（环境工程专业论文）微纳米曝气浮床处理太湖支浜的试验研究.pdf

分类号：x 5 u d c - 工学硕士学位论文 密 级：公珏 单位代码：! q q 2 鱼 微纳米曝气浮床处理太湖支浜的 试验研究 作者姓名：张保君 指导教师：曹蓉副教授 申请学位级别：工学硕士 学科专业：环境工程 所在单位：城市建设学院 授予学位单位：河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g t e s to fp o l i s h i n gt a i h ut r i b u t a r yw i t h mi c r o - - n a n o m e t e ra e r a t e df l o a t i n gb e d c a n d i d a t e ：z h a n gb a o i u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f c a or o n g a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a h y ：e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g c o l l e g e d e p a r t m e n t ：c o l l e g eo fu r b a nc o n s t r u c t i o n h e b e i u n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g m a y , 2 0 1 2 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦墨猩盘鲎或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。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： 狠得声 签字日期：2 aj 2 年月广日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦墨堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦三猩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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：狠朦秀签字日期：2 01 2 年彭月争日 导师签名： l 孝瓜 签字日期：2 9 7 2 年月，日 摘要 太湖流域是我国经济最发达的地区之一，但由于自然资源的过度消耗和环境 的严重污染，太湖流域地区生态环境急剧恶化，特别是水体污染与富营养化现象同 趋严重。目前支浜水体污染严重，并成为太湖流域河流污染的重要原因。本文针 对支浜水体污染特性，研究了微纳米曝气技术对植物浮床净化污染水体效果的影 响。主要研究内容包括：( 1 ) 浮床植物的筛选；( 2 ) 采用微纳米曝气和鼓风曝气 对比的方式，研究微纳米曝气植物浮床水质净化效果及规律；( 3 ) 不同问隙曝气 时闯下微纳米曝气植物浮床的净化效果。主要研究结果如下： 1 、通过对江苏地区水生植物的全面调查和了解，选择菖蒲( a c o r u sc a l a m u s ) 、 鸢尾( 黄花鸢尾) ( i r i sw i l s o n i i ) 、慈姑( s a g i t t a r i at r i f o l i av a r s i n e n s i s ) 、再力花( t h a l i a d e a l b a t a ) 、美人蕉( c a n n ai n d i c a ) 、紫叶美人蕉( c a n n aw a r s c e w i e z i i ) 等6 种江苏地 区常见的水生植物为研究对象，分析不同植物浮床对水体的净化效果。结果表明， 不同水生植物的适应能力和净化效果不同，其中再力花植物生长状况最好，对污 染水体的净化效果亦高于其他植物，但是氨氮的去除效果却低于紫叶美人蕉。 2 、采用间歇曝气方式，研究了不同曝气技术对再力花植物浮床的改善效果、 规律以及对植物浮床净化效果的强化作用。根据曝气方式不同，实验分为3 组： 微纳米曝气浮床、普通鼓风曝气浮床和无曝气浮床( 对照组浮床) 。结果表明，微 纳米曝气具有更好的充氧效果，可改变植物根系微环境，有利于植物根系氨化细 菌、硝化细菌的生长，但不利于反硝化细菌的生长。