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中山大学硕士学位论文固定化反硝化苗强化生态浮床技术去除永体中氰素研究 固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除 水体中氮素研究 专业：环境工程 硕士生：刘阳 导师：孙连鹏副教授 摘要 目前水体富营养化已经成为全球关注的重大环境问题之一，如何治理富营养 化水体，恢复水体综合功能，己成为当前环境问题的研究热点。生态浮床技术是 2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种。绿色”处理技术，具有成本低，易管理，利于 资源化和整体生态环境改善等特点，近年来在富营养化水体的治理中得到了较多 的应用，但生态浮床的脱氮效率仍有待于进一步提高。该论文利用固定化反硝化 菌强化生态浮床，同时引入曝气，以提高其脱氮作用。针对珠江水受污染的实际 情况，较系统地研究了浮床美人蕉系统，以及引入固定化反硝化菌和曝气后的浮 床系统对水体中氮素的去除效果和相关规律。主要研究内容包括：不同季节浮床 美人蕉去除水体中氮素研究；浮床美人蕉固定化反硝化菌系统去除水体中氮素 研究；浮床美入蕉固定化反硝化菌曝气系统去除水体中氮素研究。研究结果和 结论如下： ( 1 ) 春季浮床美人蕉对水中污染物的去除效果较好，经过5 天的处理，水 体水质得到明显改善。t n 去除率约为5 8 4 ；n h 4 + - n 的去除效果显著，2 天内 去除率达到了1 0 0 ；对c o d c a 有一定的去除效果，去除率为4 0 4 ；浮床美人 蕉能快速提高水体透明度，4 5 天内就能使供试水体清澈透明。 ( 2 ) 与春季相比，秋季浮床美入蕉对氮素的去除效果有所下降。但去除规 律大致相同。经过5 天的处理，t n 去除率为5 0 4 ；对n h 4 + - n 的去除效果仍 很明显，3 天后去除率可达1 0 0 ；对n 0 3 - n 和n 0 2 - n 有一定的去除效果，处 中山大学硬士学位论文 固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氦素研究 理前二者浓度为别为2 4 6 m g l 和0 7 6 m g l ，处理后为1 9 1 m g l 和0 7 2 m g l ， 而对照水槽的含量均有所升高；系统对c o d c 。的去除效果与春季实验相似，去 除率为4 0 0 ( 3 ) 固定化反硝化菌的加入能加强浮床美人蕉对n 0 3 - n 和n 0 2 - n 的去除 效果，提高t n 去除率；同时反硝化作用的加强也使c o d c 。的去除效果得到改善。 在浮床美人蕉和固定化反硝化菌的共同作用下，经过5 天的处理，t n 去除率为 6 3 3 ；n h 4 + n 的去除效果与秋季浮床美人蕉相似，3 4 天后去除率达1 0 0 ； n 0 3 。一n 和n 0 2 - n 浓度有较大变化，分别从2 7 5 m g l 、0 3 0 m g l 降至1 0 8 m g l 、 0 2 0 r a g l ：系统对c o d c r 的去除率为5 4 8 。 ( 4 ) 固定化反硝化菌和曝气的同时引入能大大加强浮床系统对n 1 4 + n 、 n 0 3 - n 和n 0 2 - n 的去除效果，提高t n 去除率，同时也使c o d o 的去除效果得 到显著提高。在浮床美人蕉、固定化反硝化菌和曝气的共同作用下，经过5 天的 处理， i n 去除率达7 2 1 ；2 天后n h 4 + - n 去除率即可达1 0 0 ；n 0 3 - n 和n 0 2 n 去除效果显著，分别从2 7 7 m g l 、0 7 4 m g l 降至0 6 7 m g l 、0 0 3 m g l ) 系统对 c 0 d q 的去除率达9 4 6 。 ( 5 ) 在上述实验过程中，浮床系统对水体中污染物的降解规律均符合污染 物降解一级反应方程：y - k x e ( 4 ，经计算得出的t n 、n h 4 * - n 、c o d c r 回归 方程，其相关系数均满足相应回归精度的要求，所得回归方程有意义。 关键词：生态浮床，脱氮，美人蕉，固定化反硝化菌，曝气 n 中山大学硕士学位论文 固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氮素研究 s t u d yo nr e m o v a lo fn i t r o g e nf r o mw a t e r b o d i e sb y i m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i as t r e n g t h e n e d e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e dt e c h n o l o g y m a j o t e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：l i uy a n g s u p e r v i s o rs u nl i a np e n g w a t e re u t r o p h i c a t i o ni so n eo ft h