数植物都可以直接从水层和底泥中 吸收氮、磷，并同化为自身的结构组成物质(蛋白质和核酸等) ，因此能对富营养化水 体起到很好的修复效果4； （3）对重金属的富集：环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的， 并且达到一定程度后具有毒害作用，对于此类化合物，一些植物也演化出了特定的生 理机制使其脱毒，并能对重金属进行吸收、富集，从而具有一定的去除水体重金属污 染功能。如凤眼莲能富集镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等多种重金属； （4）抑制藻类的生长：水生植物能通过“克藻效应”抑制有害水藻的生长，从而 净化水环境。 1.2.2.4 生态浮床处理污染水的应用前景 人工生态浮床除了能去除水体中的污染物，从而净化水质这一最重要的功能外， 还有良好的景观效果、增加生物多样性以及一定的经济效益。 （1）景观功能：浮床水系周围空气清新，在绿叶丛中红花、黄花争相斗艳，茂盛 植物映在水中的美丽倒影，成为叹为观止的景观亮点； （2）提高生物多样性：浮床本身具有适当的遮蔽、涡流、饲料等效果，构成了鱼 类生息的良好条件； （3）良好的经济效益：与富营养化水体治理的传统技术相比，人工生态浮床的建 设、运行成本较低，相对传统治污技术，生态浮床的工艺费用节省了 50%以上。此外， 某些经济作物(如蔬菜、花卉) 可以营销市场以获得经济效益，如大面积建设人工生态 浮床其收获植物还可以通过建沼气池加以利用。 集综合其效果来看，生态浮床技术是有效的、经济的以及符合可持续发展要求的 技术之一，它将具有广阔的应用前景。 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 但是，生态浮床技术作为一项新兴的绿色污染治理技术，当前仍处于试验研究阶 段，要真正在实践中广泛应用还有许多工作要做： （1） 继续寻找开发生物量大、 富集污染物能力强的超富集植物是生态浮床技术走 向工程应用的首要任务。超富集植物往往生长缓慢、生物量低，并且常常受到其他杂 草的竞争性威胁，而且多为野生型稀有植物，对生物气候条件的要求比较严格，区域 性分布较强，严格的适应性使成功引种受到严重限制5； （2） 研究植物群落与植物根系相结合的生态及生理学特性、 根系分泌物在选择微 生物群落中的作用、植物根系和根际微生物群落相互作用的机理等； （3） 被转移到植物体内的有毒有害物质的存在形式也需进一步研究， 如果有害物 质未被降解而是累积于植物体内则对人类形成了另一种潜在威胁， 还需进行二次处理； （4） 进一步了解影响水体中植物根系微生物有毒有害物质的相互作用的关键 因子，如物理化学因素、温度、ph 值、营养元素的影响、污染物的形态等； （5） 目前在工程实例中构建生态浮床的材料广泛采用的是有机高分子材料， 这种 载体的比表面积小，不利于微生物挂膜，容易损坏，废弃后便成为固废处理的顽疾， 形成所谓的“白色污染”。为减少这种污染、改善浮床性能，有必要研制开发新型浮 床载体。这种载体应具有以下特点：轻质，可漂浮于水面；生物亲和性高，适于微生 物附着生长，易挂膜；比表面积大，可获得较高生物量；化学性质稳定，环境友好， 无二次污染，易回收处理；实际安装投放可行等，即轻质高效微生物载体6。 1.2.3 人工湿地(constructed wetlands) 1.2.3.1 人工湿地的概念 人工湿地污水处理技术是 20 世纪七八十年代发展起来的一种污 水生态处理技术，一般由人工基质 和生长在其中的水生植物(如芦苇、 香蒲等)组成， 是一个独特的基质 植物微生物组成的生态系统7。 当污水通过系统时，其中污染物质 和营养物质被系统吸收、转化或分 太原理工大学硕士研究生学位论文 15 解，从而使水质得到净化。它利用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与 功能协调原则， 在促进废水中污染物质良性循环的前提下， 充分发挥资源的生产潜力， 防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，是一种同时具有环境效益、 经济效益及社会效益的废水处理技术，适合于水量不大、水质变化不大、管理水平不 很高的城镇的污水处理8。人工湿地基建和运行费用低、出水水质好、对氮、磷等营 养物质去除能力强、维护管理简便、耐冲击负荷强、能耗少、适于处理间歇排放的污 水和具有美学价值等优点9。自从人工湿地污水处理系统于 20 世纪 70 年代初首次在 西德投入使用后，因其优越的性能，获得较快发展，并在全球特别是发达国家迅速推 广开来。我国自 1988 年建立了第一个人工湿地系统后，在人工湿地净化机理、系统 控制、设计及运行参数等方面均取得可喜的进展。 1.2.3.2 人工湿地的构成与作用机理 人工湿地是由填料、植物、微生物、藻类等几种基本成分构成的。 （1）填料 目前人工湿地所采用的填料一般为砂、土壤、砾石等，主要用于构成湿地的滤床， 是承载植物的媒介，是湿地构成中最基本的部分。一方面为植物的生长提供基质，另 一方面也可吸附、过滤其中的部分有机污染物10。 （2）植物 植物是湿地中重要的去污成分， 根植于填料层中， 不仅可通过自身的生长与繁殖， 消耗大量有机污染物及无机物，还可通过植物的光合作用为湿地填料中附着生长的微 生物提供氧气。用于处理湿地的植物通常是具有美化景观作用的水生草本植物，一般 有以下特点：耐污性能好、处理效果大、吸收能力强、成活率高； 根系发达、茎叶茂 密、 输氧能力强、生长快、生长周期长、抗冻、抗热、抗病虫能力强；易于维护管理； 常见的人工湿地植物有： 芦苇、凤眼莲、香蒲、菖蒲、美人蕉等。 湿地植被能影响水的运动，植物密度与生活型都会影响到植物减缓水流的速度， 从而带来悬浮颗粒吸附与沉降的差异。另外，植物还为微生物的活动提供巨大的物理 表面，植物根系表面也是重金属和一些有机物沉积的场所。有些植物(如芦苇) 的根系 分泌物还能杀死污水中的大肠杆菌和病源菌11。总的来说植物的作用，可分为直接净 化作用和间接净化作用。直接净化作用是指植物通过吸收、吸附和富集等作用直接去 除污水中污染物(如对氮、磷的吸收利用和重金属的吸附和富集)；间接净化作用是指 太原理工大学硕士研究生学位论文 16 植物能为湿地系统其他去除污水中污染物的过程提供有利环境(如向植物根区供氧、 加 强水力传导和维持通气状况等)12。 （3）微生物 微生物在湿地养分的生物地球化学循环过程中往往起核心作用，它们是各类污水 中最先出现并对污染物起吸收与降解作用的生物群体，而且还能捕获溶解的成分给它 们的动物或植物共生体利用