（环境工程专业论文）动态和静态条件下农田沟底反硝化吸磷工艺研究.pdf

a u t h o r ss i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： t h e s i sr e v i e w e r 1 ：一p r o f e s s o ra n c h e n gl u o t h e s i s 。 ：p r o f e s s o rkrmn91 h e s i sr e v i e w e r2 p r o f e s s o rg u a n g r n i n rt i a n ： t h e s i sr e v i e w e r 3 ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r z a n f a n gj 1 n c h a i r ：一p r o f e s s o r x i a n g y a n ex u ( c o m m i t t e eo fo r a ld e f e n c e ) c o m m i t t e e m a n1 ：一p r o f e s s o rw e i x i a n gw u c o m m i t t e e m a n 2 一p r o f e s s o rj i y a ns h i c o m m i t t e e m a n3 ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h e n m e il v c o m m i t t e e m a n 4 一a s s o c i a t e p r o f e s s o rc h a o f e n gs h e n c o m m i t t e e m a n 5 一a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i n q i a n gl i a n g d a t eo f o r a ld e f e n c e ：m a r c h9 ，2 0 1 3 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：宣了 备签字日期： 认j 年。，月，至日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权滥姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：矽垦代翊勿 导师签名： 签字日期：扫，；年口；月，3 日 签字日期：加f 3 年d 3 月1 3 日 致谢 硕士研究生的两年半，若白驹过隙，忽然而已，回想这两年的工作、学习和 生活，个中种种，历历在目。而我不是个过客，这期间的学习生活使我获益良多。 值此毕业论文完稿之际，我要向一路关心我帮助我的人们表达最诚挚的谢意。 首先感谢我的思师陈英旭教授，是您把我领迸了研究生学习的大门，没有您， 我就没有机会进入浙大学习，也没有机会跟您学习。您渊博的专业知识，严谨细 致的治学精神，一丝不苟的工作作风给我留下了深刻的印象。您严以律己、宽以 待人的崇高风范和对事业的孜孜追求将影响和激励我的一生，您所强调的“细节 决定成败”的教诲我更将永远铭记。 特别感谢梁新强副教授在工作学习上给我的指导和帮助，没有你，我连最基 础的数据处理都还不会，没有你，我连基本的沟通技巧也不会，没有你，我的专 业水平可能还停留在本科阶段，没有你，我的视野可能还局限在学校这个很小的 范围内。同时感谢吴伟祥、施积炎、李华、沈超峰等老师的关心、指导和帮助。 感谢环保所兄弟姐妹们一直以来的相互交流和支持。感谢一起奋斗在径山的 聂泽宇、叶玉适、王成、董达、周曼曼、王亮、叶帅、阿姨等的支持和帮助；感 谢一起入学一起奋斗的陈玲桂、陈晨、崔静岚、邓辉、董达、冯琪波、郭茹、黄 孝肖、刘飞翔、鲁亢、李亮、李竺霖、彭程、吴一鸣、徐辰、徐捷、岳乾坤、张 曦、朱李俊、朱神海等兄弟姐妹的支持和帮助；感谢面源污染控制小组的谢明华、 刘瑾、苏苗苗、纪元静、朱春燕、金熠、赵越、苑俊丽等的帮助；感谢余华东、 许涛、蔡传玉、李波等的支持。 感谢我所有的家人，虽然离家不远，但每次电话都能感受到你们对我深深的 思念；作为一个大男人，2 6 已经不是一个还小的岁数，当时一起的同学都已成 家立业，而我还只是一个学生，感谢你们对我的理解和支持，我爱你们! 希望有 朝一日能有所成就，回报你们多年来伟大的付出，你们永远健康快乐是我最大的 心愿! 两年半的研究生生活在这个季节即将划上一个句号，而我的人生却只是一个 逗号，我将面对又一次征程的开始。 