es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa l lo v e rt h e w o r l d h o wt ot r e a te u t r o p h i cw a t e r , r e m e d yw a t e rf u n c t i o n , h a sb e c l l gt h ef o c u so f e n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o ns t u d y e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e dt e c h n o l o g yi sa ne 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 yw h i c hd e v e l o p e ds i n c e1 9 7 9 a sal o wc o s t ，e a s ym a n a g e m e n t a n de c o l o g i c a ls o u n dt e c h n o l o g y , e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e dh a sb e e na p p l i e di nt h e t r e a t m e n to fe u t r o p h i cw a t e rw i d e l y i nt h i sp a p e r , i m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a a n da e r a t i o nw e r ei n t r o d u c e di n t ot h ef l o a t i n gb e d ，i no r d e rt oi m p r o v et h er e m o v a l e f f e c t i v e n e s st on i t r o g e n b a s e do i lt h ew a t e rq u a l i t yo fp e a r lr i v e r , e c o l o g i c a l f l o a t i n g b e d , i m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a , a e r a t i o na n dt h e i rc o m b i n e d t e c h n o l o g yw e r es t u d i e d t h e i rr e m o v a le f f e c t i v e n e s sa n dm e c h a n i s m st on i t r o g e n w e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ：s t u d yo nt h er e m o v a lo f n i t r o g e nf r o mw a t e rb ye c o l o g i c a lf l o a t i n gb e dd u r i n gt h es p r i n ga n da u t u m a ；s t u d y o nt h er e m o v a lo fn i t r o g e nh o r nw a t e rb yi m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a s t r e n g t h e n e de c o l o g i c a lf l o a t i n gb e d ；s t u d yo nt h er e m o v a lo fn i t r o g e nf r o mw a t e r b o d i e sb yi m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa n da e r a t i o ns t r e n g t h e n e de c o l o g i c a l f l o a t i n gb e d t h em a i n r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r cs u 删i z e da sb e l o w ： 1 i ns p r i n g , f l o a t i n gb e dp e r f o r m e dv i s m l ce f f e c t i v e n e s si ni m p r o v i n gw a t e r m 中山大学硕士学位论文 固定化反硝化茸强化生卷浮床技术去除水体中氮素研究 q u a f i t y ：a f t e r5d a y st r e a t m e n t ，d e c r e a s e dt o t a ln i t r o g e n , a m m o n i a , c o db y5 8 4 ， 1 0 0 ( i nt h ef i r s t2d a y s ) ，a n d4 