回归分析表明，水质净化效 果随时恻的变化符合三次函数曲线方程，同时分析发现试验初期植物浮床水质净 化效果随时间的增加而增加，1 2 d 后污染物去除效果增加不明显。 3 、对不同问歇曝气时间条件下微纳米曝气植物浮床对水体的净化效果进行了 研究，实验结果表明，当间歇曝气时间为4 h 时，微纳米曝气植物浮床对水体 c o d m ”t n 、t p 的去除效果最好。 关键词：微纳米曝气：植物浮床：支浜 a b s t r a c t _ _ 一_ 一 a b s t r a c t t a i h ub a s i ni so n eo ft h em o s td e v e l o p e da r e a si nc h i n a b e c a u s eo ft h ee x c e s s c o n s u m p t i o no fr e s o u r c e sa n d s e v e r ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，t h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n th a sb e e nr a p i dd e t e r i o r a t e d ，e s p e c i a l l yw a t e rp o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o n a r es e r i o u si nt h i sr e g i o n a tp r e s e n t ，t h es e r i o u sp o l l u t i o no fr u r a lt r i b u t a r i e sh a s b e c o m ei m p o r t a n tr e a s o nf o r t h e p o l l u t i o n o ft a i h ub a s i n a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fp o l l u t i o nw a t e r ，e f f e c t so fm i c r o n a n o m e t e ra e r a t e df l o a t i n gb e do n p u r i f y i n gr u r a lt r i b u t a r i e sw e r es t u d i e d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rw e r e a sf o l l o w ( 1 ) t h es e l e c t i o no fe c o l o g i c a lf l o a t i n g - b e dp l a n t ( 2 ) b yp a r a l l e lc o m p a r a t i v et e s tt oa i r b l o wa e r a t i o n ，t h ee f f e c t sa n dr e g u l a t i o n so fm i c r o - n a n o b u b b l ea e r a t e df l o a t i n gb e do n p u r i f y i n gw a t e r ( 3 ) t h ee f f e c t so fm i c r o n a n o m e t e ra e r a t e dp l a n tf l o a t i n g b e do n p u r i f y i n gw a t e ra td i f f e r e n tt i m eo fi n t e r m i t t e n ta e r a t i o n t h em a i nr e s u l t s a r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt or e s e a r c ho np u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e d i f f e r e n tf l o a t i n gb e d s ， a c o r u sc a l a m u s ，i r i sw i l s o n i ls a g i t t a r i at r i f o l i av a r s i n e