顾佳涛 二零一三年一月于紫金港港湾2 9 幢4 0 6 室 浙江大学硕士学位论文 摘要 为农田排水综合治理提供技术支持，缓解氮、磷营养物质大量排放所引发的 水体富营养化问题，本文提出“反硝化吸磷墙”的概念，采用室内模拟的方法， 利用秸秆等农业生物质废弃物为碳源，探索其对沟渠反硝化功能的强化机理和影 响机制，同时添加磷素吸附矿物来构建具备高效脱氮除磷功能的农田排水沟渠沟 底反硝化吸磷墙。主要结论如下： ( 1 ) 建立动态模拟反应器，研究沟渠反硝化吸磷作用强化关键因子，分别 对不同碳源、不同水力停留时间和不同污染负荷下的氮、磷截留做了讨论。结果 表明：碳源、水力停留时间和污染负荷对反应器脱氮除磷效果影响很大，水稻秸 秆填充时该技术在农田排水沟渠工程应用中将取得较好的脱氮处理效果，因此水 稻秸秆可以作为一种很好的外加碳源填充材料，较长的停留时间可以保证足够的 反应时间，因此停留时间是反硝化吸磷墙实地建设必须考虑的因素之一，综合各 种影响因素，并结合农田排水沟渠的实际情况，反硝化吸磷墙在农田排水沟渠实 际构建时t n 、硝态氮、磷酸盐和氨氮预期分别可以达到6 0 、8 8 、2 0 和4 5 的去除率。通过试验，掌握了不同环境条件下该技术的脱氮除磷能力，对沟渠反 硝化吸磷作用强化关键因子有了深入认识，为农田排水沟渠反硝化吸磷墙工程示 范提供了理论支持。 ( 2 ) 以米糠( a ) 、稻秆( b ) 和木屑( c ) 3 种生物质材料为外加碳源，进 行了一个零流速静态条件下沟渠反硝化吸磷模拟试验。结果表明：生物质碳源材 料的添加能促进硝态氮的降解，各处理下硝态氮的脱除速率大小为：a b c 对照组；磷酸盐去除主要靠吸附作用，生物质碳源材料的添加一定程度增强了 这种作用；实验过程中氨氮和t o c 都会有所增加，最终导致水体变黑发臭，二 次污染严重。通过比较，a 处理效果较好，但是会产生严重的二次污染，静态时 污染严重，适合用于短期高效的处理过程；b 处理速率较快，处理效果也很好， 二次污染较前者轻；c 处理效果一般，但污染较小，长期填埋可能会有很好的效 果。综合实验所得，农田排水沟渠反硝化吸磷墙中水稻秸秆较为合适。通过试验， 进一步摸索了反应器工作的规律，深入了解了农田排水沟渠条件下反硝化吸磷效 果，对反硝化吸磷墙在实地应用时可能遇到的状况做了必要的补充。 关键词：反硝化吸磷墙；农田排水沟渠；脱氮除磷；室内模拟 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rc o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to fa g r i c u l t u r e d r a i n a g e ，a n dr e l i e fo fe u t r o p h i c a t i o nc a u s e db yd i s c h a r g eo fl a r g ea m o u n to fn i 仃o g e n a n d p h o s p h o r s ，t h i sp a p e rp u t f o r w a r dt h e c o n c e p to f “d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s - u p t a k ew a l l ”，w h i c hw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h es t r e n g t h e n i n ga n d i n f l u e n c em e c h a n i s mt h r o u g hu s i n gl a b o r a t o r ys i m u l a t i o no fa g r i c u l t u r a lb i o m a s s w a s t e s ，s u c ha ss t r a w , a sc a r b o ns o u r c e t h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s - u p t a k ew a l l w a sf o r m e db ya d d i n gp h o s p h o r u sa d s o r p t i o nm i n e r a l st oc o n s t r u c td i t c ha n df u r r o w b o s o mf o ra g r i c u l t u r ed r a i n a g ew h i c hh a sg o o dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l e f f i c i e n c y t h em a i nc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： b yb u i l d i n gad y n a m i cs i m u l a t i o nr e a c t o r , i n t e n s i f y i n gk e yf a c t o r so fd e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s - u p t a k ew e r es t u d i e du n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，d i f f e r e n t c a r b o ns o u r c ea n dd i f f e r e n tp o l l u t i o nl o a d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e n i t r i f i c a t i o n a n dd e p h o s p h o r i z a t i o ne f f e c to ft h er e a c t o rw a sa f f e c t e dl a r g e l yb yh y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m e ，c a r b o ns o u r c ea n dp o l l u t i o nl o a d l o n g e rh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ec o u l de n s u r e e n o u g hr e a c t i o nt i m e ，s oh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew a so n eo ft h ef a c t o r st oc o n s i d e r w h e nt h e d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s - u p t a k e w a l lw a sc o n s t r u c t e d p r a c t i c a l t h i s t e c h n o l o g yc o u l da c q u i r eb e t t e rd e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o ne f f e c tb e i n g u s e di na g r i c u l t u r ed r a i n a g ed i t c hw i t hr i c es t r a wf i l l i n gt h a no t h e rc a r b o ns o u r c e s ，s o r i c es t r a wc o u l ds e r v ea sak i n d o fs u i t a b l ee x t e i t l a lc a r b o ns o u r c em a t e r i a l c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n ga l lk i n d so fi n f l u e n c ef a c t o r s a n dc o m b i n i n gw i lt h e a c t u a ls i t u a t i o no ft h ea g r i c u l t u r ed r a i n a g ed i t c h ，t h er e m o v a lr a t eo ft n ，n i t r a t en i t r o g e n ， p h o s p h a t ea n da m m o n i an i t r o g e nc o u l dr e a c h6 0 、8 8 、2 0 a n d4 5 i nt h e e x p e c t e d r r o mt h et e s t ，d e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o ne f f e c tw a sg r a s