（环境工程专业论文）地表水体水质改善技术及沉积物中磷细菌作用研究.pdf

逝堑厶：差熊! ：丝塞= = 丝垂查签垄厦塑垂垫垄丛扭塑塑虫壁叁! 萱在旦虹组 摘要 我国地表水体污染普遍严重，水环境生态质量不断恶化，影响水体正常使用功能： 另外，沉积物中磷的再释放是影响水体水质的重要原因，而沉积物中的磷细菌对磷的吸 收、贮存和释放在磷循环中起着极其重要的作用，为此本研究针对地表水体水质改善技 术及沉积物中磷细菌作用分别进行了研究，并选择在杭州市内河进行了水质改善的技术 实践，主要成果如下： ( 1 ) 在室内模拟条件下，分别设置了高溶解氧( 7 0 m g l ) 、中溶解氧( 5 0 m g l ) 和低溶解氧( 1 0 r a g l ) 三种状态，试验结果表明，中溶解氧水平能够有效降低上覆水 中的氨氮值，同时能够维持水体较低的t n 值和t p 值，过高的溶解氧对于水质的维护 并没有显著效果；而低溶解氧状态下，反而促进了底泥向上覆水释放氨氮、t n 和t p 。 ( 2 ) 在沉积物一水系统中引种两类四种高等水生植物一漂浮植物( 水花生、水鳖) 和沉水植物( 金鱼藻、河藻) ，试验结果表明水生植物利用其生长吸收作用，能够显著 降低底泥和水体中的总氮和总磷含量，在系统所去除的总氮和总磷中，水生植物的贡献 率在4 0 左右；而且引种水生植物后，系统中很快形成小生态链，这是一般工程措施难 以做到的。 ( 3 ) 采用生物栅技术，并辅以人工增氧，结果表明此项技术优于直接曝气法，水 体中c o d 和氨氮浓度优于地表水i v 类标准，总磷浓度持续下降，随着实验的进行，微 生物菌群逐渐形成，显示出较高的脱氮除磷效果；实验中发现表层约2 m m 的底泥呈现 灰白色，表明对底泥也有一定的矿化作用。 ( 4 ) 实验中采用就地接触氧化技术，同时辅以人工增氧，由于人为创造了适宜硝 化菌生存的环境条件：对于氨氮的去除率较高，试验装置在启动周内即开始良好运行， 出水水质较为稳定，氨氮平均去除率为8 6 8 ，此项技术在运行中不会影响到城市河流 的防洪、排涝功能。 ( 5 ) 通过工程实践，表明引配水较好地改善了河道配水前端水的质，溶解氧大幅 度提高，高锰酸盐指数基本在地表水i i i v i 类标准值之间，但是在河道的中下游，两项 水质指标显著恶化，基本徘徊在地表水v 类附近。 ( 6 ) 在沿山河曝气工程实践过程中，水体d o 值除了在降雨期间有所增高以外，其 它时段没有明显变化：b o d s 和c o d 值也没有明显变化。但是底泥中微生物的好氧菌数 量逐渐增多，到实验后期，好氧菌在数量上占据了底泥微生物中的绝对优势，为提高水 浙江人学礴 。论文地表水体永质改善技术及沉积物中磷自 i 菌仵用研究 体自净能力创造了条件。 ( 7 ) 杭州市新丌河疏浚实践表明目前疏浚深度对于改变上覆水体e h 、p h 的效果 不明显；同样，对于改善上覆水的c o d 、t n 和t p 等特征值效果也不明显。 ( 8 ) 通过室内模拟，分析微生物在湖泊沉积物p 循环中所起的作用，试验结果表明， 微生物的存在能够使沉积物的e h 及p h 降低，引起沉积物中铁磷( f e p ) 的释放，使上 覆水及间隙水t p 浓度上升；同时微生物通过对有机物质的矿化降解作用向间隙水中提 供了较多的溶解性p 0 4 3 - _ p ，大部分p 0 4 3 - p 被沉积物颗粒吸附，导致沉积物可溶性磷 ( d p ) 含量的增加。由于微生物的过量吸附，导致沉积物有机磷( 0 p ) 含量的明显增 加。 ( 9 ) 采用氯仿熏蒸提取法测定沉积物微生物量p ( b i o p ) ，考察微生物在沉积物中 的垂直分布及其对上覆水和间隙水t p 浓度的影响，试验结果发现，沉积物中的微生物 通过生长、迁移、扩散，b i o p 在6 9 锄处形成一个峰值，在0 3c m 处形成一个次峰 值。间隙水t p 浓度在3 6c n l 内存在很高的峰值，并在9 1 2 锄内表现出一个次级峰值。 在b i o p 达到峰值的6 9a l l 层内，间隙水t p 处于峰谷。微生物的作用上覆水及间隙水 t p 浓度均呈下降趋势。 ( 1 0 ) 采集西湖沉积物进行室内培养，发现沉积物中存在大量能分解卵磷脂和溶解 磷酸钙的有机磷细菌与无机磷细菌，其中有机磷细菌占细菌总数的9 ，无机磷细菌占 细菌总数的5 ；通过测定磷细菌o p l 、o p 2 、n o p 3 、n o p 4 的解磷曲线发现，接种这 四株菌的液体培养液中的磷浓度与培养时间的相关性均达极显著水平；通过研磨来破碎 细胞以释放出被菌体吸收的水溶性无机磷，测定结果发现o p i 、o p 2 、n o p 3 、n o p 4 菌 体中确有大量水溶性无机磷存在，说明这四株菌能够对分解出来的无机磷酸盐过量吸 收，在细胞内贮藏大量的无机磷酸盐。 关键词：地表水，增氧，水生植物，生物栅，就地接触氧化，疏浚，引水，沉积物， 释放，磷循环，磷细菌。解磷 v 堑堑厶堂丝! 丝皇= 二些垂壅! 