（环境工程专业论文）改进型人工浮床在水体富营养化控制中的实验研究.pdf

合肥工业大学 i1 1 11 11 11 111 11 1 11 1111l y 18 8 6 7 5 9 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名：( 工作单位，职称) 坼毫一高工 磁 拳叁谈 锄易谚 雨吲， 安徽国祯集团教授级高工 安徽省环科院高工 合肥工业大学教授 合肥工业大学副教授 瓢参枉伽工业婵支授 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。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得合肥工业大学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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 籼做储签嘞 字日期：如f 年舻月弓目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金妲工些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 佥目巴王些塞堂一可以将学位论文的全部或部分论文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、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：瓣诲 导师弛易参 ， 签字日期必，年缈月乡，a 日 签字日期：劢f j 年簪月；d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 改进型人工浮床在水体富营养化控制中的实验研究 摘要 近年来，富营养化问题作为水体污染最为突出的问题之一受到人们越来越多 的关注。治理富营养化水体的方法很多，人工浮床技术作为富营养化水体治理的 新技术，因其有独特的优势，受到了人们的青睐。 本文是在实验室条件下，用生物浮床技术治理富营养化水体，主要包括以下 三方面内容： ( 1 ) 针对人工浮床处理效率较低的问题，在前人设计浮床的基础上，对其 结构进行了改进，并对改进型人工浮床的结构和实物图进行了说明，对其特点进 行了理论分析。 ( 2 ) 改进型人工浮床的处理效果的验证。在相同的实验条件下，采用统一 方法对各项指标进行测定，比较泡沫板浮床与改进型浮床对富营养化水体的处理 效果。结果表明：改进型人工浮床对三氮、总磷、t o c 的处理效果好于泡沫板 浮床。实验进行1 6 天，氨氮的去除率达9 6 ；4 0 天时，总磷去除了9 8 。改进 型人工浮床所在水箱内植物生长较快，在整个实验过程中，该水箱内p h 和溶解 氧较高，有利于各种污染物质的去除。 ( 3 ) 用于浮床技术的植物种类和多年生植物较少是人工浮床需要解决的一 个问题。本文选取了三种具有观赏和药用价值的新型本土植物用于实验，旨在拓 宽浮床植物的范围。实验结果显示：三种植物生长较好，存活率均为1 0 0 。三 种植物各有特点：酸模生长较快，对各种营养素的需求较多，短期内对污染物质 的降解速率较快。实验进行1 0 天，氨氮下降了9 3 ，沿阶草和麦冬在1 6 天才 能达到这一水平；3 0 天时，总磷净化效率达9 0 ，而沿阶草和麦冬对总磷的处 理效率只有4 0 。但其生命周期较短，适用于短期快速降解污水的情况。沿阶 草和麦冬拥有发达的根系，是多年生植物，适用于长期降解污染物的情况。 关键词：富营养化；改进型人工浮床；新型浮床植物；污水治理 t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o n t r o l l i n gw a t e r e u t r o p h i c a t i o nw i t hi m p r o v e da r t i f i c i a lf l o a t i n gb e d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e mo fe u t r o p h i c a t i o n ，a so n eo ft h em o s tp r o m i n e n t p r o b l e m so fw a t e rp o l l u t i o n ，h a sd r a w nm o r ea n dm o r eo fp e o p l e sa t t e n t i o n t h e r e a r em a