p e d u n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，a n di n t e n s i f y i n gk e yf a c t o r so fd e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s - u p t a k e w e r ef u r t h e rs t u d i e d i tp r o v i d e dt h e o r e t i c a l s u p p o r t sf o rt h e d e m o n s t r a t i o n p r o j e c t o f d e n i t r i f i c a t i o n - p h o s p h o r u sa b s o r p t i o n w a l lu n d e rt h e a g r i c u l t u r ed r a i n a g ed i t c h b yu s i n gs t a t i ce x p e r i m e n ts i m u l a t i n gd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s u p t a k ew a l l ，w i t h t h r e ek i n d so fb i o m a s sm a t e r i a l so fr i c eb r a n ( a ) ，r i c es t r a w ( b ) a n dw o o dc h i p s ( c ) a s 浙江大学硕士学位论文 c a r b o ns o u r c e ，t h i st e s ts t u d i e do nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c tf r o m a g r i c u l t u r ed r a i n a g eu n d e rt h e s eb i o m a s sm a t e r i a l sa sd e n i t r i f y i n gc a r b o ns o u r c e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o no fb i o m a s sm a t e r i a lc o u l dp r o m o t et h ed e g r a d a t i o no f n i t r a t en i t r o g e n ，a n dt h en i t r a t en i t r o g e nr e m o v a lr a t eu n d e raw a st h eh i g h e s t ， f o l l o w e db yu n d e rb ，u n d e rca n dc h e c ke x p e r i m e n t w h e nt h ec a r b o ns o u r c ew a s e n o u g ha n dt h ed i s s o l v e do x y g e n ( d o ) w a sr e l a t i v e l yl o w , n i t r a t en i t r o g e nr e m o v a l w o u l db er e l a t i v e l yf a s t p h o s p h a t ew a sr e m o v a l e dm a i n l yb ya d s o r p t i o n ，w h i l e a d d i t i o no fb i o m a s sm a t e r i a le n h a n c i n gt h i se f f e c t t h ee f f e c to faw a st h eb e s t ，b u ti t w o u l dl e a dt os e r i o u ss e c o n d a r yp o l l u t i o n ，e s p e c i a l l yi ns t a t i ct i m e s oi tw a ss u i t a b l e f o rs h o r t - t e r me f f i c i e n tp r o c e s s t h ee f f e c to fbw a sr e l a t i v e l yh e u e r ，b u tt h e s e c o