（环境工程专业论文）利用生态浮床净化水质的实验研究及设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 利用植物来改善水环境是目前生态修复研究中的一个热点，在净化水质和美 化环境方面起着重要的作用。本文在镇江地区现有的植物资源基础上，以美人蕉、 香根草、彩叶草、长春花、水稻、矮牵牛、皇帝菊和孔雀草等具有较高观赏价值 和经济价值的陆生植物和湿生植物为试材，采用浮体栽培床形式，就植物对水质 的净化作用作了静态试验研究，并初步研究了植物根系在水质净化中所起的作用。 结合内江示范区的实际情况，本文还对浮床的设计及其应用作了探讨。结果表明： 1 皇帝菊和孔雀草不适合在污水中生长，其他六种植物在富营养化水中均能 正常生长。收获时各种植物生物量都有一定幅度的增长，其中美人蕉和香根草生 产能力最强，收获时生物量相对种植时生物量分别增加了1 5 1 5 9 和1 1 1 9 5 9 ；矮牵 牛生物量最小，仅增加了4 6 6 9 。 2 从静态试验研究可知，六种植物处理对水质都具有一定净化效果。水质p h 下降，水中溶解氧增加，t n 、n h 3 - n 、t p 和c o d 浓度显著下降。植物处理对t n 和t p 的平均去除率可分别达到5 1 7 - 一9 3 8 、5 3 7 9 3 8 ，很大程度上去除了 水中的氮磷营养物质；由于沉淀、吸附和降解等作用，水中c o d 去除率也在 5 4 9 - 一8 7 1 ；各植物处理下的n h 3 - n 去除效果不明显，仅为5 8 5 0 o - - - 6 9 5 ，与 相关报道的氨氮高去除率有很大差距，原因有待进一步研究。此外，水中氮磷物 质的去除与植物的生长状况有关，生长发育阶段对总氮、总磷的去除效果显著， 进入成熟期后去除量降低。综合评价各种植物净化能力，从大n d , 依次为香根草、 美人蕉、彩叶草、水稻、长春花、矮牵牛。 3 通过植物根部泌氧性能试验，高等陆生植物在水体厌氧胁迫环境下，会造 成通气组织及不定根的形成，从而能将氧气传输至植物根部，产生根区效应，极 大程度地去除水中污染物。 4 对六种植物进行净化水质效益综合评价，从净化能力，抗逆性，管理难易， 综合利用价值和美化景观等几个方面加以研究，采用静态试验结果作为评价依据， 评价结果按优先次序排序为：香根草 美人蕉 彩叶草 长春花 水稻、矮牵牛。 关键词生态浮床 陆生植物水质净化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti saf o c u st ou t i l i z ep l a n t sf o ri m p r o v i n gw a t e re n v i r o n m e n ta te c o l o g i c a l r e m e d i a t i o n ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ea tp u f f f y i n gw a t e rq u a l i t ya n db e a u t i f y i n g s u r r o u n d i n g s o nt h eb a s i so fe x i s t i n gp l a n tr e s o u r c e si nt h ea r e ao fz h e n j i a n g ，t h i s p a p e rf i r s tm a k e sa nt e s tr e s e a r c ha b o u tp u r i l y i n gw a s t e w a t e rw i t hv e g e t a t i o nw h i c h h a v eb e e nm o r ew o r t he n j o y i n ga n dm o r ee c o n o m i ci nt h el a n d ，s u c ha sc a n n a ， v e t i v e r i a ，c o l e u s b l u m e i h y b r ，c a t h a r a n t h u s ，o r y z a ，p e t u n i a ，m e l a m p o d i u ma n dt a g e t e s w i t ht h ef o r mo f f l o a t i n gb e d ，i td e s i g n sas t a t i ct e s ta b o u tp u r i f y i n gw a t e rq u a l i t yu s i n g p l a n t ss e l e c t e d ，a n dp r e l i m i n a r i l yr e s e a r c h e st h ef u n c t i o no fp l a n tr o o ts y s t