（环境工程专业论文）桃花江介质筛生态护岸的构建及其净化功能的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 为防止洪涝灾害，我国城市河流以往大多采用硬质材料构建人工河堤。这种 河堤隔断了河水与两岸土壤水和潜水的联系，使河流变成水巷，降低了河流的自 净能力，造成诸多负面的环境效应。介质筛生态护岸技术在满足一般生态护岸所 应具有的生态功能的同时，还具有水质净化功能，从而起到修复受污染水环境的 作用。本论文所研究的内容是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “桂林市水环 境质量改善与综合示范项目”的二级子课题之一。论文针对广西壮族自治区桂林 市桃花江的水环境现状，将介质筛生态护岸技术应用于水环境改善的实践，并研 究了其对桃花江水中含有的有机物和氨氮的净化去除效果。 课题对广西壮族自治区桂林市桃花江流域的自然状况、经济状况和水污染现 状进行了有针对性的调查。调查结果表明：由于经济的发展和人口的增长，桃花 江流域的生态环境己遭到了破坏，并且污染有加重的趋势。在调查的基础上，论 文重点分析了桃花江流域存在的水环境问题，并提出了解决这些问题的对策。 生态护岸技术是水环境综合整治的一个重要方面。本课题借鉴了大量的国外 生态护岸的建设经验和实例，根据桃花江的实地情况以及生态护岸的设计原则， 提出了一种新型的生态护岸介质筛生态护岸。该护岸依据筛分原理，在向岸 过渡的过程中，敷设粒径由大到小变化的块石、砾石以及沸石。根据这一设想， 在桃花江实地建设了介质筛护岸的实验场地。 课题以实验场地为基础，研究了介质筛护岸内潜水的迁移方向研究表明， 在整个实验进行期间介质筛生态护岸内潜水的迁移方向一直为桃花江一地下水这 一方向进行。当桃花江由丰水期逐渐过渡到枯水期，降水量减少造成江水水位的 下降，减缓了介质筛生态护岸中潜水的迁移速度。 课题进一步研究了介质筛生态护岸对桃花江水中所含有的有机物和氨氮的净 化效果。为了强化这一效果，将具有较强吸附能力的改性沸石引入到介质筛护岸 的工程体系中。研究表明，在桃花江水质c o d c f 超_ 过2 s m g z l ，氨氮超过o 4 m g l 的 情况下，具有沸石强化特性的介质筛生态护岸对上述两种污染物具有良好的去除 效果，去除率分别高于7 0 和8 0 。随着桃花江流域季节由夏末变化到冬季，桃花 江水c o d c r 和氨氮指标不断升高，护岸的对水质的净化效果一直比较稳定。经过分 青岛理工大学工学硕士学位论文 i i _ - - i i e i - _ i _ _ l _ _ - _ - _ _ _ _ i 1 日- - l _ l _ i - e l l _ - i _ l _ _ _ _ _ _ l - _ _ l - - - - - _ _ _ 析，认为介质筛护岸对该两类污染物的去除机理主要是介质筛颗粒的吸附作用和 生物膜的生化作用。由此推断，随着污染物在介质筛颗粒表面的富集，生物膜逐 渐生长，微生物硝化及反硝化作用逐渐增强，从雨能够实现沸石的原位再生。 关键词：水环境修复：桃花江；生态护岸；介质筛：水质净化 要璺矍三銮：三兰篓圭耋竺鲨銮 a b s t r a c t i nc h i n a , p e o p l em o s l l yu s eh a r dm a t e r i a lt oc o n s t m c ta r t i f i c i a lr i v e r b a n ki no r d e r t oa v o i df l o o d s u c hd v 盯b a n k , w h i c hb l o c k su pt h ec o n n e c t i o nb t m r 啪f i v e rw a t e ra n d s o i lw a t e r , t u r n ss u e a u ni n t oc o n v e y a n c ec a n a l ，a n db r i n g sm a n y n e g a t i v ee n v i r o n m e n t a l e f f e c t sb yr e d u c i n gt h es t r e a m ss e l f - p u r i f i c a t i o nc a p a c i t y m e d i u ms i e v ee c o - b a n kh a v e t h ef u n c t i o no fw a t e rq u a l i t yd e c o n t a m i n a t i o n , b e s i d e st h eb a s i cf u n c t i o ng e n e r a l a ) - b a n ks h o u l dh a v e s ot h a ti tc a nr e p a i rt h ep o l l u t e da q u a t i ce n v i r o n m e n t 1 1 拉 s u b j e c tt h i sp a p e rs t u d i e do ni sap a r to