n yw a y st og o v e r ne u t r o p h i cw a t e rb o d y , w h i l et h ee c o l o g i c a lf l o a t i n gb e d t e c h n o l o g y , a st h en e wt e c h n i q u eo fe u t r o p h i cw a t e rb o d yg o v e r n a n c e ，b e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e s ，h a sr e c e i v e dm a n yp e r s o n sf a v o r s t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e su s i n g e c o l o g i c a l f l o a t i n gb e dt e c h n o l o g yt o g o v e r nt h ee u t r o p h i cw a t e rb o d yu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n i n c l u d et h ef o l l o w i n g t h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a ta r t i f i c i a lf l o a t i n gb e dt r e a t m e n te f f i c i e n c yi sl o w , t h i sp a p e ri m p r o v e si t ss t r u c t u r eb a s e do nt h ep r e d e c e s s o r sd e s i g no ff l o a t i n gb e d m a k e se x p l a n a t i o n so ft h ei m p r o v e df l o a t i n gb e ds t r u c t u r ea n dt h ei m a g eo fd e f i n i t e o b j e c ta n dm a k e st h e o r ya n a l y s i so fi t sc h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) v e r i f i c a t i o no fi m p r o v e df l o a t i n gb e dt r e a t m e n te f f e c t u n d e rt h es a m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h i sp a p e re x a m i n e se a c ht a r g e tu s i n gt h es a m em e t h o d ， c o m p a r e st h ef o a mf l o a t i n gb e da n di m p r o v e df l o a t i n gb e dt r e a t m e n te f f e c to n e u t r o p h i cw a t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i m p r o v e da r t i f i c i a lf l o a t i n gh a sab e t t e r t r e a t m e n te f f e c to nt h e3 - n i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u sa n dt o ct h a nf o a m f l o a t i n gb e d w h e nt h ee x p e r i m e n tg o e s16d a y s ，t h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ei s9 6 ：w h e n 4 0d a y s ，t h et o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ei s9 8 t h ep l a n t sg r o wf a s t e ri nt h