e m i ta l s o d i s c u s s e sa b o u td e s i g n i n ga n da p p l y i n go ff l o a t i n gb e da c c o r d i n gt oa c t u a lw a t e r q u a l i t yo fr i v e r t h er e s u l ti n d i c a t e s ： m e l a m p o d i u ma n dt a g e t e sa r eu n s u i t a b l et og r o wa m o n gs e w a g e ，b u to t h e rs i x p l a n tc a l lg r o wn o r m a l l y w e i g h t so f a l lp l a n t sh a v ec e r t a i ng r o w t hw h e n r e a p e d c a n n a a n dv e t i v e r i ap r o d u c t i o nc a p a c i t ya r eb e s ta m o n gs i xp l a n t s ，w h i c ht h e i rb i o m a s s i n c r e a s e1515 9a n d1 ll9 5 9r e s p e c t i v e l y ；p e t u n i ai st h ew o r s t ，o n l y4 6 6 9 f r o mt h es t a t i ct e s t ，r e s u l t si n d i c a t et h a ts i xk i n d so fp l a n t ss y s t e mh a v ee f f e c to n p u r i f y i n gw a t e rq u a l i t y , w h i c hp hv a l u ei st od r o p ，d i s s o l v e so x y g e nc o n c e n t r a t i o ni st o i n c r e a s e ，t n ，n h 3 - n ，t pa n dc o d c o n c e n t r a t i o nn o t a b l yd r o pi nw a t e r p l a n ts y s t e m s a v e r a g ee f f i c i e n c y o fr e m o v a lt o t a l n i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u s a r e u pt o 5 1 7 0 旷9 3 8 a n d5 3 7 - 9 3 8 r e s p e c t i v e l y , w h i c hg e tr i do f p o l l u t a n t si nw a t e rt oa g r e a te x t e n t ；c o dr e m o v a le f f i c i e n c yi s5 4 9 - 8 7 1 i np l a n t ss y s t e mb e c a u s eo f s e d i m e n t a t i o n ，a s s i m i l a t i o na n dd e g r a d a b i l i t y ；b u tn h 3 一nr e m o v a le f f i c i e n c yi so n l y 5 8 5 旷6 9 5 w h i c hh a sg r e a td i s p a r i t yc o m p a r e d 谢t l lo t h e rt e s t s ，a n dt h e r ew i l lb e d e e pa n a l y s i s m e a n w h i l e ，t h er e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sh a sr e l a t i o n s 、i m p l a n t sg r o w t hi nw a t e r t h er e m o v a le f f e c ti sr e m a r k a b l ew h e ng r o w i n gs t a g e ，w h i l e w o r s ew h e nm a t u r i n gs t a g e t h er e s u l ti sv e t i v e r i a , c a n n a ，c o l e u s b l u m e i h y b r ，o r y z a ， c a t h a r a n t h u sa n