0 4 ，r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l et h es y s t e mi n c r e a s e d w a t e rt r a n s p a r e n c yo b v i o u s l y , i n4t o5d a y s 2 i na u t u m n , t h er e m o v a le f f e c t i v e n e s so ff l o a t i n gb e dt on i t r o g e nd e s c e n d e d i nac e r t a i ne x t e n d ，b u tt h er e m o v a lm e c h a n i s m sw e r ea p p r o x i m a t e l yt h es a m e ：a f t e r5 d a y st r e a t m e n t ，d e c r e a s e dt o t a ln i t r o g e n , a m m o n i a ，a n dc o db y5 0 4 ，1 0 0 ( i n3 d a y s ) ，a n d4 0 o ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n t so f n i t r a t ea n dn i t r i t ew e r el o w e rt h a nt h a t b e f o r et h et r e a t m e n t ，b u tt h ec o n t e n t si nt h ec o m p a r i s o nt a n ka s c e n d e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tf l o a t i n gb e dh a ds o m er e m o v a le f f e c tt on i t r a t ea n dn i t r i t e 3 t h ec o m b i n a t i o no ff l o a t i n gb e dw i t hi m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ah a da g o o dr e m o v a le f f e c tt on i t r a t ea n dn i t r i t e t h e i rc o n t e n t sd e c r e a s e df r o m2 7 5 m r l , 0 3 0 m g lt o1 0 8 r a g l , 0 2 0 m g i , r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l et h er e m o v a lo fn i t r o g e n a n dc o dw e r ei m p r o v e d ，b u tt h er e m o v a le f f e c to fa m m o n i as h o w e dr i oo b v i o u s d i f f e r e n c e ：a f t e r5d a y st r e a t m e n t ，t h es y s t e md e c r e a s e dt o t a ln i t r o g e n , a m m o n i a ，a n d c o d b y6 3 3 ，1 0 0 ( i n3t o4d a y s ) ，a n d5 4 8 ，r e s p e c t i v e l y 4 b yt h ec o m b i n a t i o no ff l o a t i n gb e dw i t hi m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa n d a e r a t i o n , t h er e m o v a lo ft o t a ln i t r o g e n , a m m o n i a , n i t r a t e , n i t r i t e ，a n dc o dw e r e i m p r o v e dm o r ee f f e c t i v e l y a f t e r5d a y st r e a t m e n t ，t h er e d u c t i o ni n t o t a ln i t r o g e n , a m m o n i a , a n dc o dr e a c h e d7 2 1 ，1 0 0 ( i n2d a y s ) ，a n d9 4 6 ，r e s p e c t i v e l y t h e c o m b i n e ds y s t e mp e r f o r m e dt h eb e s te f f e c t i v e n e s si nr e m o v a lo fn i t r a t ea n dn i t r i t e ， t h e i rc o n t e n t sd e c r e a s e df r o m2 7 7 m g l , 0 7 4 m g lt oo 6 7 m r l , 0 0 3 n l 叽 r e s p e c t i v e l y 5 r e s u l t so fs t a t i s t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a tt h er u l eo fd e c o n t a m i n a t i o ni nt h e e x p e r i m e n t sf o l l o w e de x p o n e n t i a lf u n c t i o n ：l ：- y ox e 。