e w a t e rt a n kw h i c ht h ei m p r o v e da r t i f i c i a l f l o a t i n gb e di s i n d u r i n gt h ew h o l e e x p e r i m e n t ，p ha n dd i s s o l v e do x y g e ni nt h et a n ki sh i g h e r , i ti sf a v o r a b l ef o rt h e r e m o v a lo fv a r i o u sc o n t a m i n a n t s ( 3 ) t h a tt h ef l o a t i n gb e dt e c h n o l o g yp l a n t sa n dp e r e n n i a lp l a n ts p e c i e sa r el e s s i st h ep r o b l e mt h a tt h ea r t i f i c i a lf l o a t i n gb e dn e e d st os o l v e t h i sp a p e rs e l e c t st h r e e t y p e so fn e wn a t i v ep l a n t st h a ta r eo fo r n a m e n t a la n dm e d i c i n a lv a l u ef o rt h e e x p e r i m e n ta i m i n ga tb r o a d e n i n gt h er a n g eo ff l o a t i n g b e dp l a n t s t h er e s u l t ss h o w ： t h et h r e ep l a n t sg r o wb e t t e ra n dt h es u r v i v a lr a t e sa r e10 0 t h et h r e ep l a n t se a c h h a st h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s ：s o r r e lg r o w sf a s t e r ；i td e m a n d sm o r ef o rv a r i e t i e so f n u t r i e n t sa n dh a sr a p i d d e g r a d a t i o no fp o l l u t a n t si nt h es h o r tt e r m w h e nt h e e x p e r i m e n tg o e s10d a y s ，a m m o n i ad e c r e a s e sb y9 3 ，o p h y o p o g e nj a p o n i c u ma n d l i r i o p es p i c a t ar e a c ht h i sl e v e la t16d a y s ；a t3 0d a y s ，t h et o t a lp 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 c o m e st o 9 0 ，w h i l eo p h y o p o g e nja p o n i c u ma n dl i r i o p es p i c a t a t r e a t m e n te f f i c i e n c yo nt o t a lp h o s p h o r u si s o n l y4 0 h o w e v e r ，i t sl i f ec y c l ei s s h o r t e r ；i ti ss u i t a b l ef o rs h o r t t e r ma n dr a p i dd e g r a d a t i o no fw a t e r o p h y o p o g e n j a p o n i c u ma n dl i r i o p es p i c a t ah a v ed e v e l o p e dr o o ts y s t e ma n dt h e ya r ep e r e n n i a l p l a n t s ，t h e ya r es u i t a b l ef o rl o n g - t e r md e g r a d a t i o no f c o n t a m i n a n t s k e y w o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ；i m p r o v e da r t i f i c i a lf l o a t i n gb e d ；n e wt y p eo ff l o a t i n g b e dp l a n t s ；s e w a g et r e a t m e n t 致谢 随着这篇论文的完成，三年的硕士研究生学习和生活就要结束了。