dp e t u n i a , f r o mt h ef i r s tt ot h el a s t ，a c c o r d i n gt oc o m p r e h e n s i v e a p p r a i s a lo fs i xk i n d so fp l a n t sp u r i f i c a t i o nc a p a b i l i t y f r o mr o o tr e s t o r i n go x y g e nt e s t ，a d v a n c e dt e r r a n e o u sp l a n t sc a l lc o m ei n t ob e i n g a e r e n c h y m aa n da d v e n t i t i o u sr o o t su n d e rh y p o x i ae n v i r o n m e n t s ，s u p p l yo x y g e nt or o o t s a n df o r mr o o tr e g i o ne f f e c t sw h i c ha c c e l e r a t e sp o l l u t a n tr e m o v a li nw a t e r b o d y t h e r eh a sc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no np u r i f i c a t i o nw a t e ro fs i xk i n d so fp l a n t s t h r o u g hp u r i f i c a t i o na b i l i t y , r e s i s t i n ga d v e r s i t y , m a n a g e m e n t ，e c o n o m i cv a l u ea n d b e a u t i f y i n g o nt h eb a s i so fs t a t i ct e s td a t a , f r o mb e s tt ow o r s t ，t h er e s u l ti sv e t i v e r i a ， c a n n a , c o l e u s b l u m e i h y b r ，c a t h a r a n t h u s ，o r y z aa n dp e t u n i a k e yw o r d s ：e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e d ；t e r r a n e o u sp l a n t s ； w a t e rp u r i f i c a t i o n i l 江苏大学硕士学位论文 图目录 图3 1 植物净化水质试验设计一l8 f i g 3 1s k e t c hm a po ft h ee x p e r i m e n t a ld e s i g n 18 图3 2 水中p h 变化1 9 f i g 3 2c h a n g e so f p hi nw a t e r 1 9 图3 3 各植物处理下水中t n 去除效果一2 0 f i g 3 3e f f e c to nt o t a ln i t r o g e nr e m o v a lf r o mw a s t ew a t e rb yp l a n tt r e a t m e n t s 2 0 图3 4 各植物处理下水中n h 3 n 去除效果2 l f i g 3 4e f f e c to na m m o n i a cn i t r o g e nr e m o v a lf r o mw a s t ew a t e rb yp l a n tt r e a t m e n t s 2 l 图3 5 各植物处理下水中t p 去除效果2 2 f i g 3 5e f f e c to nt o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a lf r o mw a s t ew a t e rb yp l a n tt r e a t m e n t s2 2 图3 6 各植物处理下水中c o d 去除效果2 3 f i g 3 6e f f e c to nc o d r e m o v a lf r o mw a s t ew a t e rb yp l a n tt r e a t m e n t s 2 3 图3 7 种植时和收获时总生物量比较( 鲜重) 2 4 图3 8 种植时和收获时总生物量比较( 干重) 2 5 f i g 3 8c o m p a r i s o no fd r yw e i g ho f p l a n t sw h e np