f t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c to fa q u a t i c e n v 打o n m e n tq u a l i t yi m p r o v e m e n ta n ds y n t h e s i sd r e d g ei ng u i l i nc i t y ”，w h i c hb e l o n g s t oh i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo f c h i n a ( 8 6 3v t a n ) b a s e do nt h es t a t u s o fa q u a t i ce n v i r o n m e n t , t h es u b j e c tp u tt h et e c h n i q u eo fm e d i u ms i e v ee c o - b a n ki n t o t h ep r a c t i c eo f a q u a t i ce n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n t , t h e ns t u d i e dt h ee f f e c to f p u r i f i c a t i o n o no r g a n i cm a t t e ra n dn h 3 - nc o n t a i n e di nt h ew a t e ro f t a h u ar i v e r n 迅s u b j e c t 锄p l yi n v e s t i g a t e dt h es t a t u so f n a t u r e ，e c o n o m ya n dw a 栅p o l l u t i o n i nt a o h u ar i v e ri ng u i l i nc i t y , o u a n g x iz h l 壤n g a i i l 叫l 锄。峭r e 百o mt h e r e s u l t s s h o w st h a tt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nt a o h u ar i v e rb a s i nh a sb e e nd e s t r o y e d , a n d c o u l db ew o r s e ，b e c a u s eo f t h ei m p r o v e m e n to f e c o n o m ya n dp o p u l a t i o n t h ep a p e r a n a l y z e dt h ep r o b l e m so f t h ew a t e re n v i r o n m e n t , a n dd i s c u s s e dt h ec o n k ：i l n e 剐n 麟t o s o l v et h e m 1 1 抡t e c h n i q u eo f e c o - b a n k i sa ni m p o r t a n tp a r to f a q u a t i ce n v i r o n m e n ts y n t h e s i s d r e d g e b a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o na n dd e s i g np r i n c i p l eo f e c o - b a a k , t h i ss u b j e c t d e s i g n e da n e w t y p eo f e c o - b a n k , w h i c hw a sc a l l e dm e d i u ms i e v ee c o - b a n k a c c o r d i n g t os e r e e nt h e o r y ，t h ed e s i g nl a ys t o n e s ，i n c l u d i n gp e b b l e ，g r a v e la n dz e o l i t e , o nt h e r e g i o no f r i v e rb a n k t h e nw eb u i l ta ne x p e r i m e n t a lf i e l do nt a o h u ar i v e r t h e s u b j e c ts t u d i e dt h em o v e m e n to f p h r e a t i ew a t e ri nt h ee x p e r i m e n t a lm e d i u m s i e v ee c o - b a n k n 嵋r e s u l ts h o w e dt h a tt h ed i l e g t i o no f t h em o v e m e n tw