n d a r yp o l l u t i o nw a sl i g h t e rt h a na ch a dag e n e r a le f f e c t ，b u tt h es e c o n d a r y p o l l u t i o nw a sa l s ol i g h t ，s ol o n g q e r ml a n d f i l lm a yh a v ea d e s i r e de f f e c t i n c o n c l u s i o n ，r i c eb r a n ( a ) i ss u i t a b l ef o rd e n i t r i f i c a t i o n - p h o s p h o r u sa b s o r p t i o nw a l l u n d e rt h ea g r i c u l t u r ed r a i n a g ed i t c h r r o mt e s t ，t h el a wo ft h er e a c t o rw a sb eg r o p e ，a n d t h ee f f e c to fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s - u p t a k ew a sd e e p l yu n d e r s t o o d i tp r o v i d e d n e c e s s a r ys u p p l e m e n tf o rc o n d i t i o na p p e a r i n g p o s s i b l yf o rt h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c t o fd e n i t r i f i c a t i o n p h o s p h o r u sa b s o r p t i o nw a l l 。 k e y w o r d s ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s u p t a k ew a l l ；a g r i c u l t u r ed r a i n a g ed i t c h ； d e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o n ；l a b o r a t o r ys i m u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 目录 摘要i 目j 豪i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 农业面源污染过程控制技术研究进展2 1 2 1 生态沟渠技术2 1 2 2 生态型湿地处理技术3 1 2 3 生态混凝土护坡技术4 1 3 反硝化吸磷墙技术研究进展5 1 3 1 工程实例 1 3 2 深入研究。6 1 4 论文选题恩路与研究内容1 1 1 4 1 研究目的及意义n 1 4 2 主要研究内容1 l 1 4 3 技术路线1 2 沟底反硝化吸磷墙工艺优化1 2 第二章农田排水沟渠调查及水质分析1 3 2 1 农田排水沟渠调查1 3 2 1 1 调查地点概况1 3 2 1 2 调查方法1 5 2 1 3 调查结果分析1 6 2 2 本章小结。1 9 第三章动态条件下沟底反硝化吸磷墙性能分析2 6 3 1 试验材料与方法。2 6 3 1 1 试验装置2 6 3 1 2 试验材料2 8 浙江大学硕士学位论文 3 1 3 样品采集与分析方法 3 2 不同外加碳源下对n 、p 的截留。3 0 3 2 1 试验设计3 0 3 2 2 参数控制及变化情况3 0 3 2 3 脱氮除磷效果评估3 3 3 2 4 环境效益与影响3 8 3 3 不同水力停留时间下对n 、p 的截留 3 3 1 试验设计 4 0 4 0 3 3 2 参数控制及变化情况4 1 3 3 3 脱氮除磷效果评估4 l 3 3 4 环境效益与影响4 7 3 4 不同污染负荷下对n 、p 的截留4 9 3 4 1 试验设计4 9 3 4 2 参数控制及变化情况4 9 3 4 3 脱氮除磷效果评估5 0 3 4 4 环境效益与影响5 6 3 5 氮、磷截留系数研究5 8 3 5 1 机理5 8 3 5 2 结果分析5 9 3 5 3 不同外加碳源对截留系数影响研究。