有许许多 多的舍不得，也有许许多多的感谢要说。 首先要衷心感谢的是我可敬可亲的导师汪家权教授! 您三年来对我学习和 研究的悉心指导和谆谆教诲令我终身受益。在您的指导下，我在各方面的能力都 得到了相应的提高。您的睿智、对知识孜孜不倦的追求、对教育科学研究的热爱、 严谨的治学态度让我学到了如何做事，您在生活中的幽默、宽容、豁达教会了我 如何做人。 感谢在一起工作学习的实验室成员：倪进娟、吴慧群、夏雪兰、马玉萍、 阴娟、姚晓艳、胡明明、潘拮，和你们分享的不仅是学习上的进步，同时还有生 活中的快乐， 感谢胡淑恒博士、陈少华博士、师姐周楠楠和师兄高芮在科研过程中给予 我的带领和指导! 感谢师弟黄岜成和师妹杨子在实验设计阶段所提出的有益的建 议和在数据测定方面给予的协助! 感谢李万银老师对我生活的关心和如何与人相 处方面的启发! 感谢所有教育过我的老师! 你们传授给我的专业知识是我不断成 长的源泉，也是完成本论文的基础。 感谢我的舍友周小平和丁飞! 你们的开怀大笑、你们的精神鼓励、你们的无 私帮助，给了我快乐和温馨的感觉，给了我永远无法忘记的研究生生活。 感谢我勤劳而艰辛的父母，你们的期望是我永远的前进动力。感谢我懂事的 弟弟、妹妹，你们让我感觉到成功的路途虽然漫长，但并不孤单。感谢我体贴的 女友，你的善良、执着、深明大义和不离不弃让我更加坚定了自己的信念。 感谢所有爱我的人和我爱的人，是你们给了我一颗感恩的心。感谢我的每一次经历 和进步，感谢我坚韧不拔的性格和勇于探索的精神，感谢我仁者爱人的灵魂。 作者：张择瑞 2 0 11 年4 月2 0 日 目录 第1 章绪论1 1 1 水体富营养化一1 1 2 人工浮床2 1 2 1 人工浮床的分类与构造2 1 2 2 人工浮床的工作原理3 1 2 3 人工浮床技术的基本特点4 1 2 4 国内外研究状况4 1 2 5 人工浮床存在的问题6 1 3 1 研究内容7 1 3 2 研究意义7 第2 章改进型人工浮床设计。9 2 1 载体的选择原则9 2 2 改进设计一9 2 3 改进设计二1 0 2 4 实物图说明1o 2 5 特点分析1 1 第3 章改进型人工浮床效果研究1 3 3 1 材料和仪器1 3 3 1 1 浮床材料l3 3 1 2 实验植物1 3 3 1 3 实验用水l3 3 1 4 其他材料1 4 3 1 5 实验仪器1 4 3 2 监测指标和测定方法1 4 3 3 设计思路1 5 3 4 结果与分析1 6 3 4 1 植物生长情况一1 6 2 4 2 对氨氮的净化效果比较1 7 2 4 3 亚硝酸盐和硝酸盐氮的变化1 9 2 4 4 三氮之间的转化规律2 0 2 4 5 对总磷的净化效果比较。2 l 2 4 6 对t o c 的净化效果比较2 3 2 4 7 水箱内t d s 和c o n d 的变化比较2 3 2 4 8 水箱内p h 的变化比较2 5 2 5 本章小结2 6 第4 章改进型人工浮床植物的选择2 7 4 1 浮床植物的选择原则2 7 4 2 实验说明2 7 4 3 实验植物2 8 4 3 1 酸模2 8 4 3 2 沿阶草2 8 4 3 3 麦冬草2 8 4 4 结果与分析一2 9 4 4 1 植物生长状况2 9 3 4 2 对磷的净化效果比较一3 0 4 4 3 对氨氮的净化效果比较3 1 4 4 4 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的变化3 2 4 5 本章小结3 4 第5 章改进型人工浮床与其他条件结合3 5 5 1 试验说明3 5 5 2 试验材料3 5 5 3 结果与分析3 5 5 3 1 对氨氮净化效果的比较一3 6 5 3 2 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化情况3 6 5 3 3 对t o c 净化效果比较3 8 5 4 本章小结3 8 第6 章结论与建议4 0 6 1 结论。