扪，t h r o u g hc a l c u l a t e dw eg o t r e g r e s s i o ne q u a t i o n s o ft o t a ln i t r o g e n , a m m o n i a , a n dc o d , t h e i rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t sm e tt h ep r e c i s i o nr e q u i r e s ot h er e g r e s s i o ne q u a t i o n sw e r es i g n i f i c a t i v e 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 ，d e n i t r o g e n a t i o n , c a l m ag e n e r a l i s ， i m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a , a e r a t i o n i v 中山大学硕士学位论文固定化反硝化苗强化生态浮床技术去除水体中氮素研究 第1 章绪论 1 1 水环境污染及水体富营养化 水，是生命之源，它主宰着社会经济的发展与文明的进步，是一种无可替代 的重要资源。一位未来学家预言：“水资源紧缺是未来世界战争和争端的主要根 源，2 1 世纪将是水战的世纪”。水资源危机已经成为当今世界许多国家社会经济 发展的制约因素。我国人均占有水资源不足2 2 0 0 m 3 ，列世界的第1 2 1 位1 1 1 。目前， 全国6 6 0 多个城市有4 0 0 多个缺水，其中大部分属于因污染而导致的水质型缺水。 随着我国城市的发展和城镇化的加快必然将进一步加剧缺水危机i 盈。更为严峻的 是，我国江河污染的严重势态还没有得到有效遏制，整体环境质量还在恶化。 据统计，2 0 0 5 年我国七大水系的1 0 0 个国控省界断面中，i m 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 6 、4 0 和2 4 。2 8 个国控重点湖( 库) 中， 满足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；i i i 类水质的湖( 库) 6 4 ，占2 1 ；类 水质的湖( 库) 3 个，占l l ；v 类水质的湖( 库) 5 4 ，占1 8 ；劣v 类水质的 湖( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，“三湖”( 太湖、滇池、巢湖) 水质均为劣v 类。 主要污染指标为总氮和总磷 3 1 这些氮、磷主要来自于人类的生产和生活活动， 通过各种途径输入到湖泊、江河中并不断积累，使水体生产力提高，导致藻类及 其他浮游生物迅速繁殖。水体一旦进入富营养阶段就会对水体生态环境产生很大 的负面影响，如：水质下降，有毒藻类产生，食物链改变，栖息地减少等等，并 最终影响经济建设和社会发展 4 - 5 1 目前，水体的富营养化己经成为我国最为突出的环境问题之一许多大型湖 泊，包括上面所提到的“三湖”，以及都阳湖、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。资料显示，我国处于因氮、磷污染而导致富营养化的主要 湖泊约占统计湖泊的5 6 6 1 ；而近年来世界各地湖泊水库的富营养化现象仍在逐 年加剧，尤其在人口密集、经济发达的地区表现得更为明显，水体富营养化已经 中山大学硕士学位论文固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氰素研究 成为全球关注的重大环境问题之一。因此，如何治理富营养化水体，减少其中氮 磷等营养物质的含量，恢复水体的综合功能，己成为当前全球性环境问题的研究 热点川。 1 2富营养化水体治理的研究现状 2 0 世纪6 0 年代以来，各国研究者开始对水体富营养化的治理进行研究，采 用多种工程性措施和化学方法来处理富营养化水体，然而，截污、引水冲污、底 泥疏浚等工程性措施往往只能在一定程度上缓解污染状况，是治标不治本的权宜 之计1 8 1 ；化学除藻则很容易造成环境的二次污染，不适宜在饮用水源地或人类活 动频繁的地区使用【9 。1 0 l 。