a s 如mt a o h u a r i v e rt os o i la l lt h et i m ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t a st h ew 龇l s i o nf r o mh i 曲w a t e rs e a s o n t ol o w , t h es p e e do f t h i sm o v e m e n tw 鹬s l o w e dd o w n b yt h ed r a w d o w no f t h er i v e r 青岛理工大学工学硕士学位论文 n e x ts t u d yo f t h i ss u b j e c tw a sp u r i f i e de f f e c to no r g a n i cm a t t e ra n dn h 3 - n c o n t a i n e d i n t h e w a t e r o f t a n h u a r i v e r i n o r d e r t o i n t e n s i f ys u c h e f f e c t , w e u s e d z e o s i t e sw i t hp o w e r f u la d s o r p t i v ec a p a c i t ya sa l li m p o r t a n tp a r to f t h es y s t e mo f m e d i u ms i e v ee e c | _ b a n k 1 1 圮c o d c rc o n c e n t r a t i o nw a sb e y o n d2 5 m g l 。a n dt h en h 3 - n b e y o n d0 4 m g ld u r i n gt h ee x p e r i m e n tp e r i o d , t h em e d i u m s i e v ee e o - b a n kh a dag o o d e f f e c to nt h e s et w op o l l u t a n t s ，w h i c hm e a n tt h a tt h er e m o v a lr a t e sw e r eh i g h e rt h a n7 0 0 , 6 a n d8 0 0 , 6 a n dt h i se f f e c tc o u l dr e m a i no i las t a b l el e v e l 1 1 地p a p e ra n a l y s e dt h a tt h e r e m o v a lm e c h a n i s mm a i n l yw a st h es o r p t i o no f m e d i u ms i e v eg r a i n sa n db i o c h e m i c a l a c t i o no f b i o m e m b r a n eo i lt h e 蛐a st h eg a t h e r a t i o no f t h ep o l l u t a n to nt h es u r f a c e o f m e d i u ms i e v eg r a i n s ，t h eb i o m e m b r a n ec a ng r o wt h i c k e rt os t r e n g t h e nt h en i t r a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o ne f f e c t , a n dr e g e n e r a t i o nc o u l db er e a l i z e d k e y w o r d ：a q u a t i ce n v i r o n m e n tr e s t o r e , t a o h u ar i v e r , e c o - b a n k , m e d i u ms i e v e , p u r i f i c a t i o no f w a t e rq u a l i t y i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景 自古以来河流与人类就有着密不可分的关系。我们的祖先们傍水而居，沿河 开垦，开展各种生产活动。河流给人类带来巨大的物质财富和精神财富，但管理 不善也会给人类带来了无穷灾难，洪水曾无数次地卷走人们的生命和财产。为了 生存发展，人类开始大量兴建闸、坝、护坡、渠道衬砌等水利工程来征服洪涝灾 害和早灾。在一定程度上，水利工程在经济和社会发展中具有不可替代的作用。 但随着经济的快速发展，一方面河道在保障经济生活和建设良好生存环境中 的作用越来越大；另一方面由于人类这种改造自然的能力的不断增强和对河流生 态系统平衡缺乏足够的认识而采取了“截流”，“裁弯取直”、。渠化”、。硬化”等 破坏河相多样化的水利工程，致使原有的自然河道消失，水生生物生存和繁衍的 空间大幅度减少，水体自然净化能力降低。