4 0 6 2 建议4 0 插图清单 图1 1 浮床分类2 图2 1 人工浮床改进设计一1 0 图2 2 人工浮床改进设计二1 0 图2 3 浮床改进设计实物图一1 l 图3 1 新旧浮床对比实验装置图1 6 图3 2 实验后空心菜发达的根系1 7 图3 3 氮之间的转化一1 7 图3 - 4 不同浮床对氨氮的去除效果1 8 图3 5 不同浮床对氨氮的去除效率1 9 图3 - 6 两水箱中亚硝酸盐氮的变化1 9 图3 7 两水箱中硝酸盐氮的变化2 0 图3 8 三氮之间的转化一21 图3 - 9 不同浮床对总磷的去除效果2 2 图3 1 0 不同浮床对总磷的去除效率。2 2 图3 1 1 不同浮床对t o c 的去除效果2 3 图3 1 2 水箱内t d s 的变化一2 4 图3 1 3 水箱内c o n d 的变化。2 5 图3 1 4 水箱内p h 的变化2 5 图4 1 酸模实验前后期对照图2 9 图4 2 麦冬实验前后期对照图3 0 图4 3 沿阶草实验前后期对照图一3 0 图4 4 不同植物对磷的去除效果3 1 图4 5 不同植物对磷的去除效率3 l 图4 - 6 不同植物对氨氮的去除效果3 2 图4 7 不同植物对氨氮的去除效率3 2 图4 8 各水箱中亚硝酸盐氮的变化。3 3 图4 9 各水箱中硝酸盐氮的变化3 3 图5 1 各水箱内氨氮的变化趋势3 6 图5 2 各水箱亚硝酸盐氮变化趋势3 7 图5 3 各水箱硝酸盐氮变化趋势3 8 图5 - 4 各水箱内t o c 的变化趋势3 8 表格清单 表3 1 实验仪器1 4 表3 2 水样的主要测试项目及分析方法1 5 第1 章绪论 我国是一个水资源短缺的国家，虽然水资源总量居世界第六位，但人均占有 量为2 5 0 0m 3 ，仅为世界人均水量的1 4 ，世界排名第l l o 位，被联合国列为1 3 个贫水国家之一。据监测，目前全国多数水体受到一定程度的点状和面状污染， 且有逐年加重的趋势。根据姜建军 1 1 2 0 1 0 年的调查：我国地下水污染状况不容 乐观。本章主要介绍我国地表水体污染面临的主要问题一一水体富营养化问题。 重点阐述目前应用较为广泛且对污水治理效果明显的人工浮床技术，并对浮床进 行了改进设计，旨在提高浮床技术对富营养化水体的处理效率。 1 1 水体富营养化 相关资料【2 】显示：我国主要河流和湖泊面临不同程度的水体富营养化问题，且有逐 年加重的趋势。 水体富营养化是由于人类的活动，使得水体中营养物质富集，引起藻类以及 其他水生生物过量繁殖，水体混浊，呈绿色或呈褐色，透明度下降，溶解氧降低， 造成水质恶化，严重时发生“水华”，使整个水体生态平衡发生改变而产生危害 的一种水体污染现象1 9 j 。 水体自身的特征、循环周期、所处地质环境与气候环境的性质都可能导致富 营养化问题，这些因素往往交互作用，共同促进富营养化现象的发生【l0 1 。农田 施肥、牲畜粪便、污水灌溉、城镇地表径流、矿区地表径流、大气沉降和水体人 工养殖等是水体富营养化的形成的人为因素，农田施肥是其中最主要的因素。为 促进植物生长，提高农产品的产量，人们常施用较多的氮肥和磷肥，而它们又极 易在降雨或灌溉时流失。施入农田的氮肥被作物吸收利用的只有3 0 - - 4 0 ，大 部分氮肥经各种途径转移到环境中，对水环境造成了污染【1 1 1 。随着农田氮肥施用 量的增加，世晃范围内地表水和地下水中的各种氮的浓度在不同程度上呈现出 上升的趋势i l 引。水中硝酸盐、亚硝酸盐对人、畜有害，尤其对婴儿、胎儿可导 致其变性血红蛋白增高，丧失输氧能力，直至发生死亡【1 4 】。另外，硝酸盐和亚硝 酸盐能在各种含氮有机化合物作用下，形成稳定的致癌和致突变性的亚硝基胺的 各种亚硝基族化合物。不少国家饮用水卫生标准规定，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮 含量总计不得超过1 0m g l i l 引。 水体富营养化的危害有【1 7 】：散发出腥味异臭，降低水体的透明度，影响水体 的溶解氧，向水体释放有毒物质，影响供水水质并增加制水成本，影响水生生态、 水产养殖、旅游和航运。 依据水体富营养化的形成机理，防治水体营养化的根本性措施是减少水体 中的氮、磷含量，控制主要污染物一一藻类、有机物的生成，使富营养化水体 得到净化i l 引。对富营养化水体的治理有物理、化学方法，生物、生态方式等多 种措施，但各种方法都有其优缺点。近年来，随着人们对水治理技术要求的不 断提高，人工浮床技术作为一种新型污水处理技术受到了人们的青睐，虽然对 这项技术的研究还不够完善，但其独特的优势使它在污水治理领域占据了越来 越重要的地位。 1 2 人工浮床 1 2 1 人工浮床的分类与构造 人工浮床又称人工浮岛、生态浮床、生态浮岛。自2 0 年前德国b e s t m a n 公 司开发出第一个人工浮床之后【1 9 】，以日本为代表的国家和地区将人工浮床技术 成功地应用于地表水体的污染治理和生态修复【2 0 1 。