n s i s t h a l i ad e a l b a t a c a n n a i n d i c a ，a n dc a n n aw a r s c e w i e z i iw e r er e s e a r c h e da n dt h e yw e r ec h o s e na sr e s e a r c h o b j e c t sb a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n do fh y d r o p h y t e si nj i a n g s ur e g i o n so f c h i n a r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d a p t a b i l i t ya n dp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fd i f f e r e n t p l a n t sw e r ed i f f e r e n t t h et h a l i ad e a l b a t ah a dt h eb e s tg r o w t hs t a t e a n di tw a sh i 【g h e r t h a no t h e rp l a n t so nt h e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fw a s t e w a t e r b u tt h er e m o v a lo f a m m o n i an i t r o g e nw i t ht h a l i ad e a l b a t aw a sl o w e rt h a nt h a tw i t hc a n n aw a r s c e w i e z i i ( 2 ) t h ee f f e c t sa n dr e g u l a t i o n so fd i f f e r e n ta e r a t i o nt e c h n o l o g i e so nt h es y s t e mo f t h a l i ad e a l b a t af l o a t i n gb e dw e r es t u d i e di nt h ep r e s e n te x p e r i m e n tw i t hi n t e r m i t t e n t a e r a t i o n t h r e eg r o u p sw e r ei n c l u d e da c c o r d i n gt od i f f e r e n ta e r a t i o nm e t h o d ，n a m e l y ， m i c r o n a n o m e t e ra e r a t e df l o a t i n gb e d ，a i rb l o wa e r a t e df l o a t i n gb e da n dn o n a e r a t e d f l o a t i n gb e d ( t h ec o n t r o lg r o u p ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm i c r o n a n o m e t e ra e r a t i o nh a d h i g h e ra b i l i t y t h a na i rb l o wa e r a t i o ni n i n c r e a s i n gd o ，a n di tc h a n g e dm i c r o e n v i r o n m e n to fr h i z o s p h e r e ，w h i c hw a sb e n e f i c i a lt ot h eg r o w t ho fa m m o n i f y i n g b a c t e r i a la n dn i t r i f y i n gb a c t e r i ai nr h i z o s p h e r e ，b u tw a sh a r m f u lt ot h eg r o w t ho ft h e d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h ee f f e c t so fw a