具体表现在： ( 1 ) 河道上的闸、坝工程建设，阻断自然水体的循环流动，改变了水流结构， 动水变成静止的死水，水体对污染物质的稀释和同化自净能力下降，水环境质量 恶化，同时也阻隔了上、下游鱼类洄游通道、破坏水生生物生长环境，特别是珍 稀鱼类产卵、越冬和繁殖水域被阻隔，造成珍稀鱼类灭绝和水生生物的变异； ( 2 ) 传统的防洪护坡工程破坏了河道两岸天然的湿地系统，降低了自然水生 植物对污染物的吸附能力和净化效应，截留容量和转化功能丧失，使污染水域难 以恢复，影响水资源质量，造成水质型缺水，我国大面积水体污染后难以恢复与 湿地破坏是密不可分的； ( 3 ) 渠道衬砌工程虽然提高了水的利用率，但它一方面阻断了地表水体的自 然入渗，影响地下水的补给；另一方面减少了各种水生生物生存和繁衍的空间； ( 4 ) 经济的发展和人口的增多，也使得河流所接纳的污染负荷加大，水体污 染严重。 以上这些因素的共同作用己经使得当下的大部分河流生态系统严重退化，水 资源的使用功能也被弱化，限制了社会经济的进一步发展。因此，重新构建和修 复被损坏的河道，恢复河流的原有功能，已是当前社会经济发展和生态环境建设 的迫切需要，也是当今水利和环保科技工作者面临的重要问题之一。 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 从以上分析可以看出，当前城市水环境综合整治，必须突破单纯的截污治污 模式，上升到水生态系统修复和水环境良性循环的层面，更强调以生态技术为核 心，辅以水利和景观等工程措施，全方位开展整治工作。2 0 0 2 年，日本学者丹保 宪仁【l 】提出了现代城市新型水环境代谢的基本构思，为城市水环境修复提供了理论 指导，董哲仁 2 - 3 提出了“生态水工学”的概念和理论框架，王超和王沛芳嗍对城 市水生态系统建设与管理进行了深入探讨。目前，城市水环境问题正逐步成为多 学科共同关注的焦点，城市水环境生态修复离不开河岸带的整治和重建。从生态 学角度看，河岸带是水陆生态系统之间直接相互作用的功能界面斟5 】，通过河岸带， 河流与陆地之间进行着频繁的物质和能量交换嘲，河岸带具有水文、生态、净化和 景观等功能【刀。 广西壮族自治区桂林市是闻名中外的旅游城市，素有“桂林山水甲天下”之 美誉。但是，随着当地经济的增长和旅游资源的过量开发，桂林这个美丽的城市 也面临着生态退化、漓江断流、水质恶化、洪涝灾害频繁、湿地萎缩等问题。自 2 0 0 0 年以来，桂林市开始实施“两江四湖”治理工程，对漓江、桃花江市区段， 以及位于桂林市区内杉湖、桂湖、榕湖、木龙湖进行了一期工程的治理。工程基 本结束后，在国家高技术研究发展计划( 简称8 6 3 计划) “桂林市水环境质量改善 与综合示范项目”( 简称“桂林水专项”) 支持下，开展了对桂林城市水环境的 全面整治和修复。 1 2 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展规划( 8 6 3 计划) “桂林市水环境质量改善 与综合示范项目”该项目在8 6 3 计划的所属类别为。资源与环境技术领域”中 的“水污染控制技术与治理工程”，课题编号为2 0 0 3 a a 6 0 1 0 6 0 。项目主要是针对 广西壮族自治区桂林市内漓江的一级支流桃花江流域内的生态、水环境修复 技术及其污染控制和治理。该项目下设3 个子课题，分别为：“景观功能与水质净 化功能相结合的水环境修复技术”、“河流上游来水污染控制技术与示范”、“桃花 江度假区水质改善与保护系统方案研究”。其中“景观功能与水质净化功能相结合 的水环境修复技术”下设8 个二级子课题，本论文所研究的内容即为其中之一。 1 3 研究目的、意义 “桂林山水甲天下”。国际性风景旅游城市、国家级历史文化名城”是桂林 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 市的城市目标。桂林市城市总体规划( 2 0 0 l 至2 0 1 0 年) 中明确表明：“桃花江 城市部分是桂林山水环境中最具历史继承性和认知性的精华所在，桃花江涉及的 开敞空间和视觉艺术走廊应受到坚决保护”。然而，在桂林市经济发展过程中，桃 花江生态环境资源的消耗破坏了水系物质和能量的平衡，从而使桃花江复合生态 系统功能脆弱。因此，必须改善沿江生态环境，同时提高桃花江防洪能力、实现 桃花江通航、建设沿江园林景观、推动旅游经济的发展。对桃花江沿江护岸进行 生态化修复是实现以上目标的基础。通过本课题的研究，将介质筛生态护岸技术 应用于桃花江的水环境修复中，并验证其对某些污染物的去除效果，从中取得一 些经验，也可为国内其它城市生态护岸建设以及水环境修复提供借鉴。 1 4 生态护岸的研究现状 河道是水的专用通道，是水生态系统的重要载体，也是水生生物生存和繁衍 的空间。目前，国际上十分关注传统人工改造的河道对河流生态系统的影响，开 发了一系列的修复技术，弥补人类活动给水域生态系统造成的危害。特别是欧美 等发达国家，广泛开展传统水利工程对水生态系统影响效应的研究。作为生态河 道的一项重要内容，生态护岸指的是利用植物或者植物与土木工程相结合，对河 道坡面进行防护的一种新型护岸型式，是伴随着人们渴望亲近自然、回归自然的 思潮在西方发达国家发展起来的。