近年来，我国的人工浮床技 术开发及应用正处于快速发展时期。研究与应用结果表明，在藻化严重的富营养 化水体修复过程中，采用人工浮床技术可以使得一部分水生动物得以恢复【2 1 1 。 人工浮床有多种类型，按其功能主要分为三类：消浪型、水质净化型和提供 栖息地型【2 引。浮床的外形有正方形、长方形、三角形、圆形等多种。 按浮床植物与水体是否直接接触，浮床总体上可分为干式和湿式两种【2 3 1 。分 类如图卜1 所示。 厂一体式：培养基容器直接提供浮力 厂干式浮岛 ll 分体式：浮简和培养基容器分离 浮岛f ，无框式丁髫荔黧萎裳浮岛 【il 人工蛭石袋子浮岛 、湿式浮岛 彳厂橡皮艇，废车胎提供浮 ii 力，钢架或木条做框架 l 有框式 聚苯乙烯泡沫板浮岛 i 竹木浮岛 l 其他类型：多层浮岛、塑料浮 岛( 花飞碟等) 、滤料浮岛等 图1 1 浮床分类 f i g 1 - 1c l a s s i f i c a t i o no ff l o a t i n gb e d 干式浮床根据提供浮力的浮体与植物培养基容器的位置关系，又可分为一体 式和分体式【2 4 1 。干式浮床植物不直接与水体接触，没有直接处理水体的能力，但 这种浮床的体积一般较大，其上能栽种体积较大的木本园艺植物，既能美化环境， 又为鸟类等生物提供生息的场所，其水下部分也能为鱼类产卵提供场所。该类浮 2 床一般应用于园艺、景观布置及渔业。 湿式浮床是植物与水体直接接触的一类浮床，浮床植物能直接吸收水体中的 氮磷等营养物质。湿式浮床根据外围框架的有无又分为有框架型和无框架型，有 框架型人工浮床应用较为广泛，约占7 0 。有框架型人工浮床一般由框架、浮 体和基垫、植物、固定装置等部分组成【2 5 l 。 框架是人工浮床的“外壳 ，一般由竹材、木材、塑料管或废旧轮胎等材 料加工而成，起到保持浮床的外形和提供足够的结构强度的作用，在风大浪急的 水体中，框架的外形设计和材料的选择尤为重要。 浮体又称浮子，其主要作用是提供足够的浮力，使浮床在水体中不会下沉。 泡沫塑料板、竹材、木材、塑料管和废旧轮胎都是良好的浮体材料。 基垫为植物提供生长点，目前应用的基垫材料主要有泡沫塑料板、椰丝纤维 和海绵等，这些材料具有比重小、耐腐蚀、易加工等特点，能够为浮床植物的生 长繁殖提供条件。 植物净化水质的主体，湿生是选择浮床植物的基本原则。一些分株多、生长 快、根系发达、生物量大、观赏性好，兼具一定的经济价值和观赏价值的植物都 可以作为浮床植物。 固定装置是为了防止浮床因相互碰撞而散架，同时保证浮床不被风浪带走。 人工浮床上的每一种“构件”往往都具有多种功能，如竹筒、海绵、泡沫 塑料板和椰丝纤维等既是浮体又是基垫，竹排、废旧轮胎等既当框架又是浮体。 1 2 2 人工浮床的工作原理 人工浮床主要通过以下途径净化水质【2 卅：( 1 ) 植物发达的根系拥有巨大的 表面积，是水中悬浮污染物和各种微生物良好的附着载体，对水体中各种污染 物具有多功能的净化作用；( 2 ) 植物可以直接或间接地吸收利用水体中溶解性的 氮、磷等营养物质，并通过木质化作用使其变成自身的组分，也可通过挥发、代谢 或矿化作用将其转化为二氧化碳和水，或转化为无毒性的中间代谢物( 如木质素) 贮存在植物细胞中，达到去除污染物的目的；( 3 ) 植物可通过促进根区微生物的 转化作用实现对污染物的降解，植物根区的真菌与植物形成共生关系，以其独特 的酶途径降解不能被细菌单独转化的有机物；( 4 ) 人工浮床能够有效遮蔽阳光， 限制浮游藻类的光合作用，延缓水华的暴发；( 5 ) 许多浮床植物如凤眼莲、石营 蒲、水花生、轮藻、水浮莲、满江红、马蹄莲、浮萍、紫萍、金鱼藻、狐尾藻、 芦苇等都能够分泌克藻物质，从而有效抑制浮游藻类的生长繁殖；( 6 ) 光合作 用过程中，植物通过根系向水体中释放大量氧气，提高水体溶解氧含量，加速污 染物的净化；( 7 ) 除净化污染水质，防止“水华发生外，人工浮床还为高等水生 动植物及鸟类提供良好的栖息地，有利于增加水体生物的多样性，促进生态恢复。 1 2 3 人工浮床技术的基本特点 人工浮床技术有以下特点【2 7 】： ( 1 ) 人工浮床技术是生态技术，无二次污染和环境风险，创新点是将陆生 植物培育后引入水体种植。 ( 2 ) 陆生植物通过光合作用和对n 、p 等营养盐的吸收，去除水体中的n 、 p ，病虫害少，不用施肥，生物生产量大。实践证明，在污染水体中种植一些耐 污能力较强，能在原位生态条件下正常生长，并容易收获的高等植物，能很好 地净化水体。 ( 3 ) 对于生态条件和污染程度不同的水体进行针对性治理，采用不同品种、 不同的种植结构，做到定量设计和基本量化指标的控制。 ( 4 ) 陆生植物水上种植后，能形成较大的生物量，特别是发达的根系，可 以吸附大量藻类等浮游生物，根系释放出能降解有机污染物的分泌物，加速污染 物的分解。 ( 5 ) 可创造一定的经济效益和美化污染水体的景观效果。如种植水生蔬菜 有经济效益，若采用不同花期的花卉组合，既能净化水质，又有美化景观的功能。 ( 6 ) 造价低，供试植物和浮床载体材料来源广，刚柔兼备，结构组装方便， 载体可移动拼装，具有较好抗风浪能力。 1 2 4 国内外研究状况 最早涉足浮床技术的学者是美国生态学家g u r n e y ，他以研究加拿大雁获得 “雁爸爸 的称号而著名。他与1 9 7 1 年发表了加拿大雁的水上漂浮式人工巢论 文，成为人工浮床研究的先锋。在他之后，t r i v e d y ( 1 9 7 8 ) ，s a s s e r ( 1 9 9 5 ) ， h a l l e r ( 1 9 9 6 ) 等人也对人工浮床进行了相关研究【2 引。 在德国，美国德裔植物学家豪格( s v e nh o e g e r ) 于1 9 8 8 年发表了著名的论 文s c h w i 舢k a m p e n g e r m a n y 7 sa r t i f i c i a lf l o a t i n gi s l a n d s ，在文中，他概 括了人工浮床的六大功能：防止堤岸侵蚀和保护海岸线、净化和过滤水质、为野 生动物提供栖息地、生物消毒作用、美化景观1 3 3 1 。 在日本，人工浮床作为一项水质净化技术一直受到重视。1 9 9 7 年日本公共 工作研究所建造部的两位学者n a k a m u r a 与s h i m a t a n i 在k a s u m i g a u r a 湖的 t s u c h i u r a 港口建造了长9 2m ，宽9 1 5m ，4 0 个单元组成的人工浮床。他们发现： 人工浮床的特征是改变生态系统的状况，并非单纯把营养成分搬出系统之外。在 夏季，人工浮床能有效地净化水质，对于夏季发生“水华”现象的湖泊来说，人 工浮床是一个有效净化水质的技术。 在国内，宋祥甫等人在1 9 9 1 年开展了人工浮床的研究与应用工作，他们先 后在杭州、上海、无锡、北京等城市进行人工浮床治理城区污染河道的实验，为 4 我国人工浮床技术研究及其应用积累了丰富经验【3 引。 1 9 9 8 年中科院南京地湖所在无锡五里湖进行了利用生物浮床技术治理富 营养水体的可行性研究。建设的浮床总面积为8h m 2 。1 9 9 9 - - , 2 0 0 0 年间又在五 里湖采用软坝围出了总水域面积为3 6 0 0m 2 的实验区，在浮床上种植黑麦草、 美人蕉等湿生植物。 2 0 0 1 年章永泰设计了一套带风能曝气和生物治理的污水净化浮床，组件包 括风力发电机、曝气装置、浮筒、滤料、蓄电池等1 36 1 。风能发电机驱动曝气装 置进行充氧曝气，释放微小气泡，为生物滤材的硝化和反硝化过程提供适宜的环 境，提高了整个浮床的处理效果。 2 0 0 1 2 0 0 2 年中科院南京地湖所利用生物浮床等手段治理北京市什刹海。 在沉于水中的框架内，放置滤材及植株支撑物【3 7 】。浮床上架设有风力发电曝气 机和风动曝气机。这种人工浮床具有风动曝气、接触氧化、抑藻功能，促进了水 中生态系统的恢复。 2 0 0 3 年北京市水利科学研究所在什刹海后门桥一金锭桥段建造了两片面积 分别为2 8 8m 2 和5 0 0 0m 2 浮床区【3 引。浮床投入运行后，明显提高了水体透明度， 同时营造出良好的景观效果。 2 0 0 4 年在抚仙湖“隔河泄水蓝藻污染控制应急工程中，研究人员在隔河 河口将面积为1 0m 1 0m 的漂浮水葫芦单元连接，建成总面积2 0h m ：的生态 浮床净化工程，使隔河下泄水中的蓝藻去除率达到8 0 以上，生态景观得到了 改善。结合沉水植物净化、曝气氧化等技术，使隔河水质从劣v 类上升到i 、 类【3 9 1 ，而总投资只有其他技术方案的2 0 左右。 2 0 0 5 年南京地湖所在太湖梅梁湾利用消浪竹排作为固定载体种植漂浮植物 【4 们，在4 5k m 长的竹排上种植了4 5 0 0 0m 2 的喜旱莲子菜。初始种植密度为1 2k g m 2 ，半年后为5 6k g m 2 ，最大生物量达到1 0 1k g m 2 ，起到了非常好的 水质改善效果。 2 0 0 6 年河海大学操家顺等人结合生物膜技术设计了新的人工浮床结构【4 2 1 。 浮床表面设置镂空的水气交换区，利于水体的自然复氧。分散的生物膜能够有效 地截留水中的悬浮物，还能有效地去除水中的有机物和氮、磷等营养物质，加强 了浮床植物的处理效果，全方位地净化受污染水体。 2 0 0 7 年东南大学李先宁等设计出组合型浮床，将填料浮床、植物浮床和生 物浮床技术有机结合起来【4 3 1 ，浮床分为三层。