t e rp u r i f i c a t i o n a b s t r a c l c h a n g e dw i t ht i m ei nt h ei n i t i a ls t a g e ，w h i l et h et r e a t m e n te f f e c th a dn os i g n i f i c a n t l y c h a n g ea f t e r12d a y s ( 3 ) t h ee f f e c t so fm i c r o - n a n o m e t e ra e r a t e dp l a n tf l o a t i n gb e do np u r i f y i n gw a t e r w e r es t u d i e da td i f f e r e n tt i m eo fi n t e r m i t t e n ta e r a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d m n ，t na n dt pw e r eb e s tw i t ht h em i c r o n a n o m e t e ra e r a t e d f l o a t i n gb e d ，w h e nt h ei n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt i m ew a s4 h k e yw o r d s ：m i c r o - - n a n o m e t e ra e r a t i o n ；p l a n tf l o a t i n gb e d ；t r i b u t a r i e s i i i 目录 一一一一 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景1 1 1 1 水环境污染现状1 1 1 2 太湖流域支浜污染现状及其成因2 1 1 3 污染水体治理技术概况3 1 2 植物浮床技术研究现状5 1 2 1 植物浮床的净化机理5 1 2 2 植物浮床技术应用现状6 1 3 人工曝气研究现状7 1 3 1 人工曝气技术概况7 1 3 2 微纳米曝气技术9 1 4 问题的提出1l 第2 章研究内容与方法1 3 2 1 研究内容1 3 2 2 实验指标及方法13 2 2 1 实验材料。13 2 2 2 水质指标的测定1 4 2 2 3 植物指标的测定1 4 2 2 4 微生物指标的测定1 4 2 3 实验研究技术路线1 6 第3 章浮床植物筛选实验研究17 3 1 研究目的及内容17 3 1 1 研究目的17 3 1 2 研究内容17 3 2 材料和方法1 7 3 2 1 实验植物17 i v 目录 一一一- 3 2 2 实验用水1 7 3 2 3 实验方法1 8 3 2 。4 检测方法1 8 3 3 结果与分析1 8 3 3 1 植物生长状况18 3 3 2 不同植物浮床的净化效果1 9 3 3 3 结果分析2 2 3 4 本章小结2 3 第4 章微纳米曝气植物浮床净化水质效果研究2 4 4 1 研究目的及内容o 2 4 4 1 1 研究目的2 4 4 1 2 研究内容2 4 4 2 材料和方法2 4 4 2 1 浮床植物2 4 4 2 2 实验用水2 5 4 2 3 实验方法2 5 4 2 4 检测方法2 5 4 3 结果与分析2 6 4 3 1 不同曝气方式对水环境的影响2 6 4 3 2 不同曝气方式对植物：【i 长状况及氮磷去除效果的影响2 9 4 3 3 不同曝气方式对植物根系微! l i 物的影响3 0 4 3 4 = ：f i 同曝气方式对水质净化效果的影响3 2 4 3 5 水体c o d m n 、t n 、t p 去除效果网归分析3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章微纳米曝气植物浮床间歇曝气时间研究4 0 5 1 研究目的及内容4 0 5 1 1 研究闷的4 0 5 1 2 研究内容4 0 5 2 材料和方法4 0 5 2 1 浮床植物4 0 5 2 2 实验用水：4 0 5 2 3 实验方法4 0 v 目录 5 2 4 检测方法4 1 5 3 结果与分析4 1 5 3 1 不同问歇曝气时问对水体d o 的影响4 1 5 3 2 不同闽歇曝气时问对水体c o d m 。