早在1 9 3 8 年，德国学者s e i f e r t 最早提出近自然 河溪治理的概念【明；1 9 6 2 年h t o d u m 提出将生态系统自组织行为( s e l f - o r g a n i z i n g a c t i v i f i e s ) ：运用到工程之中唧，他提出。生态工程”( e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) - - 词，旨 在促进生态学与工程学相结合；s c h l u e t e r ( 1 9 7 1 ) 认为“近自然治理”t n e a rn a t u r e c o n u 0 1 ) 在满足人类对河流利用的要求同时，又要维护或创造河流的生态多样性【1 川； b i d n e r ( 1 9 8 3 ) 提出河道整治首先要考虑河道的水利学特性、地貌学特点与河流的自 然状况，并将之作为衡量河道整治与人为活动干预程度的标准0 1 ；h o l z m e n n ( 1 9 8 5 ) 认为河流整治要注重工程治理与周围自然景观的和谐性【1 2 1 ；h o h m a n n ( 1 9 9 2 ) 从维护 河流生态系平衡的观点出发，认为河流生态治理要维持河流生态环境多样性、物 种多样性及其河流生态系统平衡0 2 1 ；美国生态学者w d l i a mj m i t s c h ( 1 9 8 9 ) 进一步 提出。生态工程”( e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) 的概念，强调生态修复要以“自我设计” 能力为基础，最终达到人为环境与自然环境问统一与协调1 9 1 。 工程实践方面，国外也有大量成功的范例。日本2 0 世纪8 0 年代提出了“亲 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 水性”的观点，并在河川生态护岸的改造过程中进行了大量的科研与实践活动， 提出了一系列的生态护岸的结构与材料，如萤火虫护岸、鱼巢护岸和生态水泥等 【1 习；美国新泽西州小迈阿密河采用可降解生物编织袋装土，形成台阶岸坡并种植 植被，取得了量好的防洪和生态效果，并获得了国际工业纤维协会1 9 9 8 年国际成 就奖1 1 4 】；德国在莱茵河的治理中，采用了活动性的护岸技术，平时采用自然河岸， 人们可以任意的在河岸上走动、嬉戏；而当洪水来临时，安装上防洪护岸，保护 人们的生命财产安全，充分体现了人与自然和谐共处的原则嘲；日本、加拿大、德 国采用的草芦苇护坡，通过在堤坡上钉一排木桩，桩间栓夹带草芦苇种子的棕榈 绳，草芦苇在棕榈绳中发芽，土堤上生根，逐步繁衍，对岸坡起到了较好的防护 作用【1 5 l 。 目前，国内外尚未见到有关生态护岸净化功能与机理的研究报道，但是，有 关河流交错带和河岸带的学术研究活动却异常活跃，对生态护岸净化功能的认识 更多地体现在这些研究中。2 0 0 3 年，( a d v a n c e si nw a t e rr e s o u r c e s 杂志用一整期 ( 第2 6 期) 刊登了河流交错带的最新研究进展，对交错带养分循环、示踪剂技术 和交换过程进行了全面报道嘲；在1 9 9 9 至2 0 0 1 三年间，先后在美国、德国、荷兰 等国家召开了四次河岸带国际会议，对河岸带水动力学过程、河岸过滤功能和污 染物净化功能进行了学术交流【1 6 ，1 7 1 。学者们经过交流，认为生态护岸位于河水与 潜层地下水相混合的河岸多孔介质区，生态护岸内溶解氧浓度、氧化还原菌浓度、 p h 值和温度梯度促进了生物地球化学反应的发生与进行，从而通过返回流最终改 善河水水质。 目前，国外对河岸带污染净化研究的成果主要体现在：( 1 ) 过程方面：河岸 带污染物迁移的水文过程和地球化学过程越来越受重视，二者的有机结合成为研 究热尉1 。1 9 1 ；( 2 ) 技术方面：同位素示踪、乙炔碳黑定位技术、扫描电镜、微界 面跟踪、三维技术等迅速发展 2 0 - 2 2 1 ；( 3 ) 功能方面：河岸带能够阻止农业非点源 和地下水污染物进入河水，研究表明，其氮去除效率可达到8 0 ，滞留量介于 2 0 9 3 6 2k s h a a 之间，硝氮去除效率介于5 3 0 之间【1s 2 3 , 2 4 1 ；c 4 ) 机理方面： 河岸带的反硝化过程被公认为是硝氮消减的首要作用，其次是植物吸收和稀释作 用，同时反硝化速率也受限于河岸土壤酸度、有机碳含量、温度、有机物矿化速 率、土壤大孔隙流、水力负荷和土壤水分特征等1 8 2 0 , 2 3 , 2 习；( 5 ) 模型方面：考虑 季节和空间变化的河岸带有机物降解和氮循环水文地球化学模型迅速发尉1 ”8 1 。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 我国河道的生态整治有着悠久的历史。据史料记载，早在公元前2 8 世纪，我 国在沟渠修整工程中就使用了柳枝、竹子等编织成的篮子装上石块来稳固河岸和 渠道。1 5 9 1 年明代就通过栽植柳树来加固与保护河岸，并在1 7 世纪应用于保护黄 河两岸闭。