上层种植水生经济植物；中层笼 养滤食性水生动物贝类；下层悬挂兼具软性及半软性的人工填料。经过测定，该 浮床对n 、p 和浮游植物的去除效果都很好。 2 0 0 8 年重庆大学肖华等在重庆江津朱扬镇临江河边进行人工浮床实验，采 用自流进水的方式通过植物的单种和混种对该河的治理效果进行研究，所用浮床 植物为菖蒲、风车草和风车草。实验表明：三种植物都能有效地治理该河段，产 生较好的环境效益，但植物混种的浮床对氮、磷等营养物质的有较好的吸收作用。 2 0 0 9 年华东师范大学罗虹采用沉水和挺水植物，滤食性动物对丽娃河进行 生态修复模拟研究。结果显示：该河在实施生态修复工程一年后，总磷、总氮、 c o d 有大幅度下降，分别下降到0 4 1m g l 、0 0 3m g l 和2 1 5m g l ，叶绿素和 浮游植物密度显著降低，溶解氧和透明度显著提高。对其中的某些植物进行打捞 和收割对比实验表明，与不进行收割的情况相比，对生物量达到最大时的植物进 行收割的措施，能显著提高氮、磷的去除率。 2 0 1 0 年华东师范大学秦蓉等采用人工浮床技术对奉贤农业区的某污染河道 进行生态修复。通过人工浮床与人工湿地对污水净化效果的比较，结果表明：人 工浮床技术对污染物质的去除率，总体好于人工湿地。通过向水体中投加微生物 显示：微生物复合制剂与浮床技术的组合对污水的处理效果要好于组合填料，复 合制剂的投加有助于溶解氧的提高和各种污染指标的降低。 1 2 5 人工浮床存在的问题 实践证明，人工生态浮床技术是一种有效的净化水体n 、p 的技术，在国内外 得到了大量的应用。但浮床技术目前还存在以下一些问题【4 4 1 ： ( 1 ) 技术的可靠性及稳定性还不够高【4 5 1 。浮床技术未形成规范，取得的数据 也是在各自的实验条件下获得的，在通用性上存在欠缺。浮床植物的选择及载体 的制作工艺没有形成相应的标准。 ( 2 ) 处理效果虽好，但耗时长，难以满足一些时效性要求较高的处理项目 h 引。在冬季，植物基本上停止生长，处理能力也基本消失。所以，现在的浮床技术 还只能作为一种预防污染和改善水质的措施，要彻底达标还需与其他水处理措施 相结合。 ( 3 ) 植物秸秆的处理问题。浮床技术是以植物吸收的方式把污染物带出水 体，但大量植物体的处置又是一个棘手的问题。 ( 4 ) 浮床材料问题【4 7 】。现在的浮床材料在牢固性、耐腐蚀性及抗风浪性方 面还有欠缺，应努力寻找一些能重复利用、成本低廉且没有二次污染的浮床材料。 ( 5 ) 浮床技术的发展也受到相关配套技术和设施缺乏的制约。浮床载体基 本都是手工制作，水平效率都较低，缺乏工业化的制造设施。 ( 6 ) 虽然浮床技术净化了水质且能美化环境，然而多数植物不耐寒，冬季会 死亡、腐烂，再次释放出n 、p 等营养物质，适时地收割植株需要大量的人力、物 力，如何做到年内和年度间植物的衔接也是研究中需要考虑的问题。 ( 7 ) 对于不同生态条件和污染程度的水体，需要采用不同品种的植物、不同的 种植结构，进行针对性治理，但相关数学模型研究还不够深入。已有的研究表明， 湖泊全面治理需要生态学模型提供必要的指导，只有在充分了解系统内部行为的 基础上，才能更好地修复水体1 4 引。 6 1 3 本课题研究内容和意义 1 3 1 研究内容 人工浮床技术是如今广泛应用于处理湖泊、河流等富营养化水体的先锋技 术，因其具有独特的优点受到了人们的青睐。然而，人工浮床技术也有自身的缺 点。对污染水体的处理效率较低使其只能作为辅助的处理技术，严重限制了这项 生态技术的推广和应用。 导致其处理效率较低的因素要多种，其中浮床本身设计的缺陷是一个重要原 因。浮床的浮体覆盖在水体表面，遮蔽了阳光向水中的照射，阻挡了水体的大气 复氧。使得水体中氧气的含量降低，不利于水中好养菌的生长繁殖，从而限制其 水体中污染物质的降解作用。另外，阳光不能到达水底，限制了沉水植物和挺水 植物的光合作用，影响了其对水中污染物质的吸收，不利于水体生态系统的恢复， 甚至会使这些植物腐烂，加重水体的污染。 针对浮床结构设计的问题，在传统泡沫板浮床设计的基础上，设计出改进型 浮床是本课题研究的一个内容，该浮床能够有效避免上述提及的一般浮床的缺 陷，使其在理论上对污水有更好的处理效率。 对手工制作的改进设计的浮床对污水处理的效率进行验证，改进设计浮床优 越性的验证是本课题所做的主要实验，也是本课题研究的一项重要内容。通过在 相同条件下不同类型浮床对污染物质降解效果的比较，证明改进设计浮床有其自 身的优势，使其有较好的污水处理效果有了理论和现实依据。 影响浮床应用的因素还有浮床植物问题。现在所用的浮床植物大多为一年生 草本植物，越冬死亡，不能达到长期净化污水的目的。选择新型的浮床植物并对 其对污水的处理