去除效果的影响4 2 5 3 3 不同间歇曝气时问对水体氨氮和硝氮去除效果的影响4 2 5 3 4 不同问歇曝气时问对水体t n 去除效果的影响4 4 5 3 5 不同间歇曝气时间对水体t p 去除效果的影响4 5 5 4 本章小结4 6 第6 章结论与建议4 7 6 1 结论4 7 6 2 建议4 8 致谢4 9 参考文献5 0 作者简介5 5 在读期间发表论文及参与的学术研究5 5 v l 第l 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水环境污染现状 第1 章绪论 水在我们日常生活和生产中具有举足轻重的作用，地球上水储存总量约为1 4 亿m ，约覆盖地球的表面7 0 ，但是可供人类使用的淡水资源却仅占2 8 。人 类及其他生物所消耗的淡水主要来自湖泊、河流和湿地等，这些淡水资源量约 1 1 3 x 1 0 3 k m 3 ，占全球淡水储存量的0 3 。虽然这些淡水资源所占淡水总量的比例 极小，却为人类的生存和社会的发展带来巨大的经济、社会和科学价值；而剩余 的9 7 的淡水资源储存于冰川、冰盖( 越占7 6 4 ) 或储藏于地下水库中( 约占 2 2 8 ) ，目前还无法被人类开采使用【l l 。全球地表水分布很不均匀，不同地区人 均可利用淡水资源差别非常大，随着社会的发展，人们对淡水资源的使用却在逐 年增加，全球淡水资源人均拥有量同益下降。我国是典型的缺水国家，淡水资源 人均拥有量远低于世界人均水平。特别是近年来随着社会的发展，我国工农业的 迅速发展，使得人们对淡水资源过度的消耗，造成了河流生态系统受到破坏；同 时大量工业废水、生活污水的排入，农业耕种过程中的化肥、农药污染，也使得 河流水环境污染现象同益严重，导致淡水资源更加匮乏，从而严重影响了人们的 正常生活和阻碍了社会的发展。 水生态环境是生态系统中最重要的组成部分，它为人类的生存和发展提供了 水资源保障。随着经济的快速发展和人口的急剧增加，自然水体所接纳的污水和 废水量成倍增长，已严重超过了水体的自净能力，导致水生态系统严重受损，水 体使用功能和生态功能逐渐丧失【2 1 。根据国家环保总局2 0 1 0 年中国环境状况公报 显示：2 0 1 0 年我国七大水系总体表现为轻度污染。2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控 监测断面中，i - i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。其中，长江、 珠江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度 污染。湖泊( 水库) 富营养化问题突出，湖泊( 水库) 水质状况形势严峻，2 6 个 重点湖泊( 水库) 中，1 个满足i i 类水质，仅占3 8 ；i i l 类的5 个，占1 9 2 ；4 个满足i v 类水质，占1 5 4 ；v 类的6 个，占2 3 1 ；劣v 类的1 0 个，占3 8 5 。 监控显示，目前处于富营养化状态的湖泊( 水库) 已经达到了一半以上【3 】，水体 污染严重。 河北i ：程人学硕十学位论文 1 1 2 太湖流域支浜污染现状及其成因 太湖是我国著名的淡水湖泊，也是我国五大淡水湖之一，属于我国重点控制 的”三湖( 太湖、滇池、巢湖) ”之一。太湖位于长江三角洲南部，位于3 0 0 5 5 ，4 2 ， 3 1 0 3 3 5 0 ”n 、1 1 9 0 5 3 4 5 ”1 2 0 0 3 6 1 5 ”e 之间，横跨江苏省、浙江省两省，北面为无 锡市，南面为湖州市，西边为宜兴市、长兴市，流域面积达3 6 5 0 0 平方公里，其 中江苏省1 9 5 5 7 k m 2 ，占5 3 1 4 j 。我国地貌基本特征是西高东低，太湖处于我国东 部地区，地区河流水系重多河网复杂，是全国河道密度最大的地区，也是我国著 名的水网地区，境内河道纵横交错，形成河湖相连的流域水系。太湖流域属北亚 热带南部向中亚热带北部过渡的东西季风气候区，四季分明，无霜期长，热量充 裕，降水丰沛。 太湖流域人口密集，工农业发展历史悠久，是我国经济发达地区，同时工农 业发展带来的环境问题也较突出。太湖流域周围有大量的农业、工业，工业废水 和城镇周围居民生活污水、污水处理厂和垃圾填埋场等的出水和其他固定排除源 等的大量排入，以及来自沿湖流域的水产养殖、农业面源等污染物质的输入，对 太湖流域水体造成严重的污染，使得太湖水质总体为劣五类，水体富营养化状态 严重【5 】。自上世纪8 0 年代以来，太湖已经出现富营养化现象，但没有引起人们的 足够重视，之后太湖经历了一个由轻度富营养到重度富营养化的过程。目前，随 着人们意识的不断提高和国家政府投入大量的人力物力，太湖水质恶化现象得到 了一定程度的遏制，但是其形式仍然不容乐观。 