2 0 世纪8 0 年代，人们在治理富营养化水体的过程中发 现，单纯依靠控制外源污染，减少外源养分负荷，并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己经成为n 、p 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，还能通 过调控水生生态系统结构，使水体逐步恢复健康和稳定的生态系统功能。目前， 生态修复技术己受到人们越来越多的关注。 国内外研究较多的生态修复技术主要有微生物制剂技术、河道曝气技术、人 工湿地技术、稳定塘技术、植物修复技术掣1 1 j 。其中，微生物制剂技术的高效菌 种选育需要较长的时间，净化效果持续时间短，受温度影响较大；河道曝气技术 需要的技术含量较高，投入的资金也较大；人工湿地和稳定塘技术虽然工艺流程 简单，投资运行费用少，但占地面积太大，尤其不适于应用在土地资源稀缺的珠 江三角洲地区。 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 技术是利用高等水生植物( 沉水植物、浮水 植物和挺水植物) 及其根际的微生物共同作用去除水体中污染物的原位生态治理 技术。利用水生植物修复富营养化水体，不仅可有效地去除氮、磷等营养元素， 而且对有毒有害物质有很强的吸收、分解和净化能力1 1 2 l 。植物修复技术更适应 环境保护的要求，因此受到世界各国政府、科技界和企业界的高度重视。自从 2 0 世纪8 0 年代以来，植物修复技术已经成为研究的热点，并且开始进入产业化 初始阶段，效果显著。但大部分高等水生植物( 如水葫芦等) 容易过度繁殖和老 2 中山大学硕士学位论文固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氰素研究 化死亡，植物残体的腐败与分解，会增加系统的有机负荷，管理不善将造成不良 后果i n l 5 】有关学者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，在收获农产品【临m 、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，以达到变废为宝、化害为 利，净化水质且使水体产生良性循环的目的。可见，生态浮床技术更符合当今环 保产业发展的趋势，更适合我国国情，该技术的研究将为我国富营养化水体的治 理提供理论依据和技术支持。 1 3 生态浮床技术简介 生态浮床技术( 原名浮床植物技术) 是一项水环境治理与生态修复相兼顾的 实用技术。其内涵是运用无土栽培技术原理，以高分子材料为载体和基质，采用 现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。采用该技术可将原 来只能在陆地种植的草本陆生植物种植到自然水域水面，并能取得与陆地种植相 仿甚至更高的收获量与景观效果。从这一概念出发，如“人工生物浮床”l 埘、“人 工浮岛”【1 9 l 、“浮床无土栽培” 2 0 l 等都属于生态浮床这一概念范畴。 1 3 1净化机理 生态浮床技术通过浮床植物对水体中营养物质的吸收和转化、根系对污染物 质的吸附、过滤和沉淀作用，水中微生物的降解作用、根区分泌物质对藻类的杀 伤作用等多种途径，来去除水体中过量的氮磷营养盐、悬浮颗粒、重金属元素， 控制藻类的恶性繁殖。生态浮床技术的净化机理如图1 - 1 所示，可以概括为以下 几方面： 3 中山大学硕士学位论文 固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氮素研究 厌氧反硝化脱氮 图l - 1 生态浮床净化机理示意图 化 1 3 1 1 植物的吸收作用 高等植物在生长过程中，需要吸收大量的矿质元素，而污染水体中含有的过 量的氮磷等营养物质恰好可以满足植物生长的需要。 水体中的氮素主要以铵态氮和硝态氮两种形态被植物根系吸收利用。作物种 类和生长阶段不同，吸收铵态氮和硝态氮的比例也不同。此外，温度的高低、溶 解氧含量的多少也会影响植物对所吸收氮素形态的选择。植物吸收硝酸盐为主动 吸收，受载体作用的控制，要有h + 泵a t i 酶参与。铵态氮的吸收机制还不太清 楚1 2 。 当植物长成后被移出水体，营养成分亦随之输出水体。植物吸收污染物的主 要器官是根，溶解态的污染物到达根表面，主要有两种途径：一种是质体流途径， 即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分的同时与水分一起到达植物根部；另一种 4 中山大学硬士学位论文同定化反硝化苗强化生态浮床技术去除水体中氮素研究 是扩散途径，即污染物通过扩散而到达根表面。然而，到达根表面的污染物不一 定被植物根部吸收。植物吸收污染物的种类和数量取决于水体特性、污染物种类 和数量、以及植物的特性等因素，但是植物通过吸收来去除污染物的能力是有限 的1 2 2 1 。 1 3 1 2微生物的降解作用 浮床植物的存在，为微生物和微型动物提供了附着基质和栖息场所。同时， 光合作用产生的0 2 和大气中的0 2 直接输送到植株各处，并向水中扩散，一方面 根系通过释放0 2 ，氧化分解根系周围的沉降物；另一方面使水体底部和基质土 壤形成许多厌氧和好氧小区，为微生物活动创造条件，进而形成“根际区”。这 样，植物代谢产物和残体以及溶解的有机碳给水体中的菌落提供食物源：同时， 大量微生物在基质表面形成生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积，使 植物根部的污染物被微生物分解利用或经生物代谢降解过程而去除 2 3 1 。