l a n t e da n dr e a p e d 2 5 图4 1 水中植物根区图3 4 f i g 4 1r h i z o s p h e r eo f p l a n t si nw a t e r 3 4 图4 2 收获时部分植物根系3 5 f i g 4 2ap a r to f p l a n tr o o t sw h e nr e a p e d 3 5 图4 3 i 植物种植时和收获时根长比较3 6 f i g 4 3c o m p a r i s o no f r o o tl e n g t ho f p l a n t sw h e np l a n t e da n dr e a p e d 3 6 图4 4 植物复氧情况比较3 7 f i g 4 4c o m p a r i s o no nr e s t o r i n go x y g e no f p l a n t s 3 7 图5 1 日本k a s u m i g a u r a 湖的生态浮床4 l f i g 5 1e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e da tk a s u m i g a u r al a k ei nj a p a n 4 1 图5 2 生态浮床设计流程图4 3 f i g 5 2d e s i g nc o u r s eo fe c o l o g i c a lf l o a t i n gb e d 4 3 图5 3 生态浮床北固示范区位置示意图4 4 f i g 5 ：；l o c a l i t yo fe c o l o g i c a lf l o a t i n gb e da tb e i g u 4 4 图5 4 生态浮床构造图。4 5 f i g 。5 4s t r u c t u r eo f e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e d 4 5 图5 5 植株移植示意图4 5 f i g 5 ：；s k e t c ho ft r a n s p l a n t i n g 4 5 图5 6 三角形浮床构造图4 6 f i g 5 6s t r u c t u r eo f t r i a n g l ef l o a t i n gb e d 4 6 图5 7 三角形浮床平面配置图一4 6 f i g 5 7p l a n ec o n f i g u r et r i a n g l ef l o a t i n gb e d 4 6 图5 8 浮床固定法示意图4 7 f i g 5 8f i x e dm e t h o do ff l o a t i n gb e d 4 7 v i 江苏大学硕士学位论文 表目录 表l 。l 水环境治理与生态修复技术分类及其适用范围2 n 山l e1 1 t y p ea n ds c o p eo fw a t e re n v i r o n m e n t a lt r e a t m e n ta n de c o l o g i c a l r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y 2 表2 1 植物处理系统中污染物及其去除机制1 l 1 a b l e2 1p o l l u t a n t sa n dr e m o v a lm e c h a n i s mi nt h ep l a n ts y s t e m 12 表3 1 水中溶解氧值( m g l ) 2 0 t a b l e3 1t h ev a l u eo f d i s s o l v e do x y g e n 2 0 表3 2 两个周期在5 0 天时水体各项目去除率比较2 4 r l b l e3 2c o m p a r i s o no f r e m o v a le f f i c i e n c ya f t e r5 0d a y st r e a t m e n t 2 4 表3 3 植物总生物量增长量2 5 t a b l e3 3i n c r e a s i n gw e i g ho f p l a n t s 。2 5 表3 4 六种植物综合评价结果2 9 t a b l e 3 4t h er e s u l t so fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no l lp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c i e so ft h e s i xp l a n t s 2 9 表4 1 陆生植物根系复氧情况比较3 7 t a b l e4 1c o m p a r i s o no f r e s t o r i n go x y g e no f p l a n tr o o t s 3 7 v l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，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。 