太湖流域人口众多、经济发达，流域内河网众多，其中，宜兴市位于太湖西 北方向( 3 1 0 0 t - 3 1 0 3 7 n ，东经1 1 9 0 3 l 1 2 0 0 0 3 e ) ，境内涌湖与太湖相连，并且与 其他入湖河流一起成为太湖重要的进水水源。经调查发现，太湖污染负荷主要来 自经河流流入太湖的环湖污染水体，污染河流水体流入太湖，是造成太湖污染的 重要原因。太湖仅漏湖流域每年入湖数量就达1 5 亿m 3 ，因此对于控制上游入湖水 体污染负荷具有重要的意义【6 1 。 我国是农业大国，面源污染问题突出，而农田是湖泊流域内最主要的土地利 用类型之一1 7 l ，农药的过量使用以及不合理的施肥使得农阳氮、磷大量流失，造成 面源污染，引起自然水体富营养化。太湖沿岸耕地面积为1 7 1 6 9 万亩，化肥和农药 年投放量约为9 9 2 8 8 2 t 和1 6 1 9 t ，由农田排出的n 、p 为4 7 0 1 6 4 t 和8 4 3 4 t ，由入湖河流 带入湖体中的的c 、n 、p 比例逐年增1 j 1 t 4 8 - g 。农村支浜水体是河流的较小支流，也 是农罔氮、磷流失的直接受纳者，加之农村沿岸居民生活废水、养殖废水等收集 系统的不完善，废水的直接排入，使得农村支浜水体污染成为太湖流域河流污染 的重要原因。农村支浜水体与其附属河流共同形成的流域网络，对湖泊、水库、 2 第l 章绪论 海洋等受纳水体生态环境具有直接的影响。因此，通过从源头控制自然水体营养 盐“过剩”，去除水体污染物质，修复受损水体生态环境，恢复其生态功能，是治 理太湖流域河流污染的重要手段。 1 1 3 污染水体治理技术概况 对于污染水体的治理技术有多种，从治理的方式来看，主要分为三大类：物 理治理方法、化学治理方法以及生物和生态治理方法。大量研究和实践的效果表 明，物理方法在运用过程中的治理效果较差，且不彻底，而化学方法则易带来二 次污染，因而物理方法和化学方法逐渐被生物和生态修复技术所替代。随着人们 对自然水体治理的不断发展和认识，人们发现单纯使用一项技术很难达到要求， 因此尝试采用物理、化学方法与生物或者生态方法相结合的方式处理污染水体， 并取得了很好的效果。 1 1 3 1 物理方法 物理方法治理污染河流主要有截污( 控制外源) 、底泥疏浚、曝气复氧以及 引水调水等技术。 通常河流的截污( 控制外源) 控制技术主要为控制点源污染。当人们向水体 排入的污染物负荷超出水体本身的调节能力时，水体生态系统遭到破坏，因而通 过限制向水体排入污染物的方法，最后通过河流生态系统的自净作用达到恢复水 环境的目的，因此可以一定程度上缓解水体污染状况。但是这种方法主要作用于 点源污染，而面源污染由于污染面积大、污染量大的特点则很难奏效。同时当河 流水体污染较严重时，单独使用外源污染物质的截污，河流也无法通过白净作用 恢复生态系统。 底泥疏浚技术是为避免水体底泥中的污染物质二次释放到水体中，而采取的 治理措施。但是由于这种技术工程造价较高，且对水体生态系统易造成破坏。 曝气复氧技术是当河流受到污染，生态系统遭到破坏，水体出现黑臭、缺氧 现象时，人工向水体充入空气或氧气的方法。这种技术能快速提高水体溶解氧含 量，改善水环境，调整水体微生物种群结构，增加好氧微生物数量，恢复水体生 态系统。实践表明【n 他】，河流曝气复氧能快速改善黑臭河流状况，恢复污染水体 生态环境。但对于水体中n 、p 的去除效果较差，因此对于富营养化水体的治理 效果不理想。 引水换水技术适用于水量较小的水体，且对于引用水体的水质有较高的要 求，同时对于污染水体仅起到稀释污染物质、扩散污染物质的作用，不能从根本 去除污染物质。 3 河北i ：程火学硕十学位论文 1 1 3 2 化学方法 化学方法治理污染水体主要是通过向水体投加化学药剂，达到降低水体 c o d ，去除水体氮、磷、重金属，以及杀藻除藻为的目的。 化学方法治理污染水体通常使用铜盐、高锰酸钟、臭氧以及其他絮凝沉淀剂 等，通过向水中投加化学药剂能快速杀死藻类，利用絮凝剂与污染物质( 如一些 有机污染物、p 、重金属等) 发生絮凝作用，并沉淀到水底，能降低水体c o d 和 p ，使得富营养化水体得到治理。但是杀藻剂和絮凝剂的使用易受水体环境的影 响，如水体p h 、水体流速、药剂的投加比等，同时有些药剂的使用对水体易造成 二次污染。 1 1 3 3 生物和生态治理技术 生物和生态修复技术有原位修复技术、异位修复技术以及两种修复技术的联 合技术一原位异位联合修复技术，而对于污染的自然水体治理，如湖泊、河流等， 通常采用原位修复技术。 ( 一) 微生物治理技术 微生物技术主要是通过微生物的代谢作用，吸附、转化或降解污染物质，以 使得水体净化的方法。