目前国内的生态护岸形式尚处于探索阶段，属于一种新型的河道护岸 方法，但随着经济的发展，城市对环境的要求不断提高，一些生态型的护岸技术 也逐步运用到江河治理的工程当中去。综观我国的生态护岸工程，现有技术基础 主要体现在工程实践探索方面例如，近年来，我国水利专家董哲仁先生等( 2 0 0 3 年) 已深刻认识到在水利工程设计和施工中对生态环境的影响，开始从理论上探索 。生态水工学( f _ c o h y d r o t e c h n i ce n g i n e e r i n g ) ”的理论框架，并在北京、上海、天津 等城市开始一些小规模实验研究，探索修复受损河岸生态系统的技术手段1 2 7 1 。此 外，上海浦东张家浜采用框架种植槽以及预制板护岸槽等技术网；天津潮白河、 永定河采用土工网的生态型护岸技术1 2 9 ；太原市治汾美化工程，治理汾河6 年， 种植乔灌木l 万余棵，草坪1 3 0 多万平方米，极大地改变了太原市的城市面貌【3 川； 安徽黄山市中心城区护岸工程采用石堤护脚、土堤挡水、构筑休闲平台，种植护 坡绿色草坪的形式p 1 1 ；广东中山市岐江公园的湖岸设计采用了一种亲水的栈桥式 生态护岸，实现了在水位变化较大的情况下，仍然具有亲近人、生态和美的效果圈； 广西桂林市漓江河道治理中采用网笼结构的护岸工程，不仅结构稳定，可以抵御 洪水的冲刷，还可以适应当地的地形地质条件，更能提供动植物生成的条件，维 护自然和生态环境，改善生态景观，达到了较好的效果【3 3 】。 综观国内外的研究成果，针对生态护岸的实践尝试相对多于理论方面的相关 研究。在实践中，对生态护岸滞洪补枯作用的重视也远胜于对其净化功能的关注。 生态护岸处于河流交错带和河岸带的边缘，其水文地球化学过程异常复杂，研究 其污染净化机制更加困难，无论国内还是国外，已建设的生态护岸工程数量上还 较少，客观上为科学研究设置了实践性障碍。 1 5 沸石的离子交换性质 本课题创新性的将沸石引入介质筛生态护岸的构建体系中，以去除水中某些 污染物质，因此，需要探讨一下沸石的相关性质沸石是一族含水的架状结构铝 硅酸盐，该类矿物的一般化学式可用m x n a l x s i y 0 2 ( x + y ) w h 2 0 表示。其中m 代 表n a 、c a 、k 、m g 、s r 、b a 等碱金属阳离子，有时会因发生阳离子交换现象而出 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 现稀土元素之类的高价离子。n 为化合价，y 、x 在1 - 5 间变化，w 数值可大可小， 视沸石矿物种类不同而有所差异，但同种类型的矿物也会因水化状态不同而不同。 沸石受热时，水分急速气化排出会引起沸腾、膨胀，沸石即由此得名嗍。 沸石的结构决定了沸石的性质，由于受本科题所研究内容的限定，在沸石的 众多性质中，仅在此处讨论它的离子交换性质。 沸石的三维网状结构非常疏松，具有许多孔道和( 或) 孔穴。水分子和金属阳离 子处于这些孔穴中，金属阳离子起到平衡沸石骨架负电荷的作用( 沸石骨架中由于 部分s r 被舢升取代而带负电荷) 。这些碱金属或碱土金属的阳离子在沸石结构中 具有一定的可移动性，并能被其它阳离子交换。1 9 世纪中期，t h o m p s o n ，w a y 和 e i c h h o m 3 5 1 首先报道了沸石的离子交换性质。当时，e i c h h o m 就进行了菱沸石，钠 沸石体系中n 矿与c a 2 + 交换的研究。然而直到5 0 年后沸石的这种用途才被工业化。 在本研究中，主要利用的是沸石的离子交换吸附特性。这一吸附过程包括物 理吸附过程和离子交换过程，其物理吸附主要是由沸石表面的分子间作用力、静 电力等产生，与一般多孔性材料的吸附过程相同；其离子交换过程是由沸石晶体 内部阳离子与溶液中交换的化学过程。由于阳离子在沸石内的流动性很大，所以 与沸石晶体骨架间并不形成结合紧密的化合物或络合物，因而这种离子交换过程 是一种特殊的化学吸附，其吸附作用力是离子交换作用力，强度远小于化学键。 因此，沸石的离子交换吸附和物理吸附的区别，主要在于离子交换吸附有高度的 选择性。 沸石是一种极性吸附剂。与活性炭不同，活性炭的吸附力完全是色散力。沸 石的强吸附力是静电力和色散力共同作用产生的，由于沸石孔穴中阳离子的存在 给出一个强的局部电场，正是由于这种静电力的关系，使得沸石对极性、不饱和 和易极化分子具有有限的选择吸附作用，含有极性基团如一o h 、 c = o 、一n h 2 或 c - - c c = o 、一n h 2 等强极性官能团而被沸石吸附在沸石的外表 面而去除。其它一些有机污染物如酚类、苯胺、苯醌等多有极性，分子直径适中， 可以被沸石吸附。 沸石对有机污染物的吸附能力，主要取决于有机物分子的极性大小，极性分 子较非极性分子易被吸附，随着分子直径的增大，被吸附进入孔穴的机会就逐渐 减小。在水中由于存在不同的物质，如有机物分子、金属离子和水分子。他们的 极性强弱和分子大小均不相同，在吸附时就会产生竞争的现象。 因此，沸石的离子交换吸附和物理吸附的区别，主要在于离子交换有高度的 选择性。 利用沸石去除氨氮，主要是利用沸石对阳离子的选择交换能力。