查亟夔垂垫丕丛盟蟹塑主缝刿堕红旦蛆荭 a b s t r a c t nt h ep a s tt w e n t yy e a r s w a t e rq u a l i t yo fs u r f a c ew a l e fh a sb e e nm o r ea n dm o r e s e r i o u si no u rc o u n t r y t h er e l e a s e sf r o ms e d i m e n ta l s or e s u l t e di nt h ew a t e r q u a l i t y d e t e r i o r a t i o n p h o s p h o r u sb a c t e r i ai ns e d i m e n tf u n c t i o n e di nt h ep h o s p h o r u sr e c y c l i n g t h er e s e a r c ho fr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yo np o l l u t e ds u r f a c ew a t e ra n dm e c h n i s mo f p h o s p h o r u sb a c t e r i ao np h o s p h o r u sr e c y c l i n g i ns e d i m e n tw a sc a r r i e do u t ，a n d f o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sw e r eo b t a i n e d 1 t h r e el e v e l so fo x y g e nc o n c e n t r s t i o nw e r es e t u pi ne x p e d m e n t 。w h i c hw e r e h i g hd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ( d o 7 0 m g l ) ，m e d i u md i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o n ( d o = 5 0 + 0 5 m g l ) ，a n d l o wd i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ( d o i 0 m g l ) r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m u mo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw e r et ok e e p a t5 0 m g l u n d e rt h eo p t i m u mo p e r a t i o n ，a m m o n i a nc o n c e n t r a t i o nd e c l i n e d a n d a l s ot h et na n dt pi no v e r l y i n gw a t e r t h el o wd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n e x p e r i m e n t a ls y s t e ma c c e l e r a t e dt h er e l e a s e so fa m m o n i a - n ，t na n dt pf r o m s e d i m e n t 2 f l o a t i n gh y d r o p h y t e s a n d s u b m e r g e dh y d r o p h y t e s w e r e p l a n t e d i n s e d i m e n t - w a t e rs y s t e m r e s u l t ss h o w e dt h a tg r o w t ho fh y d r o p h y t e sa c c o m p a n i e d w i t ha d s o r p t i o no fn u t r i e n t sr e s u l t i n gt h ed e c l i n a t i o no ft na n dt pc o n c e n t r a t i o ni n o v e r l y i n gw a t e r t h ep r o p o r t i o no ft na n dt pa d s o r b e db yh y d r o p h y t e sa c c o u n t e df o r 4 0 i nt h et o t a lr e m o v e dt na n dt pi n s y s t e m a b o v ea l l ，s h o r tf o o dc h a i ni n s e d i m e n t - w a t e rs y s t e mc a m ei n t ob e i n gq u i c k l y 3 t e c h n o l o g yo fb i o - b a r r i e rs u p p l e m e n t e dw i t ha e r a t i o nw a se x p e r i m e n t e di n v i 堑兰叁兰堕! 