主要包括向水体中投入微生物菌体、微生物促生液法，固 定化微生物法等。目前研究和应用较多的有投加固定化光合细菌技术，固定化氮 循环细菌、固定化聚磷菌技术、基因工程茵技术和生物接触氧化技术等等。生物 方法在研究和应用过程中一定的成功案例，但是微生物对于水体的p h 、d o 、氧 化还原电位以及水体温度和流速等水环境有一定的要求，因此生物方法治理自然 水体的效果受水体环境影响较大。 ( 二) 人工湿地技术 人工湿地技术最初由h a m m e r 等人提出，是指通过模拟自然湿地，人工建造 的由基质、植物、微生物和水体组成的复合生态系统，是上世纪7 0 - - 8 0 年代发展 起来的污水处理技术，后来因在自然水体治理和生态系统恢复中的高效而逐渐在 河流治理中得到越来越多的应用。 人工湿地技术利用湿地生态系统中的物理、化学和生物等三种协同作用来达 到废水处理的目的。通过基质的过滤和吸附功能以及沉淀作用、离子交换作用， 以及微生物的转化、吸收、分解和植物吸附、吸收等的综合作用来实现对污水的 高效净化【b j5 1 。国内外的研究和实践表明，人工湿地技术能够完整的形成内部良 好的生态循环系统，对污染水体具有处理效果好、管理维护方便、运行费用低的 特点，具有较好的生态效果和经济效益。但是人工湿地在实际应用中的局限性也 是比较明显的，其处理效果容易受污染水体水流状态、温度、水力负荷、湿地植 4 第1 章绪论 物种类、数量和生长状况以及湿地基质类型等因素的影响，且人工湿地运营随时 间的推移，易堵塞的现象也较为突出。 ( 三) 植物修复技术 运用植物修复技术治理污染水体，尤其在治理严重的富营养化水体方面应用 较多，主要有低等水生植物( 如藻类) 技术和高等水生植物( 如沉水植物、浮水 植物、挺水植物) 技术。 目前，低等植物治理污染水体，主要是利用植物界在水体分布广泛的原始低 等类群一藻类，藻类在其生长繁殖过程中，需吸收大量的氮、磷等营养盐。同时藻 类能与微生物通过相互作用吸附于土壤、石头和水中悬浮物体表明，与周围水环 境形成稳定的生态系统，通过吸收、分解、氧化、过滤、吸附等作用净化水体。 之后通过收集水中藻类而去除水体中污染物质，收集的水藻晒干后可作为很好的 肥料和鱼饲料添加剂，应用于养殖业。因此，利用藻类等低等植物净化污染水体 上有着广阔的应用前景。但是，目前为止人工培育藻类净化污染水体仅限于小规 模试验研究，实践应用技术尚不够成熟，对于低等植物藻类种类的筛选和藻类载 体、微生物复合系统的丌发以及污水处理的固定化方法和生物反应器的研制等均 有待进一步研究。 高等植物修复技术是利用沉水植物、浮水植物、挺水植物等大型维管束植物 与其附着微生物共生体系通过植物吸附、吸收和微生物降解转化等联合作用消除 环境中污染物的污染治理技术。实践证明【1 6 - | 9 】，水生植物修复技术对污染物质具 有明显的去除效果，对富营养化水体净化和抑制藻类生长方面效果明显。在污染 水体治理中，水生植物以其良好的净化效果、生态系统恢复效果以及管理方便、 投入低、具有一定的美学观赏价值等优势，受到人们越来越多的关注。 1 2 植物浮床技术研究现状 植物浮床技术，又称人工浮床技术、人工浮岛技术，于2 0 世纪7 0 年代，由 h o e g e r l 2 0 1 最先提出，之后得到了人们的广泛认识和大量应用。植物浮床技术是以 高等水生植物为主体，运用无土栽培技术原理，利用水生植物与其根系微生物的 物种间共生关系、水体空问生念位和营养生态位，为削减水中污染物质而建立的 高效人工生念系统。具有可直接利用河道水面面积，基建投资小、运行费用低， 景观效果好的特点1 2 卜2 3j 。 1 2 1 植物浮床的净化机理 植物浮床是以水生植物和植物载体构成的复合生态系统，水生植物是植物浮 5 河北一i j 程人学硕士学位论文 床净化水体的关键。根是植物吸收污染物的主要器官，水生植物具有发达的根系， 并在植物根系附近形成根系区域【2 3 1 ，当水生植物根系与水体接触时，植物因自身 新陈代谢主动吸收水中氮、磷等营养元素以及富集吸收一些金属离子。同时密集 的植物根系使得水体流速降低，当悬浮物质通过时，根系形成的密集的过滤层可 以将其拦截。植物根系附着有大量的微生物，其通过新陈代谢作用将污染物质降 解，使水体变得澄清。 植物根系微生物的生物降解作用和对污染物的转化作用是植物浮床技术净 化污染水体的重要途径，水生植物与微生物形成联合协同作用去除水体中的污染 物。这主要是因为水生植物根系为微生物的附着提供了巨大的附着面积，为根系 微生物的生存及其对营养物质的降解提供了必要的场所和好氧、厌氧的条件。