沸石的阳离 子交换顺序主要取决于离子水合能的大小。根据国内外科学家的研究成果，由于 各种阳离子水合半径的差异，沸石对不同离子的选择吸附能力也不同： 对于斜发沸石，其选择交换顺序为阳： c s + r 蝴( + 外m 。+ p b + a g + b a 2 + n a + s r 2 + c a 2 + l i + c d 2 + c u 2 + z n 2 + 对于丝光沸石，其选择交换顺序为： c s + 、峻g + r b + k + 外j 王4 + p b + n a + b a 2 + s r 2 + l i + c a 毪屺d 毪l 厶z n 2 + 沸石吸附过程是物理吸附和离子交换过程的综合过程，主要受沸石的性质、 粒径、用量、固液接触时间、溶液n h 一+ 浓度，溶液中其它阳离子的竞争吸附等因 素的影响。此外溶液p h 、温度也对吸附产生影响。 如果沸石矿品位较低，矿石中含有不少其他硅酸盐矿物，就使天然沸石的离 子交换性能降低；沸石矿中阳离子种类对离子交换性能影响极大，一般来说，n a 2 0 含量高的沸石具有较高的离子交换容量；此外，在不同的沸石矿物中，硅铝比 ( s i 0 2 ，a 1 2 0 3 或s i a 1 ) 的大小也直接影响沸石的离子交换性能。 我国沸石矿多数品位较低，具有高硅铝富钾钙的特点( 国外多为富钠钾偏碱 性) ，因而多数沸石矿床阳离子交换容量不高，但是浙江缙云斜发沸石n a c a 含量 较高，属于我国少见的钠钙型或钠型斜发沸石，实际离子交换容量在8 0 1 4 2 删羽，1 0 0 9 之间鲫。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 6 沸石非骨架元素的改性 对沸石的非骨架元素的改性方法主要是离子交换法。离子交换法又分为水溶 液交换法、固态离子交换反应法、熔盐交换法、排水溶液交换法等，以交换沸石 分子筛中的阳离子。 沸石具有的阳离子交换能力是其重要性能之一，利用它可调节晶体内的电场， 表面酸碱性，孔道大小，从而可改变沸石的性质，调节沸石的吸附、分离和催化 特性。 1 6 1 水溶液中交换 这是一种常用的离子交换方法，这种交换方法通常要求欲交换上去的金属离 子在水溶液中以阳离子状态存在，水溶液的p h 值范围应不破坏沸石的晶体结构。 沸石与某种金属盐的水溶液相接触时，溶液中的金属阳离子可以进入沸石中，而 沸石中的阳离子可被交换下来进入溶液中，这种离子交换过程可用下面通式表示： a + z 一+ l + ；b + z 斗_ a + 在离子交换过程中，有时要求达到较高的交换度，可利用间歇式的多次交换 方法或连续交换法，多次交换法是沸石经过一次交换后进行过滤、洗涤，然后再 进行第二次交换以至多次重复交换。连续交换法是将沸石装在填充柱内，使金属 盐溶液连续通过进行交换，直至交换度达到所需的要求，实践中发现，离子交换 和高温焙烧交替进行可以提高交换度和交换效率。此外可将多种阳离子同时交换 或逐次交换到沸石中，得到含有多种阳离子的沸石离子交换过程中，所用的阳 离子是否可将沸石中的阳离子交换下来，主要取决于交换用阳离子的性质和沸石 的类型，除这两个内因外，还有交换温度、交换的浓度、用量、p h 值等因素都影 响交换过程的进行。 1 6 2 固态离子交换反应 常规溶液离子交换法可有效地将金属离子引入沸石中。然而，常规溶液交换 法不仅交换时间长，交换后需处理大量盐类溶液，而且有很多不溶于水或在水溶 液中不稳定的离子不能通过常规溶液交换法引入沸石中。固态离子交换法，为沸 石的改性开辟了一条新途径。 将沸石颗粒与金属氯化物或金属氧化物进行机械混合，再进行高温焙烧或水 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 蒸汽处理等不同手段，以得到该催化剂对特定反应的最佳催化活性。如碱土金属 氯化物与丝光沸石进行固态离子交换时，用水蒸气处理后，其对乙苯歧化反应催 化活性大大增加同时盐类的阴离子也影响固态反应的交换度。金属氯化物由于 在反应过程中生成易挥发的h c i 促进了交换反应的进行。 固态离子交换法无疑是将金属离子引入沸石分子孔道一种十分简单而有效的 方法，它克服了溶液离子交换法的诸多不利因素，具有潜在的应用价值。 对沸石改性除采用以上两种常用的离子交换法外，还有熔盐交换法、非水溶 液中交换、蒸气交换法等方法，在此不再详述。 1 7 主要研究内容及创新点 1 7 1 课题的研究内容 本课题题目为“桃花江介质筛生态护岸的构建及其净化功能的研究”，课题的 研究内容是国家8 6 3 课题“桂林市水环境质量改善与综合示范项目”下设的一级 子课题“景观功能与水质净化功能相结合的水环境修复技术”的二级课题之一， 其主要研究内容包括以下两个方面： 1 在广泛收集资料的基础上，对广西壮族自治区桂林市内桃花江流域的基本 现状进行调查。重点调查该流域的水生态环境及其污染现状，分析存在的生态环 境问题及其成因。在此基础上，借鉴国内外水环境修复的经验，结合桃花江流域 的实际情况，提出针对这些问题的解决对策。 2 结合对桃花江进行调查所得的情况，提出一种新型的生态护岸形式沸 石强化介质筛生态护岸，针对该类护岸对有机物和氨氮的净化功能，设计具有中 试规模的实验方案，并在桃花江实地进行建设，并以此为基础，研究介质筛护岸 内潜水的迁移规律及其对有机物和氨氮的净化去除规律。 