附着在 根部的生物也可以加速根系周围的有机胶体或悬浮物的分解矿化。如芽孢杆菌能 将有机磷、不溶解磷降解为无机、可溶的磷酸盐，使植物能直接吸收利用。水生 植物的根系能分泌出促进嗜氮、嗜磷细菌生长的物质，从而间接提高净化率【2 4 l 。 1 3 t 3 根系的吸附，过滤和沉淀作用 生态浮床中植物的存在可以降低水流速度，这为悬浮物的沉淀创造了良好的 条件；浮床植物发达的根系可以形成密集的过滤层，当水流过时，不溶性的胶体 就会被根系吸附而沉降下来【拥。同时，附着在根系的菌体在内源呼吸阶段发生 凝集，凝集的菌胶团可以把悬浮物和代谢产物沉降下来【矧。在五里湖进行的实 验发现，2 8 天内，单位鲜重的伊乐藻上吸附的固体干物质量达2 8 7 1 9 k g ，干物 质中t n 、 i t 的平均含量分别为0 6 4 7 、0 3 1 1 1 2 7 1 水面覆盖的浮床植物可以 认为是位于大气和水面之间很厚的生物膜，风速因为水表面植物的存在而降低， 减少了固体重新悬浮的机率，因而可以较快地提高透明度。 1 3 1 4 植物对藻类的抑铡作用 浮床植物和浮游藻类在营养和光能的利用上是竞争者。前者个体大、生命周 期长、吸收储存养分的能力强，能很好地抑制藻类的生长阳j 。另外，在植物的 根区还会栖生水蜗牛等以藻类为食的小型动物。李先宁、吕锡武等人运用隔离生 5 中山大学硕士学位论文固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氨素研究 态水区( m e s o c o s m ) 的手法模拟再现小型封闭水体环境，对水培植物过滤法 ( h b f m ) 去除藻类的特性进行了研究。结果表明去除率平均可达6 1 1 ，对有 毒藻类m i c r o c y s t i ss p 的去除效果尤其明显l 剪l 。吴洁等实验研究得出，在西湖的 小南湖区恢复生长聚草、苦草等水生植物后，水质明显变好，透明度大大提高， 与主体湖相比，浮游植物密度和叶绿素a 大幅度下降l 划。 1 3 2生态浮床的设计和植物的选择原则 1 3 2 1生态浮床的设计原则 利用生态浮床治污，早期成本较高。在日本，浮床由椰子丝做成，以塑钢为 框架，用锚固定在水面，每平方米要花费上百美元。目前国内的浮床用塑料泡沫 和海绵做成，用竹竿固定，加上植物栽培，估计每平方米的成本在2 8 3 0 元人 民币，有推广的条件【，u 。浮床床体的设计原则可以归纳为以下几点 3 2 1 ： ( 1 ) 浮床材质比重小，绿色环保，防腐蚀，耐老化，可反复多次使用。 ( 2 ) 浮床床体具有较好的强度，能抵抗较大风浪冲击。 ( 3 ) 采用柔性连接，使浮床整体能随水体上下浮动。 ( 4 ) 浮床植物栽种孔穴应满足植物生长种植密度要求。 1 3 2 2浮床植物的选择原则 植物修复物种的选择是在对高等植物的生物学特性、耐污性、对氮磷去除能 力研究基础上，筛选出几种具有一定耐受性的，能适应废水水质现状的物种作为 修复的先锋物种。物种选择遵循以下原则【3 3 l ： ( 1 ) 适应性原则，所选物种应对气候水文条件有较好的适应能力。 ( 2 ) 强净化能力原则，优先考虑对氮、磷等营养物有较强去除能力的物种。 ( 3 ) 抗逆性原则，所选物种应具有较好的耐污能力和抗虫害能力。 ( 4 ) 可操作性原则，所选物种繁殖，竞争能力强，栽培容易，并且管理、 收获方便，最好是当地物种。 ( 5 ) 综合利用价值、资源化程度高，即植物便于再利用，如用作饲料、肥 料、沼气、药材等 ( 6 ) 具有美化景观的功能。 6 中山大学硕士学位论文固定化反硝化苗强化生态浮床技求去除水体中氟紊研究 1 3 3生态浮床的研究现状 1 3 3 1国外研究现状 利用水上栽培技术种植水生或陆生植物修复受污染水体己成为近年许多学 者研究的重要方向。加世纪7 0 年代前，国外利用水生高等植物净化污水，常常 选用一般的水生杂草，如凤眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s i p e ss o l m s ) 、喜旱莲子草 ( a l t e r n a n t h e r ad h i l o i x e r o i d e sg r i s e b ) 和阔叶香蒲( t y p h al a t i f o l i al ) 等 3 4 - 3 5 1 。 虽然有一定的净化能力，有些也可用作饲料、燃料等，但总的经济效益不高，且 有些植物，如凤眼莲【3 6 1 ，有很强的扩张能力，若控制不好极易泛滥成灾。 在水污染治理方面，陆生高等植物，如粮食油料作物、蔬菜、花卉和牧草等 在污染水体治理方面有着广阔的应用前景【3 羽。最早的人工浮床是1 9 7 9 年由德 国建造的s c h w i m m k a - m p e n ( f l o a t i n g c a m p u s ) 3 9 1 。1 9 8 2 年开始，日本在慈贺县 琵琶湖建造了人工浮岛，作为鲤鱼、鲫鱼、诸子等鱼类的孵卵场，取得了较好的 效果，在9 0 年代中期人工浮岛被e l 本环境及湖泊科学家广泛认可【椰】。2 0 世纪 8 0 年代，美国开始利用多种鱼类养殖废水水培生产生菜、西红柿、草莓和黄瓜 等蔬菜及风信子等花卉1 。n a t h a l i e 等 4 2 1 用商业化深液流( n f t ) 水培系统飘浮 栽培毛曼佗罗( d i n n o x i a ) 净化修复生活污水，取得了较好的效果。