6 1 3 6 本章小结6 2 第四章零流速静态条件下沟渠反硝化吸磷性能分析6 4 4 1 试验材料与方法“ 4 1 1 试验材料 4 1 2 样品采集与分析方法6 5 4 2 试验结果及分析 4 2 1 反硝化碳源供碳过程中水质表观变化6 6 4 2 2 反硝化碳源供碳过程中的参数交化 4 2 3 反硝化碳源脱氮除磷效果评估7 0 浙江大学硕士学位论文 4 2 4 反硝化碳源供碳过程中对其他水质参数的影响7 2 4 3 水沉积物界面质量平衡模型建立7 5 4 3 1 机理7 5 4 3 2 水沉积物界面硝态氮迁移转化模型7 9 4 3 3 水沉积物界面磷酸盐迁移转化模型。8 4 4 4 本章小结8 8 第五章研究结论和展望9 0 5 1 本研究的主要结论9 0 5 2 本研究的创新性：9 1 5 3 本研究的不足之处9 2 5 4 研究展望9 2 参考文献9 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 人类活动引起的水体富营养化现象是当今世界水污染治理的难题，并已成 为全球最重要的环境问题之一。目前，根据许多国家的资料已证实，面源污染 物已成为水体富营养化的主要来源，而农业是主要的面源污染来源【卜2 1 。 全球范围内来看，3 0 一5 0 的地球表面已受到面源污染的影响，并且在 全世界不同程度退化的1 2 亿h m 2 耕地中，约有1 2 由农业面源污染引起【3 1 。研 究发现【4 1 ，农业已经成为全美河流污染的第一污染源，农业面源污染占污染总 量的4 6 5 6 。美国环保局在提交国会的报告中指出，大量的农田养分流失 是造成内陆湖泊富营养化的主要原因，全国4 6 的河流和5 7 的湖泊受到农田 径流的污染。在进入地表水体的污染物中，4 6 的沉积物、4 7 的总磷、5 2 的总氮都是来自于农业径流污染5 1 。在欧洲、日本等国也发现农业面源污染对 水环境污染的贡献率在5 0 以上【6 8 】。在荷兰、德国等畜牧业发达的欧洲国家， 牛、猪、蛋鸡的饲料中，7 0 的氮没有被利用而是通过粪便排除，畜禽的粪便 3 0 流失，尿液的6 0 流失，圈舍的冲洗水大约8 0 流失9 1 。 中国对面源污染问题的严重性认识较晚，但各类面源污染所造成的水环境 质量恶化已日益明显和突出。张宝文【1 0 1 的研究发现，目前我国化肥年使用总量 达4 1 2 4 万吨，平均每公顷施用量达4 0 0 千克，远远超过发达国家为防止化肥对 水体污染而设置的2 2 5k g h m 2 的安全上限。农药年施用量达3 0 多万吨，使全国 9 3 3 3 万公顷的耕地遭受不同程度的污染。就中国巢湖、滇池和太湖流域来看， 1 9 9 5 年进入并滞留于巢湖中的污染物，6 9 5 的总氮和5 1 7 的总磷来自面源 污染；滇池外海的总氨和总磷负荷中，农业面源污染分别占5 3 和4 2 【1 2 。 到2 0 0 5 年，该流域的污染负荷中，来自农业面源污染的总氮、总磷和化学需氧 量( c o d ) 将分别占6 0 一7 0 、5 0 一6 0 和3 0 一4 0 。因此我国农业面源 污染的深度和广度已经远远超过发达国家，且潜在的压力更是其他国家无法与 之相比的。 农业面源污染是一种扩散性污染，包括污染物在土壤圈中的行为及污染物 在外界条件( 降水、灌溉等) 下从土壤向水体扩散的过程，具有分散性、隐蔽 性、随机性、不确定性、广泛性和不易监测性的特点1 3 - 1 4 。因此控制难度较大， 1 浙江大学硕士学位论文 主要通过源头控制、过程控制和末端治理进行防治【1 5 】。末端治理难度大，成本 高，而且治标不治本 1 6 - 1 7 1 ；源头控制方面，近年来随着水体污染控制与治理科 技重大专项等国家项目的实施，取得了不少比较系统的科研成果，但也仅仅停 留在科研层面。 目前，农业面源污染过程控制技术较少，主要包括生态沟渠技术、生态型 湿地处理技术、生态混凝土技术等生态拦截技术。而近几年来，国内外对于反 硝化墙运用于浅层地下水的治理的研究越来越多，并且效果显著，工程应用亦 逐渐增多【1 8 - 2 2 。本课题对国内外各种反硝化吸磷墙及其影响因素进行了深入学 习，并结合农田排水沟渠的实际情况，对反硝化吸磷墙进行了一定的改良，研 究一种新型的农业面源污染过程控制技术一一农田排水沟渠沟底反硝化吸磷墙 构建技术。 1 2 农业面源污染过程控制技术研究进展 1 2 1 生态沟渠技术 生态沟渠技术类似于当前广泛采用的人工湿地废水处理技术，沟渠中农田 排水氮、磷营养物质在沟渠水生植物与沟渠底泥微生物的共同作用下，以吸附、 吸收、沉淀、过滤和微生物降解等多种形式而被阻截下来。水生植物根系能够 直接吸收农田排水中的氨氮，硝态氮和磷酸盐，通过打破界面平衡，促进其在 界面的交换作用，从而加速污染物进入底泥速度，增强其截留能力【2 3 1 。