植 物进行光合作用吸收c 0 2 产生0 2 ，并通过植物根系泌氧作用释放到周围水体中， 形成好氧微环境，为好氧微生物降解污染物质提供氧气，当根系微生物降解污染 物质消耗水中的溶解氧时，则又在植物根系周围形成局部的缺氧、厌氧微环境， 为兼性细菌和厌氧细菌的生长繁殖创造良好的条件，从而有效促进水体中的污染 物质的去除1 2 4 1 。另一方面，植物在生长过程中，植物根系向水体中分泌的有机酸、 酶等能有效刺激根区微生物生长，脱落的有机物质能为微生物提供碳源，因此能提 高微生物对污染物质的降解与转化【2 引。同时微生物对污染物质的分解和转化也有 利于植物的吸收利用。 植物浮床技术对于富营养化水体中藻类的去除，主要通过水生植物对浮游藻 类的抑制作用和植物根系分泌物抑藻类作用【2 引。 1 2 2 植物浮床技术应用现状 2 0 世纪7 0 年代，国外开始研究利用无栽培技术将高等水生植物用于净化 污染水体，并取得很好的效果。随着近年来生态修复技术的大量研究和应用，植 物浮床修复技术以其治理效果好，安全性、经济性高，实用性、景观效果好等优 点而被人们广泛认识。 大量研究和实践表明，植物浮床技术对污染水具有良好的净化效果。美人蕉、 绿萝、马丽安等三种植植物浮床对城市景观河道水体的去除效果表明，总氮的去 除率均高于9 0 t 2 7 1 。也有研究同时表明【2 8 1 ，利用植物浮床治理富营养化水体，营 养元素氮、磷的去除率确为3 6 。9 和4 3 。3 。不同水生植物因处理不同的水体以， 且加上水环境的差异，造成其净化效果不同，茅孝仁【2 9 1 等利用大聚藻、美人蕉、 黄菖蒲和鸢尾等四种植物净化农村河道支浜水体，结果显示植物浮床对水体n 、p 去除率为3 8 6 0 0 , 8 9 9 和2 9 3 7 5 3 ，研究表明不同植物对水体的净化效果差 6 第1 章绪论 异明显。卜发平i 7 1 等在利用美人蕉和菖蒲净化微污染水体的研究中也发现，因浮 床植物及试验水体的不同净化效果不同，美人蕉和菖蒲的t n 的平均去除率分别为 4 2 5 和3 6 2 ，t p 的平均去除率为4 8 1 矛1 4 4 2 ，c o d m 。的平均去除率为4 2 3 $ 1 3 6 3 ，美人蕉浮床的净化效果要好于菖蒲浮床。植物对污染物质的吸收与植物 的种类及水环境有关，不同种类植物及其根系微生物对污染物质的的吸收和转化 能力不同，表现为植物浮床对污染水体不同的净化效果。 此外，使用高等水生植物治理污染水体，具有较好的经济效益。宋祥甫等【3 0 。3 2 】 利用经济植物净化富营养化水体，即达到净化水体的目的，同时植物的收割又解 决了植物浮床植物越冬期的二次污染问题和产生了良好的经济效益。张村侠1 3 3 j 等 利用生菜、苋菜等绿叶蔬菜构建植物浮床净化污染水体，在富营养化水体得到净 化的同时，收割植物用于人们正常食用。研究表吲3 5 】，利用经济植物处理养殖水 体能有效改善水环境和净化水体。使用空心菜在覆盖率2 0 条件下对养殖水体进行 治理，具有很好的治理效果，对水体叶绿素a 、t n 、n h 4 + - n 、n 0 2 - n 、n 0 3 - n 、 t p 和c o d m 。的去除率高达4 9 0 2 、3 6 5 6 、4 6 3 4 、4 7 7 4 、5 6 5 4 、4 5 1 0 和1 9 0 5 ，每公顷可收获空心菜达6 9 6 1 8 0 7 3 1 6 1 6 k g ，具有巨大的经济效益。 目前我国河流污染严重并己成为制约社会经济发展的重要因素和影响人们身 心健康和生命安全的重大隐患。利用植物浮床技术能有效去除污染物质，净化污 染水体，为水生动植物营造良好的生存条件，恢复水生态系统。由于植物浮床技 术为原位生态修复治理技术，具有原地治理、不另外占地的优点，同时还可以收 获大量经济作物，产生可观的经济效益。针对于植物浮床技术产生的环境效益巨 大，其发展前景广阔，其目前已成为人们治理污染水体，恢复生态环境的主要使 用技术。虽然植物浮床技术有良好的使用效果，但是植物浮床技术存在的一些问 题也引起了人们的关注。如植物浮床的收割不及时对环境造成的二次污染，植物 浮床的覆盖率问题，以及植物浮床对水环境的适应性等，影响了其去除效果等 3 6 - 4 0 。从这些研究来看，植物浮床技术的优化需要进行深入的研究和探讨，而植 物浮床技术与其他技术的的联合使用也急待于进一步的研究。 1 3 人工曝气研究现状 1 3 1 人工曝气技术概况 人工曝气复氧技术是指通过人工向受污染的湖泊、河流等水体中充入空气 ( 或氧气) ，以提高水体的溶解氧水平，改善水体环境，恢复和增强水体中好氧微 生物的活力，使水体中的污染物质得以快速净化，从而改善河流水质，为生态修 7 河北工程人学硕士学位论文 复提供环境基础f 4 卜4 2 1 。 河