1 9 9 5 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【4 3 l ，试验表明，在生 物浮床占有率只有2 5 的条件下，削减了9 4 的浮游植物细胞数，而且有浮床 的水域c o d c 。浓度比对照水域减少5 0 ，但是冬天因受水温影响，各水域水质 差别不大。日本的唐泽、大岛等人在渡良濑域进行项有意义的实验1 4 4 1 ，在宽 4 m 、长6 m 、深2 m 的3 个隔离水域中，第一个设置了占1 届面积的人工浮岛， 第二个在水面铺了占同样面积的木板，第三个作为对照区域，结果设有人工浮岛 和木板的水域中氮、磷、叶绿素a 显著低于对照区域，并且设有人工浮岛的水域 中氮磷营养盐比只有木板的水域浓度低，这表明浮床载体的遮光效应在抑制浮游 植物方面起很大的作用，且浮床的净化原理不仅仅局限于遮光效应。德国建设公 司的一座污水处理厂无土栽培了3 0 0 0 m 2 芦苇群，植物根系表面积可达1 2 0 m 2 m 2 ， 这些根系大量吸收氮、磷和重金属，再通过收割芦苇回收污水中的营养盐和重金 属1 4 5 1 7 中山大学硕士学位论文固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氨素研究 1 3 3 2国内研究现状 我国的一些学者从加世纪8 0 年代起也对生态浮床技术开展了一些有意义的 研究。李止正等m 1 8 0 年代初在太湖大水面无土栽培了3 9 种高等陆生植物，所试 植物均能正常生长，其主要目的是利用水面资源获得经济效果，这为水上种植技 术的推广提供了依据。2 0 世纪9 0 年代初，戴全裕等 4 7 1 利用丝瓜( l u f a c y l n d r i c a l r o c m ) ，水芹菜( 0 e 越m h cj a v a n i c ad c ) 、水雍菜( 1 p o r n o e aa q u a t i c af o r s k ) 、西 洋菜( n a s t u r t i u m o f i c i n a l e r b r ) 、金针菜( h c m c r o c a l l i s f u l v a l ) 及其它花卉和 蔬菜等经济作物净化酿酒废水，取得到了很好的环境效益、经济效益和生态效益。 宋祥甫郴i 等人利用浮床技术种植水稻( r i c e ) ，不但获得了较大的干物质产量， 而且在收获农产品、美化水域景观的同时，也能去除水体中导致富营养化的主要 因素氮、磷元素，为建立和利用生态浮床净化富营养化水域提供了科学依据。 马立珊等1 4 9 1 利用香根草( v c t i v c r i az i z a n i o i d s ) 分别净化南京秦淮河、金川河，玄 武湖的富营养化水体，生物量可高达7 5 0 t h m 2 a 。可以在理论上去除氮、磷量分 别达1 1 2 5 1 3 2 5k g h m 2 a 、4 5 0 6 0 0 k g h m 2 a 。王旭明等刚研究表明水蕹菜对污 水中的氮、磷和化学需氧量具有明显的去除效果。由文辉等【5 1 l 研究表明水雍菜 和水芹菜具有很好的净化效果和经济价值。刘士哲等【5 2 l 利用风车草( c y p e m s a l t c r n i f o l i u s ) 、彩叶草( c o l e u sb l u m e i ) 和茉莉( j a s n m u ms a m b a c ) 净化富营养 化污水，得出了三种植物对氮、磷、化学需氧量的净化能力为：风车草最好，彩 叶草次之，茉莉最差，并提出今后还需要进一步对污染物吸收量更高的具有观赏 价值的植物进行筛选。 生态浮床技术在我国已经有了小范围的实际应用。例如：应用于治理太湖内 湖五里湖上的生态浮床在净化水质和消除波浪等方面都起到了积极的作用， 同时也为沉水植物的恢复提供了良好的透明度条件【5 3 l ；2 0 0 2 年，北京首次应用 生态浮床技术修复什刹海富营养化水体，部分消除了篮藻水华现象，消除了水体 异味，同时提高了水体透明度，美人蕉和旱伞草被优先选用为浮床植物【5 4 l 。生 态浮床技术由于具有净化水质、为生物创造栖息空间、改善景观以及一定的经济 效益等综合功能，在难以恢复沿岸水生植物带的河流、湖泊等水域有着广泛的应 用前景。 s 中山大学硕士学位论文固定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体中氮紊研究 1 4课题的提出、研究目的与意义 目前，生态浮床技术在富营养化水体的治理中已经得到了较多的应用，并得 到了研究者的普遍认可，但该技术对氮素的去除作用仍有待于进一步提高。水生 生态系统中，微生物参与的氢化、硝化和反硝化作用在氮的输出过程中起着重要 的作用【5 ，5 6 】，但是包括自然湿地等大多数水生生态系统中，反硝化菌生长率较低， 生态浮床系统中也是如此。导致通过硝化和反硝化产生n 2 的效率相对较低，氮 素的去除率不高。因此，增加反硝化菌生物量，加强反硝化作用是提高浮床系统 脱氮效率的关键性一步。然而，若采用持续投加反硝化微生物制荆的方法增加微 生物量，则会由于较高的运行费用而无法实现。在此情况下，固定化微生物技术 则可解决这一问题。固定化技术可以防止微生物的流失，营造更有利于微生物生 长的微环境，提高微生物的生物活性和对热、p h 值、抑制剂等外界环境的抗性 ( s t - 5 射。