研究证 明，依靠植物吸收可削减农田排水中5 9 的磷素( 年平均浓度0 8 7 m gp l ) 1 2 4 1 ； 漂浮植物凤眼莲的大量繁殖可以降低水体无机氮浓度，氮浓度的降低能够刺激 凤眼莲根系生长，从而促使根系吸收更多的营养物质2 5 1 ；修复沟壁坡岸的生态 景观亦能增强氮磷的阻截效果【2 6 1 。 水生植物还可以直接从水层和底泥中吸收氮磷( n h 4 + ，n 0 3 一，p 0 4 3 。) ，并 同化成自身所需物质如蛋白质和核酸等，通过定期收割，利用生物循环过程可 以消耗掉污水的富营养化成分，影响污染物的迁移转化过程，保护生态环境2 3 1 。 在净水植物研究方面，秦伯强等【2 7 】提出漂浮植物、浮叶植物、沉水植物的 恢复对水体中氮磷的去除起着重要的作用。在2 0 0 4 年3 月的工程试验中采用渔 网覆盖方式( 解决漂浮植物易飘散问题) 和消浪竹排方式( 解决风浪影响问题) 种植漂浮植物喜旱莲子菜和其他的浮叶植物如菱和荇菜，试验期间，浮叶植物 浙江大学硕士学位论文 菱的覆盖率达到9 0 ，生物量鲜体重达3 0 0 0 9 m 2 ，秋季实际收割菱4 8 0 t ，从水 体中带出氮1 2 9 9 t 、磷1 5 3 t 。万晓红 2 8 】等模拟了不同水生植物对湿地无机氮素 去除效果，分别以芦苇、花叶水葱和苦草构建成小规模人工湿地模拟系统，开 展不同类型水生植物湿地中无机氮( 硝态氮和铵态氮) 去除效果的试验。在低氮 负荷条件下，各种植物硝态氮去除率差别变大，硝态氮去除率苦草 芦苇 花叶 水葱。 但是生态沟渠技术在实施过程中对沟渠基质的选择要求较高，植物生长难 管理，水生植物的大量生长会导致排水不畅，冬季阻截效果下降，沟渠被枯萎 植物堵塞，植株体腐烂易引起二次污染。因此，目前水生植物对氮磷阻截方面 的积极意义没有得到进一步认识，尚存较多争议点，推广较难。 1 2 2 生态型湿地处理技术 生态型湿地处理技术利用现有河道建设生态型人工湿地或水面人工浮岛技 术种植挺水植物、浮叶植物等，充分吸收和利用农田损失的养分【2 9 1 。生态型湿 地处理技术与生态沟渠技术类似，只是一个应用于河道，另一个应用于沟渠。 生态型湿地处理技术多采用人工浮岛形式，生态浮床技术是应用无土栽培 技术，把水生植物或改良驯化的陆生植物移栽到漂浮在水面且可承受较大重量 的竹子、聚苯乙烯发泡板等材料做成的载体上，通过植物深入水中的强大根系 吸收、吸附、截留水体中的氮磷等营养物质，并以收获植物体的形式将其搬离 水体，从而达到净化水质的目的，是一种行之有效的原位生态修复技术3 2 1 。 2 0 世纪印年代，德国学者设计出了现代的生态浮床，并首次将其应用于净 化污染水体。1 9 9 5 年国际湖泊会议召开后，该技术被进一步认可，并迅速在日 本、欧美等发达国家得到推广应用【33 1 。日本的生态浮床总面积可达7 0 0 0 0m 2 ， 在霞浦湖、土浦港、琵琶湖等地均有应用且效果良好。有研究者通过在霞浦湖 进行的隔离水域试验发现，在生态浮床覆盖率只有2 5 的条件下，削减了9 4 的植物性浮游生物和5 0 的c o d 。该湖在设置浮床1 年后，水体中t n 、t p 的 去除率分别达到0 4 9n ( d m 2 ) 与0 0 2 9p ( d m 2 ) 。土浦港在生态浮床的基础上， 通过加强对浮床植物的管理并定期对积累的淤泥进行清除，使净化效果得到明 显提高，t n 、t p 的去除率分别达到1 9g n ( d m 2 ) 和0 0 8gp ( d m 2 ) 3 4 】。 我国自1 9 9 1 年引进了生态浮床技术，现已将其广泛应用于湖泊冰库、城市 浙江大学硕士学位论文 河道等不同水体的治理中。南京煦园采用以水培经济植物为主的生态工程方法， 在占湖区面积5 1 5 的浮床上种值水芹冰蕹菜、黄花菜、睡莲及花卉等植物来 净化湖水。经过1 个月的治理，湖水t n 、t p 分别较治理前降低4 6 3 、4 8 4 ， 藻类密度降低6 3 2 ，透明度提高了1 倍【3 5 1 。 太湖五里湖的工程实例表明【3 q ：( 1 ) 人工浮岛上植物生长迅速，很快就能 形成美丽的景观；( 2 ) 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 c 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 ；( 3 ) 河口段浮岛边营养盐去除率为t p 5 1 8 6 、t n 3 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 p l 8 2 、t n 9 2 、 n h 4 十- n 2 7 8 。 因此我们可以看到，以人工浮岛技术为代表的生态型湿地处理技术具有很 好的水质净化效果，而且发展到现在，技术也比较成熟，但是与生态沟渠技术 类似，植物生长难管理，冬季阻截效果下降，植株体腐烂易引起二次污染，此 外，浮岛的造价非常昂贵，后期维护费用也比较高。