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萱佳旦班塞 图表目录 表l 一1 一般河流流域中点源面源对流域水质的贡献值3 表1 - 2 北京清河曝气实践结果8 表1 3 韩国良才川水质生物一生态修复设施建成前后水质对照1 2 表1 - 4 沉积物p 分级提取的各种方法1 7 表2 1 试验底泥的基本理化性质2 3 表2 2 试验水样的基本理化性质2 4 表2 - 3 实验中水质分析方法2 4 表2 - 4 实验前后水质对照3 5 表2 5 水生植物吸收在去除总氮中的比例3 5 表3 - 11 9 9 9 年杭州城市河流水质情况4 2 表3 22 0 0 0 年杭州城市河流水质情况4 3 表3 3 杭州引水河段水质调查4 4 表3 4 引水后西溪河水质4 6 表3 5 沿山河曝气后水质变化5 0 表3 - 6 河道曝气底泥微生物数量变化5 4 表4 1 实验用沉积物的理化特性5 9 表4 2 实验用上覆水的化学组成6 0 表4 3 微生物组织中各种含p 物质的相对含量7 l 表4 4 沉积物中磷细菌的数量( 1 0 3 个德干泥) 7 5 表4 5 磷细菌的菌落特征7 6 表4 - 6 有机磷细菌分解难溶性有机磷的能力( 单位：m g l ) 7 8 表4 - 7 无机磷细菌分解难溶性无机磷的能力( 单位：r a g l ) 7 9 图1 1 叶轮增氧机8 图1 2 曝气增氧船8 图1 3 风能曝气充氧9 图l - 4 河道跌水充氧9 图1 5 良才川净化设施立体图1 2 图1 - 6 韩国良才川水质生物一生态修复设施平面图1 3 x 浙江大学博t 论文地表水体水质改善技术及沉积物中磷细菌作用研究 图1 7 地表水体沉积物水界面磷循环示意图1 8 图1 8 微生物在磷循环中的作用2 0 图2 1 人工增氧试验装置示意图2 5 图2 2 漂浮植物和沉水植物示意图2 6 图2 3 生物栅实验装置简图2 7 图2 - 4 就地接触氧化处理流程图2 7 图2 5 不同溶解氧浓度对水体中氨氮的影响2 8 图2 6 不同溶解氧浓度对水体中硝态氮的影响2 9 图2 7 不同溶解氧浓度对水体中总氮的影响3 0 图2 8 不同溶解氧浓度对水体中总磷的影响3 l 图2 9 不同溶解氧浓度对上覆水体中p h 的影响3 l 图2 1 0 水生植物对氨氮的去除效果3 2 图2 1 l 水生植物对总氮的去除效果3 3 图2 1 2 水生植物对总磷的去除效果3 3 图2 1 3 不同水生植物对总氮的去除速率3 3 图2 1 4 不同水生植物对总磷的去除速率3 4 图2 1 5 实验前后水质对照3 4 图2 1 6 生物栅处理河道出水c o d 变化- 3 6 图2 1 7 生物栅处理河道出水d o 变化3 6 图2 1 8 生物栅处理河道出水n h 3 n 变化3 6 图2 1 9 生物栅处理河道出水t p 变化3 7 图2 2 0 就地接触氧化对去除c o d 效果3 8 图2 2 1 就地接触氧化中c o d 去除率变化3 8 图2 2 2 就地接触氧化对氨氮去除效果3 8 图2 2 3 就地接触氧化中氨氮去除率变化3 8 图3 - 1 杭州市区主要河流分布图4 1 图3 - 2 引水后中河水质变化情况4 5 图3 3 引水后东河水质变化情况4 6 图3 - 4 引水后官河水质变化情况4 6 图3 - 5 复叶式推流节能曝气机4 7 x i 堑堑盔堂竖主丝塞= = 丝垂垄往盔厦熬董垫丕星垣蟹塑士壁垫亘庄旦班红 图3 - 6 曝气示范工程示意图4 8 图3 7 疏浚对上覆水性质的影响5 5 图3 8 疏浚对底泥向上覆水体释放c o d 的影响5 6 图3 - 9 疏浚对底泥向上覆水体释放t n 的影响5 6 图3 1 0 疏浚对底泥向上覆水体释放t p 的影响5 7 图4 - 1 沉积磷的分级提取步骤6 3 图4 2 沉积物一水界面e h 随时间的变化6 5 图乒3 上覆水t p 随时间的变化6 6 图4 - 4 间隙水t p 随时间的变化6 6 图4 5 沉积物中口随时间的变化6 7 图4 - 6 实验初始沉积物中各形态p 的相对比例6 8 图4 7 沉积物d p 随时间的变化6 9 图4 8 沉积物中f e p 随时间的变化7 0 图4 - 9 沉积物中o p 随时间的变化7 1 图4 1 0 不同深度沉积物微生物量p 的含量随时间的变化7 2 图4 1 1 不同深度沉积物间隙水t p 含量随时间的变化7 3 图4 1 2 日j 隙水中t p 及沉积物微生物量的剖面分布随时间的变化7 4 图4 1 3 平板培养条件下磷细菌的菌落形态示意图7 6 图4 1 4 磷细菌的微观形态特征7 7 图4 1 5 有机磷细菌解磷曲线7 9 图4 1 6 无机磷细菌解磷曲线8 0 浙江人学博十论文地表水体水质改善技术及沉积物中磷细菌作用研究 i n d e xo ft a b l e sa n df i g u r e s t a b l e1 - l c o n c e n t r a t i o n so f p o l l u t a n tf r o mc o m m o np o i n ta n d n o n p o i n ts o u r c e s 3 t a b l e1 - 2 r e s u l t s o f a e r a t i o n o n q i n g r i v e r i n b e i j i n g 8 t a b l e1 - 3a c o m p a r i s o no f w a t e rq u a l i t yb e f o r ea n da f t e re c o l o g i c a lp r o j e c t 1 2 t a b l e1 - 4e x t r a c t i o ns c h e m e s f o r d e t e r m i n i n g t h e f r a c t i o n s o f s e d i m e n t p