本学位论文属于 保密囤，在j 鲫罗年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：。分x 、y 弘够年易月2 o 日 指 一，年喟矽日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：加，年6 月砌e t 江苏大学硕士学位论文 1 1 水环境问题 第1 章引言 1 1 1 水环境污染现状 水是人类生存所必需的资源，地球表面约有7 0 以上被水覆盖，总水量约为 1 3 8 6 亿k m j ，但淡水储量仅o 3 5 亿k m 3 ，仅占总水量的2 5 3 ，而且，和人类生 活、生产关系密切的淡水储量为4 0 0 多万k m 3 ，只占淡水总储量的1 1 ，总水量 的o 3 1 1 1 。不仅如此，全球人均水资源拥有量日益下降，全球共有1 0 0 多个国家 缺水，严重的有4 0 多个，发展中国家有3 4 的农村和1 5 的城市得不到安全卫生 的饮用水，8 0 的疾病和1 3 的死亡率与水质污染有关。全球每年向江河湖泊排放 污水4 2 6 0 亿k m 3 ，造成5 5 0 0 0 亿k m 3 水体的污染，占全球径流量约1 4 以上，全 球河流稳定流量的4 0 受到污染，并有恶化趋势1 2 1 。 我国水资源总量约2 8 1 2 4 亿m 3 ( 其中地下水8 0 0 0 亿m 3 ) ，居世界第六，而人 均水资源只有2 7 1 0 m 3 ，约为世界人均水资源量的1 4 t 3 1 。调查结果表明【4 1 ：我国七 大水系有i 3 河段已遭受污染，氨氮、挥发酚、b o d 等指标都超标，在大中城市 的下游河段大肠菌群体也明显加重。松花江、辽河、海河、淮河和黄河4 0 - - - , 7 0 的水体己降至最差的4 类或5 类标准，其中尤以淮河为最，淮河的1 9 1 条支流中， 8 0 的水体已呈黑绿色。另外，全国最长的河流长江也正受到污染的影响和威胁， 仅干流的2 1 个主要城市每年就向长江排放6 3 亿吨污水，并以每年超过3 3 的速 度在增加，城市江段已明显形成岸边污染带。 1 1 2 水环境污染的实质 现代水文化创立的基本原则是满足现代人们对水文化的基本需求，反映现代 人与水的关系，体现现代科技进步。水是基础性的自然资源和战略性的经济资源。 各国为控制水环境污染进行了大量研究，并且耗巨资对有些主要湖泊和城市河道 进行了大范围治理。如日本的琵琶湖、霞浦湖，美国的m a t h e u s 湖，作为饮用水 源，这些湖都已富营养化，国家和政府投入了大量的人力、物力和财力。国务院 第1 章引言 1 9 9 8 批复规划2 0 1 0 年基本解决太湖富营养化问题；九五期间，巢湖和滇池的富 营养化治理作为省工作重点。通过大量研究与实践，已明确水环境污染实际上是 典型的生态问题【5 , 1 0 1 ，因此，在对污染水域进行治理时，用生态学方法使生态问题 得到最终解决。 1 2 水环境治理与水生态系统修复技术现状及发展趋势 1 2 1 现状 河湖水质污染实质是由于不合理的人为活动造成的，保护水环境首先应当停 止不合理的人为活动，逐步恢复河湖生态的良性循环系统。研究表明，对水域的 水环境污染进行有效治理的前提是控制污染源，只有外源得到了有效控制，作为 末端治理技术的水环境污染治理才能见效，不然只能起到事倍功半的效果，甚至 徒劳。国际上实践经验表明，对污染河湖的治理，必须实施污染源控制和生态修 复相结合的办法，采取的技术线路可以归纳为“高强度治污，自然生态恢复”。 从广义上讲，所有的生物处理都是生态修复。目前，国际上根据原理已在使 用的或已进入中试阶段的污染水域治理与生态修复技术可分为物理法、化学法和 生物生态法三大类。其中的技术名称包括底泥疏浚、人工增氧、生态调水、化学 除藻、絮凝沉淀、重金属化学固定、微生物强化、植物净化、生物膜。( 见表1 1 ) 表1 1 水环境治理与生态修复技术分类及其适用范围 t a b l e1 1t y p ea n ds c o p eo fw a t e re n v i r o n m e n t a lt r e a t m e n ta n de c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y 技术分类技术名称选用污染水域范围主要作用 底泥疏浚严重底泥污染外移内源污染物 人工增氧严重有机污染促进有机污染物降解 物理法 通过稀释作用降低营养盐和 生态调水富营养化，有害无毒污染 污染浓度，改善水质 化学除藻 富营养化直接杀死藻类 化学法絮凝沉淀底泥内源磷污染将溶解态磷转化为固态磷 重金属化学固定重金属污染抑制重金属从底泥中溶出 微生物强化 有机污染促进有机污染物降解 生物 植物净化 富营养化、复合性污染污染物迁移转化后外移 生态法 生物膜有机污染促进有机污染物降解 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 发展趋势 早在上世纪初，欧美有些国家就关注水环境的污染，并且开始研究与防治。 