目前，固定化氮循环细菌在生活污水脱氮和富营养化水体的脱氮中已被广 泛应用1 5 9 删。将固定化微生物技术与生态浮床技术结合起来将更有利于系统对水 体中氮素的去除。 反硝化细菌的脱氮速率随着水中硝态氮浓度的升高而加快，在固定化微生物 技术和生态浮床技术联用的同时，水体中硝态氮浓度便成为氮素去除效率的限制 因子。为了加快硝化反应速率，为反硝化反应提供足够的底物( 硝态氮) 浓度， 曝气是较好的选择。加入曝气后，水体中充足的溶解氧有利于硝化反应的进行， 能加速氨氮向硝态氮的转化，从而加快反硝化作用，提高氮素的去除效果。 在利用固定化反硝化菌强化生态浮床技术的同时，加入曝气，可以大大加强 系统中的硝化和反硝化作用，从而使整个系统的脱氮效应得到显著提高。生态浮 床、固定化微生物和曝气三种技术在富营养化水体的治理中已有了较多的应用， 并取得了一定的效果，但三种技术联合修复水体的效果和机理的研究却很少。因 此，本研究针对受污染的珠江水，提出以生态浮床和固定化反硝化菌为主、曝气 为辅的强化生态浮床技术，用以修复富营养化水体，重点对氮素的去除效果及其 规律进行研究 本研究是广东省环境污染控制与修复重点实验室开放基金项目“污染感潮河 网区生态治理技术研究”的重要组成部分，课题针对珠江水受污染的实际情况， 9 中山大学硕士学位论文固定化反硝化菌强化生盎浮眯技术去除水体中氮素研究 较为系统地研究了生态浮床系统、以及引入固定化反硝化菌和曝气后的浮床系统 对珠江水中氮素的净化效果和净化规律，以期探索出一条适合我国国情的富营养 化水体的修复方法，并且为健康水生生态系统的恢复提供理论和实践依据 广州，地处南亚热带，属于南亚热带典型的季风海洋气候，温暖湿润，雨量 充沛，四季常青，气候宜人。年平均气温2 2 5 ，1 月平均气温1 3 3 c ，7 月平 均气温2 9 5 ，年降水量1 9 3 8 2 毫米以上，全年无霜期3 0 0 3 4 1 天，年日照时 数1 4 9 5 5 小时，年平均湿度7 5 1 6 1 i 。优越的地理位置和良好的自然环境，为植 物提供了极佳的生长条件。因此，在这一地区发展生态浮床技术，是有现实条件 和长远意义的。 1 5主要研究内容 本论文利用生态治理技术处理受污染的中大码头段珠江水，该水体的主要污 染源为市区的工业废水和生活污水。本文在静态条件下进行模拟研究，分别研究 了浮床美人蕉系统、浮床美人蕉固定化反硝化菌系统、浮床美人蕉固定化反硝 化菌曝气系统对珠江水中的氮素( 包括t n 、n 0 3 - n 、n o 2 - n 、n i - h + - n ) 的净 化能力和降解规律，以及植物、微生物和溶解氧等要素对浮床系统净化效果的影 响为方便起见，在下文中，浮床美人蕉系统简称为浮床系统1 ，浮床美人蕉- 固定化反硝化菌系统简称为浮床系统2 浮床美人蕉固定化反硝化菌曝气系统 简称为浮床系统， 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究和学习美人蕉浮床栽培技术。 ( 2 ) 研究和学习反硝化污泥的培养和固定化技术。 ( 3 ) 在静态条件下，分春秋两季，研究浮床系统1 对水体中氮素的净化能 力和降解规律；观测植物的生长情况和生长特性。 ( 4 ) 在静态条件下，研究浮床系统2 对水体中氮素的净化能力和降解规律， 以及固定化反硝化菌的加入对浮床系统净化效果的影响。 ( 5 ) 在静态条件下，研究浮床系统3 对水体中氮素的净化效果和降解规律， 以及曝气的加入对浮床系统净化效果的影响。 中山大学硕十学位论文 同定化反硝化曲强化生态浮床技术去除水体中氦素研究 1 6 技术路线 本文研究技术路线如图1 2 所示： 图1 - 2 技术路线图 中山大学硕士学位论文同定化反硝化菌强化生态浮床技术去除水体巾氮素研究 第2 章实验材料与方法 2 1 实验材料 2 1 1实验用水 实验用水取自珠江中大码头段，水体主要污染源为市区的工业废水和生活污 水( 图扛1 ) 。 图2 1 实验崩水来源 资料显示，珠江广州河段主要污染物为氮磷营养盐和粪大肠菌群，其次是石 油类和有机污染物1 6 2 1 ，结合本次研究的侧重点，选择对水质影响较大的t n 、 n h 4 + n 、n o n 、n 0 2 - n 、c o d 和d o 等指标，对实验用水进行监测，并依据 地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) f 6 3 1 对水质进行评价。水质监测结果( 2 0 0 6 年春季和秋季) 见寝2 1 。 从表2 1 中可以看出，2 0 0 6 年秋季的实验用水明显优子夏季。按地表水环 境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的水质标准评价，2 0 0 6 年春季实验用水的 i n 、 n h 4 + - n 和c o d c ，指标均已超过v 类水质标准；秋季实验用水的1 n 和n h 4 + - n 也超过了v 类水质标准，c o d 则处于v 类和劣v 水质之间。由以上评价结果可 1 2 巾山大学硕士学位论文 嘟定化反矾化菌强化生态浮床技术去除水体r f i 氰裘研究 见，实验用水水质己受到严重污染。 表2 - i 实验f j 水水质数据( m g l ，p h 除外) 2 1 2实验仪器 研究过程中所用到的实验仪器及生产厂商如表2 2 所示。 表2 - 2 实验仪器及