h o s p h o u s 1 7 t a b l e2 - lb a s i cp h y r s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f t e s t e ds a m p l e s 2 3 t a b l e2 - 2b a s i c p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f t e s t e ds a m p l e s 2 4 t a b l e 2 - 3 a n a l y t i c a l m e t h o d s f o r t h e d e t e r m i n a t i o no f w a t e r q u a l i t y i ne x p e r i m e n t s 2 4 t a b l e 2 - 4 c o n t r a s t o f w a t e r q u a l i t y b e f o r e a n d a f t e r e x p e r i m e n t 3 5 t a b l e 2 - 5 p r o p o t i o n o f n i 拓o g e n a d s o r b e d b y h y d r o p h y t e s i n t nr e 埘l o v e d 3 5 t a b l e3 - 1 w a t e r q u a l i t y o f u r b a n f i v e r i n h a n g z h o u i n1 9 9 9 4 2 t a b l e3 - 2 w a t e r q u a l i t yo f u r b a n f i v e r i n h a n g z h o u i n 2 0 0 0 4 3 t a b l e3 - 3w a t e rq u a l i t yi nu r b a nr i v e r sw h e r ew a t e rw a st r a n s f e r r e d 4 4 t a b l e3 - 4 w a t e r q u a l i t y i n x i x i r i v e r a f t e r w a t e r t r a n s f e r 4 6 t a b l e3 - 5 w a t e r q l l a l i t y a f t e r a e r a t i o n i n y a n s h a n r i v e r 5 0 t a b l e3 - 6v a r i a t i o no f m i c r o b ei ns e d i m e n td u r i n ga e r a t i o n 5 4 t a b l e 4 - 1s o m ec h a r a c t e r i s t i c so f s e d i m e n t s i ns i m u l a t e d t e s t s 5 9 t a b l e 4 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n o f o v e r l y i n g w a t e r i ns i m u l a t e d t e s t s 6 0 t a b l e 4 - 3r e l a t i v ec o n t e n t o f p - c o n t a i n i n g c o m p o u n d s i n m i c r o b i a l t i s s u e s 7 1 t a b l e4 - 4 q u a n t i t yo f p h o s p h a t e s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ai ns e d i m e n t 7 5 t a b l e 4 - 5t h ec h a r a c t e r s o f p h o s p h a t e s o l u b i l i z i n g b a c t e r i a 7 6 t a b l e4 - 6 a b i l i t y o f o r g n i cp h o s p h a t e s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ai n u n s o l v a b l e o r g a n i c p h o s p h o r u sr e s o l v i n g 7 8 t a b l e4 - 7 a b i l i t yo fi n o r g n i cp h o s p h a t e - s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ai nu n s o l v a b l e i n o r g a n i c p h o s p h o r u sr e s o l v i n g 7 9 f i g u r e1 - 1i m p e l l e r a e r a t i o n m a c h i n e 8 f i g u r e1 - 2a e r a t i o n b o a t 8 f i g u r e1 - 3a e r a t i o n b y w i n de n e r