近几十年来，各国为控制水环境污染进行了大量研究，并且耗巨资对有些主要湖 泊和城市河道进行了大范围治理。大量实践证明，水环境的污染是可以治理的， 但这种治理常常费时长及费钱多：国际上治理最成功的美国华盛顿湖，耗资1 3 亿美元，前后经过1 7 年治理才达到目标；而面积仅l k m 2 的瑞典的f r u m m a n 湖， 费时2 2 年，耗资9 0 万美元才治理完毕，等等。由于化学、物理方法耗资大，对 技术设备要求高，甚至会给环境造成新的污染，因此，从上世纪七十年代起，尤 其是近十余年来，日本、美国、德国、瑞士等发达国家纷纷对以往的水环境治理 思路进行反思，提出了生态治水的新理念，尊重河湖系统的自然规律，注重对其 自然生态和自然环境的恢复和保护，使河湖的综合服务功能展现更好。 水环境的面源污染的严重性，目前已受到国内外普遍的关注。面源污染是指 由于暴雨径流冲刷地面污染漫性进入水体而造成的污染，不仅使水质恶化，造成 水质富营养化，而且也降低河流、湖泊的旅游价值，同时也增加了河道淤积速度。 污染物包括泥沙、细菌、需氧物质、重金属、有机物等。水环境面源污染的特点 是面广，涉及流域面积往往很大，污染物与负荷量随时间、空间的变化增大，进 行研究所需要的投入也相应很大，其治理难度不亚于点源。就美国、日本等发达 国家对农业面源污染治理尤其是近年治理发展趋势来看，主要采用生物氧化塘、 人工湿地和土地处理系统等来进行治理面源污染。 就具体的技术发展趋势来看，生物生态方法是修复水生态系统中最为推崇的 举措之一。这种技术实际上是对水体自净能力的强化，是人们遵循生态系统自身 规律的尝试。生物方法先后采用了微生物、藻类、水生植物，以及一部分陆生植 物来处理；但由于微生物、单细胞藻类体积微小，不利于收集，因此不适合在湖 泊、水库等大型水体中作为净化植物。根据目前的水生态修复技术应用情况，具 有去除氮、磷富营养化物质能力的湿地和高等植物的水质净化方法，在水环境保 护中得到了关注。 3 第1 章引言 1 3 高等植物；争化水质的前景和进展 1 3 1 高等植物净化水质前景 与其他方法相比较，利用高等植物净化水质，成本低，对环境扰动少，有较 高的美化环境价值，易为社会所接受，有利于生态环境的改善，同时可以收获植 物获得经济效益等。d a v i dg l a s s 报告，在美国，1 9 9 7 年植物治理污水市场约为 3 0 0 7 0 0 万美元，2 0 0 0 年估计为2 4 0 0 5 0 0 0 万美元，2 0 0 5 年估计为l 2 亿美元。 因此，此项技术的研究和发展具有广阔的前景。 1 3 2 高等植物净化水质进展 环境工作者对高等水生植物在水质净化中的作用已进行了大量广泛的研究， 根据挺水植物、漂浮植物、根生浮叶植物和沉水植物不同生态类型的水生植物净 化能力及其微生物特点，直接在富营养化严重的湖泊和河流中组建人工复合生态 系统( 简称a c e ) 。常用的处理方式有：( 1 ) 净化塘，以某种水生植物占绝对优 势而组成的特殊水生生态系统，通过水生植物群落的阻滤、沉降、吸附等物理作 用以及植物体的吸收、积累等作用而达到对污水的效果，如凤眼莲净化塘、香蒲 植物净化塘等睁1 0 】。最近几年，水生植物净化塘净化污水种类越来越多，处理规 模也越来越大，由一种植物为主发展到多种植物搭配，取长补短，达到最佳净化 效果。( 2 ) 人工湿地系统，利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的三重协同 作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水 的高效净化，建造和运转费用低、维护简单、效果好，且为众多野生动物提供了 栖息地。 在冬季，大多数高等水生植物生长极其缓慢，很大一部分漂浮植物、挺水植 物死亡。当高等水生植物死亡后，如果不对其进行必要的打捞处理，残枝就会在 水中腐解，从而产生二次污染，使得本来是起净化水体作用的高等水生植物成为 水体的污染源。考虑到大部分高等水生植物易产生后遗症，其打捞问题一直是环 保工作的一大难题，因而不提倡大面积应用。随着研究的不断深入探索，利用高 等陆生植物治理污染水质得到迅速发展。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的提出 1 4 1 课题提出的背景 本研究课题源于国家“十五”重大科技专项镇江水环境质量改善与生态修 复技术研究及综合示范分项课题之一：生态堤一滨江带一湿地系统的修复和污 染控制技术研究的示范工程。 