因此，特别在国内，此技 术还需要不断完善。 1 2 3 生态混凝土护坡技术 生态混凝土对氮磷的截留作用包括三个方面：生态混凝土自身的截留作用， 生态混凝土上生长植物的截留作用，生态混凝土上附着微生物的截留作用1 3 7 1 。 在生态混凝土的研究方面，纪荣平等【3 8 1 考察了生态混凝土对太湖梅梁湾水 源地水质的改善效果。中试结果表明：生态混凝土对t n 、t p 、c o d m l l 、c h l a 的平均去除率分别为3 6 1 1 、5 3 1 8 、2 2 1 9 、5 5 1 5 ，对总藻毒素和胞外 藻毒素的去除率在2 7 1 4 3 8 1 9 之间。通过生态混凝土可使水体的富营养状 况有所降低，水质等级有所提高，对富营养化水源地水质有较明显的改善。 日本大成建设( 株) 技术研究所3 9 1 将大孔混凝土作为生物载体投放在水质较 差的小河中，研究发现大孔混凝土的外壁面和中心的内壁面均有大量的生物种 群栖息，形成了生物膜。这些生物种群在生长的同时，吸收并分解了污水中的 有机物和氮磷等营养物质，从而降低了水体的污染负荷。 日本长崎大学 4 0 1 于1 9 9 4 年起开始在海洋中进行现场试验，将直径1 m 高 o 5 m 的有孔试块1 0 个1 组投入大海，并于1 9 9 5 年2 月到1 9 9 6 年2 月每月实 4 浙江大学硕士学位论文 测一次直径1 7 c m 预留孔内与试块外水质的变化，发现生态混凝土具有富集营 养物质的功能。另有文献报道，使用生态混凝土在公园内小河建造净水渠( 1 5 m x2 mx0 4 m ) ，水力停留时间为1 3 h ，可以去除水中1 0 5 0 的b o d 5 ，长 时间停留可达8 0 9 0 。 与前两种技术相比，生态混凝土护坡技术可以算是一种新技术，因此还存 在以下问题【4 1 】：( 1 ) 易堵塞问题；( 2 ) 混凝土耐久性问题，c a ( o h ) 2 的溶出使 混凝土解体，水体微生物如硫酸盐还原菌及硫氧化菌会使混凝土石膏化，即硫 酸盐被还原为h 2 s ，接触到混凝土外壁在好氧环境下易被硫氧化菌氧化为硫酸， 硫酸与氢氧化钙生产硫酸钙( 石膏) ，或者与铝酸钙水化物反应生成膨胀性很大 的钙矾石，从而失去强度，同时污水中有机物在好氧茵作用下亦会生成蚁酸、 醋酸、草酸等有机酸性物质；( 3 ) 混凝土碱性问题；( 4 ) 营养物质缺乏；( 5 ) 孔隙内毛细水补给能力不强。 1 3 反硝化吸磷墙技术研究进展 本课题提出“反硝化吸磷墙”的概念，利用农业生物质炭强化微生物的反 硝化作用将农田排水中的氮素脱除，通过添加矿物进一步吸附农田排水中的磷 素，形成对农田排水中氮、磷营养元素的沟底阻截“墙”。沟底反硝化吸磷墙工 艺的主要通过挖取沟底土壤与具有加强反硝化吸磷作用的物质混合，并回填入 原沟渠完成，其过程相对简单，适宜作为农业面源污染控制技术。沟底反硝化 吸磷墙的构建原理从本质上属于生态修复范畴。一般来说，利用生态修复机理 构建生态吸滤带截留入河农田排水中氮素的效果较好【4 2 】，对磷的去除效果由 于农田排水磷素浓度较低、微生物难培养的原因显得没有脱氮效果显著。同时， 就反硝化而言，沟渠水体中生物脱氮茵群赖以滋生的有机碳源不足，需要通过 添加碳源才能促进沟渠反硝化过程的启动与维持。研究表明，脱氮微生物可利 用脱氮菌富集培养基从普通表层土壤中获得 4 5 - 4 6 1 ；脱氮微生物所需碳源可以利 用农业生物质废弃物替代，如常见的秸秆、木屑和树叶等均被证实能为反硝化 提供碳源以促进生物脱氮过程【4 7 1 ，反硝化速率明显大于普通填料，硝酸盐去除 率相当高( 9 0 左右) ，出水氨氮接近于零，同时木屑与小麦秸秆也得到了降解， 生物质碳源更新周期为0 5 1 年【4 引。 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 工程实例 国外学者近十年来相继开发了具有高效脱氮作用的反硝化墙可用于降低沟 渠氮素流失风险。反硝化墙和反硝化床都成功的证明，在合适的场地条件下，反 硝化墙氮的去除率为0 0 1 3 6 0 9n ( m 3 d ) ，反硝化床去除率为2 2 2 9 n ( m 3 d ) t 4 9 1 ；对于这种反硝化床，当氮源不受限制时，长期的硝态氮去除可以达 到每立方米反硝化床空间有5 1 0gn 的去除刚；b l o w e s 等 5 1 - 5 2 建立了容积为 2 0 0 l 的生物质反应器，内填多孔介质材料粗砂和生物质有机碳源( 树皮、木屑、 树叶等) ，处理容量为1 0l d ，在1 年的运行时间里，成功将出水硝氮浓度从3 6 m g n l 降低