镇江城市水系的最终受纳水体是长江。征润州芦滩的不断发展，对内江已形 成合围之势，因而形成镇江城市水系与长江的流通需要经过内江的交换的态势， 因此，内江也逐步具有湖泊的一些水文、水动力学特征。外江的水位、流量和潮 汐对内江的影响十分显著，各种水体污染物和污染源在内江的运动、转移、沉积 和扩散等规律也十分复杂多变。内江的湖泊水文、水动力学特征导致大量长江泥 沙沉积于内江，同时城市水系带来的污染物和内江周围的点源、面源污染物也大 量积聚内江，内江水位、水量、泥沙和污染物的相互作用导致内江水体污染严重， 水质复杂多变，特别是水体的透明度远远达不到沉水生态系统健康生长的要求， 内江水体富营养化日趋严重。 本分项选择的研究载体“生态堤一滨江带一湿地，其地理形态和在内江的区 位，兼有河流与湖泊的水文水动力学特征，因而该区域的污染物转移、扩散的水 文水动力规律十分复杂：该区域水体的主流为自西向东，由于北固山的阻挡，水 流方向在此发生较大转变，受此水流作用，该区域上游的污染物部分被转移到本 区域水体；在雨季，由于雨水径流和北固山下的雨水排放，该区域有一定程度的 自西南向东北方位的水体流向，该区域面源污染物被转移到本区域水体：在东南 季风或潮汐涨潮的时候，该区域下游的水体受到自东向西的水体流动的影响，该 区域下游的虹桥港水系携带的污染物、江滨雨水泵站的面源污染物和大东沟与江 滨污水泵站溢流口点源污染物等部分被转移到本区域水体；在东北季风或潮汐涨 潮的时候，该区域北部的水体受到自东北向西南的水体流动的影响，内江水体的 污染物、渔业污染物和船舶污染物等部分被转移到本区域水体。此外，由于本研 究区域是开放水体，在内江水文相对比较平静的时期，本区域中的污染物由于扩 散、漂移等水动力学因素，和内江水体发生大量的交换活动。 5 第1 章引言 1 4 2 本课题研究的目的和内容 目前，国内在植物净化水体及污水处理的工作已开展多年，一些工程取得了 很好的效果，但是在高等陆生植物如何发挥净化水质作用上，尤其是在自然水域 水质净化方面应用不多，而进一步研究植物去除水域中n 、p 、藻类等富营养成分 方面的报道就更少t t l l l 。以往采用陆生植物治理污染水域研究仅局限于富营养化 水体，对目前已占一定比例的复合性污染水域，尤其是污染程度极为严重的城市 水域的治理研究尚处于起步阶段，而国内外目前尚无这方面的现成技术和研究报 j l 厶 追。 本课题着手于探索镇江地区来源广泛，易于管理，对富营养化水的净化效果 好，生长优良且具有美化环境的植物，利用生态浮床技术，选用部分陆生植物及 湿生植物进行实验室试验，在结合景观效应的基础上，研究各种植物对水质净化 的效果：并试图根据滨江带实际的水文和动力学情况，设计适合于滨江带应用的 生态浮床。通过水上种植高等植物，把污水处理与美化水域结合起来，使水质的 改善和环境的可持续性得以协调发展，为今后大规模利用植物修复污染水体提供 依据和参考。 参考文献 【l 】王华东等水环境污染概论北京师范大学出版社，1 9 8 5 【2 】曹磊全球十大环境问题环境科学，1 9 9 5 ，1 6 ( 4 ) 【3 】曲格平i 中国环境问题及对策环境科学出版社，1 9 9 0 【4 】国家环保总局跨世纪的中国环保环境保护，1 9 9 8 ，( 8 ) 【5 】上海市科学研究所水环境治理与水生态系统修复技术现状，2 0 0 5 ， ( 2 ) 【6 】吾甫尔米吉提，艾尔肯热合曼，苏里坦阿巴拜克力等利用水浮莲( p i s t i as t r a t i o t e sl ) 净化城市污水的实践中国环境科学，2 0 0 2 ，2 2 ( 3 ) ：2 6 8 2 7 1 【7 】刘玉，胡文凤香蒲铅锌废水净化塘藻类、菌类生境调查及抗性藻种筛选生态学杂志，1 9 9 4 ， 1 3 ( 2 ) ：1 9 2 2 ，2 9 【8 】叶志鸿宽叶香蒲净化塘系统净化铅锌矿废水效应的研究应用生态学报，1 9 9 2 ，3 ( 2 ) ： 1 9 0 一1 9 4 【9 】陈桂珠，马曼杰，蓝崇钰等香蒲植物净化塘生态系统调查研究生态学杂志，1 9 9 9 ，9 ( 4 ) ： 1 1 1 5 【10 】s u m m e r f e l tst a d l e rp g l e n ndm ，e ta 1 a q u a c u l t u r es l u d g eg o n t r o lr e m o v a l a n d 6 江苏大学硕士学位论文 s t a b i l i z a t i o nw i t h i nc r e a t e dw e t l a n d s j a q u a c u l t u r a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，1 9 ：8 l 9 2 【1 1 】葛滢，常杰等两种程度富营养化水中不同植物生理生态特性与净化能力的关系【j 】生态学 报，2 0 0 0 ，2 0 ( 6 ) ：1 0 5 0 - - 1 0 5 5 7 第2 章文献综述 2 1 自然水域浮床 第2 章文献综述 自然水域浮床，是根据无土栽培的原理，采用人工新材料作浮体栽培床( 简 称浮床) ，并通过独特的肥料供应及相应的栽培与工程措施，在自然水域的水面上 无土栽培植物。它与传统的营养液栽培有很大的不同，植物根系直接生长在自然 水体中，而不是生长在营养液中，设施简单、操作方便，是一种可以充分利用水 面资源，发展粮食生产j 净化污染水质，营造水上园林景观的新技术。 2 1 1 历史与现状 早在我国的三国时代( 公元3 世纪) ，我国南方的一些地区，农民就开始利用 菰的根系和茎多年聚集起来的漂浮“板块”或由植物枯杆编织而成的浮体作栽培 床，古称“蓟田”或“架田 ，在水面上种稻。这种种植方式在唐宋时颇为流行。 自明代以后就逐渐减少，水面种植空心菜尚有所见。在中美洲如墨西哥，当地农 民利用芦苇变成筏子，上铺泥土种植玉米、蕹菜等。在缅甸，农民利用湖泊中天 然生长的植物根茎聚集起来的浮垫，在上面种植蔬菜等农作物f 2 4 j 。 上世纪八十年代，中科院南京湖泊与地理研究所、福建省农科院等单位，以 聚苯乙烯发泡板作为浮载体，铺上泥后进行种稻。或以聚苯乙烯作为浮体主材料， 辅以竹条、丙烯袋、塑料薄膜等构成浮体栽培床种植各种植物，为自然水域植物 栽培作了有益的尝试。 1 9 8 8 年，中科院院士徐冠仁博士针对我国人口增加，耕地减少，粮食短缺危 机始终存在的现实，提出了应用现代农业工程技术，开发利用自然水域表面，拓 展作物生产领域的设想。1 9 9 0 年，中国水稻研究取得两项发明专利，并形成了一 套比较成熟和完善的新型水上无土种植技术。它是在新形势下对古代的水面种植 的挖掘与继承，也是对近代水面种植的创新与发展，在栽培方法、肥料供应、工 程措施等方面都与它们有着本质的不同。它克服了前两者全部或部分利用植物残 体作浮体而对水体造成的再污染，也改变了前两者的小农生产模式，有利于规模 8 江苏大学硕士学位论文 化、模式化和机械化，符合现代农业的要求。 2 1 2 生态浮床在水质净化中的应用 在我国，有不少关于水上漂浮栽培陆生植物的研究报道。李止正等【i 】在太湖水 面上成功地种植了莴苣、水蕹菜、黑麦草、狗尾草等植物；宋祥甫等【2 】成功地研 究了自然水域种稻：周国宁等【3 1 在西湖水面上成功地种植了美人蕉、风仙花等2 0 种陆生花卉。随着浮床技术应用领域的不断拓展，中国水稻研究所发明了浮床陆 生植物净化污染水域技术，其他学者也开始研究在富营养化水域表面以浮床技术 种植粮油、蔬菜、花卉等各种适宜的陆生植物。9 0 年代，我国开始研究利用漂浮 栽培水蕹菜、多花黑麦草等植物处理废水【】，在收获农产品、美化水域景观的同 时，通过其吸收利用和吸附作用，富集去除水体中过多的氮、磷元素，以达到变 害为宝、化害为利，净化水质且使水体产生良性循环的目的。研究表明：这些植 物处理废水，既可净化水质，也可实现废水资源化。 2 1 3 用于水质净化的浮床植物 为保证达到环境、生态和景观和经济效益的统一，用于水域净化水质的浮床 植物通常是将粮油、蔬菜和花卉等植物进行组合搭配，常用的有水稻、水芹、蕹 菜、丝瓜、大蒜、西洋菜、美人蕉、凤仙花、石菖蒲、香根草、风车草、多花黑 麦草、狗尾草、灯芯草、萱草等。但是在污水中生长的蔬菜涉及食用安全性问题， 较难推广，因而有待探索一些高净化能力，处理容易的品种。 2 2 浮床植物净化水质的机理 浮床植物主要是陆生植物和湿生植物，其净化机理与水生植物类似，也是通 过其自身的生命活动将水中的污染物质分解转化或富集到体内，然后去除，恢复 水域中的养分平衡；同时通过植物的光合作用放出氧气，增加水中溶解氧含量， 从而改善水质，减轻或消除污染。 2 2 1 植物的自身性状和抗性 当植物生长在水中，由于长期处在一种缺氧的环境中，本身的形态解剖结构 上形成特殊性状【引。根、茎、叶形成完整的通气组织，保证器官和组织对0 2 的需 要【9 】；叶片呈肉质，如香蒲表皮有厚角质层，栅栏组织发达，污染点处的根、茎、 9 第2 章文献综述 叶表皮细胞排列紧密【lo j 等结构能抵抗凶污染受害而引起的同化功能下降、水分蕉 腾，增强了植物的耐污性和抵抗力。 2 2 2 植物的吸收、富集 植物去除氮磷的机制之一是通过植物本身的吸收作用，植物根系发达，利于 吸收水中物质。如香根草生长过程中需要大量的n 、p 营养物，可大幅度地去除 富营养化水体中主要养分氮、磷元素，植物生长6 0 天时，对总氮、总磷的去除率 可分别达到7 9 1 和8 4 4 t 1 1 】。研究发现，不同的植物种类以及植物体的不同部 位，其吸收能力都不同。植物体各器官的含磷量各不相同，依次为叶 根 茎 胚轴， 且都随水体中营养物浓度的升高而升高；此外，植物体在不同生长期的磷含量也 不相同【2 3 1 。香蒲植物吸收废水中的重金属时，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各种元素，形成新的动态平衡，防止对某元素 吸收过多而引起毒害