1 7 2 课题创新点 国内外的水环境治理工程引入了很多种生态护岸形式，本课题在总结前人经 验的基础上，提出了一种新型的生态护岸介质筛生态护岸，并首先从理论层 面阐述了该类护岸的基本思想和构成。另外，介质筛生态护岸对污染物净化涉及 复杂的水文地球化学过程，以氮为例，有机氮经矿化作用可以分解为氨氮，氨氮 在好氧微生物作用下能够硝化为亚硝氮，并进一步转化为硝氮，氨氮也可参与其 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 它物理化学过程，如土壤吸附和植物吸收等，硝态氮在微生物作用下发生厌氧反 硝化反应，转化为气态氮，而护岸内累积的硝氮离子也可能渗滤进地下水。课题 对介质筛生态护岸的水质净化功能进行研究，重点研究生态护岸对有机污染物和 氨氮的吸附和生物降解作用。沸石对于有机物和阳离子具有较强的吸附作用，拟 将沸石引入介质筛护岸的构成中。因此，本课题所研究护岸与其他生态护岸所不 同之处在于，将沸石引入生态护岸的构成体系中，并通过实验验证该类具有强化 功能的介质筛生态护岸吸附净化有机物和氨氮的作用。 1 8 课题研究的技术路线 本课题研究技术路线如下图所示： 【巫茎巫圃 图1 课题技术路线 f i g l - it e c h n i c a ll i n eo f s u b j e c t 通过对桃花江流域的自然经济情况和水环境污染现状的调查，分析存在的问 题，提出解决的对策，并在此基础上，按照介质筛生态护岸的基本指导思想，与 桃花江流域的实际情况相结合，在桃花江实地进行介质筛生态护岸实验段的现场 建设。实验场地建成后，对介质筛生态护岸内的潜水流动规律及其对有机物和氨 氮的净化功能进行实验研究。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章桃花江污染现状调查、分析及对策 2 1 进行调查的目的 桃花江流域范围较小，但地质地貌与生态环境复杂。自北向南呈低山一丘陵 一平原地貌特点，对应生态系统分别为森林生态系统，农田生态系统，石山生态 系统、城市生态系统，生态结构的差异性显著，由一系列地域性脆弱生态系统组 成。明清时期，江上画舫彩舟来往穿梭，集一时之盛。伴随社会经济的迅速发展， 各个系统发展极不平衡，从而导致流域内人口与资源、生态与环境的问题日益突 出，并严重制约了流域社会经济与旅游业的可持续发展。充分了解桃花江流域的 基本情况以及其污染现状，可以为生态护岸的设计和建设提供有力的背景支持， 从而使得介质筛生态护岸与桃花江流域的实际情况更加有机的结合起来。 2 2 自然和经济情况 桃花江又名阳江，位于桂林西北部。是漓江的主要支流之一。干流长6 5 公里， 发源于i 临桂县五通镇与灵川县青狮潭乡交界的中央岭南东侧，主流最终在象山北 麓汇入漓江，次流经宁远河在雉山萝卜洲注入漓江。桃花江流域覆盖临桂、灵川 两县的五个乡镇和桂林市的秀峰和象山两个区。流域面积2 9 8 平方公里，流域人 口2 4 万。桃花江流域及其城区段详见图2 1 和图2 - 2 。 注t 自色虚线放大后为图2 - 2 图2 - i 桃花江流域总图 f i 9 2 - 1g e n e r a l v i e w o f t a o h u a r i v e r b e s m 对pq墨jn啦ul一召o ilij。a盈詈qo苗工蓁】i星一qn铷 整凶梧黯攥嚣n圃 cn匝状璺fk疆求雅祭摧0 id匾武嗣牵帐基匝幡e-翅 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 1 自然环境 桃花江流域以低山丘陵为主，兼有岩溶地貌，地质地貌较为复杂。流域 内断层构造发育，受断裂构造影响，市区河段范围内岩溶发育，分布具有一 定方向性。桃花江流域土壤分别由砂页岩和石灰岩发育成的红壤、石灰性土 和河流冲击土构成。 桃花江流域属中亚热带季风气候区，具水热丰富、雨热同季、四季分明 的特点，多年平均气温1 9 1 度，气候温和。流域雨量充沛，年降雨量1 9 3 9 m m ， 多集中在5 6 月，约占全年降雨量的5 0 ，多年平均蒸发量1 4 0 0 r a m 。春季 多阴雨，夏季多湿热、秋季多干旱，冬季多寒冷。 桃花江干流长6 5 k m ，集水面积2 5 7 k m 2 ，流经桂林市区长度1 9 1 k m ，其 中主城区段7 8 6 4 k m 。多年平均流量1 1 6 m 3 s ，实测最大流量8 4 0 m 3 s ，实测 最小流量0 6 3 7 m a s 。自五仙坝至雉山桥断面河床坡降0 4 4 0 0 0 ，丰水期一般河 宽5 0 6 0 m ，枯水期河宽4 0 5 0 m 。 河道弯曲度大，沿河桥坝多，五仙坝以下共有公路桥1 0 座，沿河水流被 堰坝所分割，使枯水期水面呈阶梯状，严重阻塞河道，影响河道的行洪能力， 汛期影响排洪。春天湖出口至象山1 8 k m 河段为桃花江出口河段，除右岸尚 有5 0 0 m 为自然河岸外，其余都做了硬质护岸处理。自上而下有莲花坝、西 门桥、南门桥、文昌桥及象山坝，河床宽度变化较大，河槽最大宽度8 2 m ， 最小宽度3 0 m ，平均宽度为5 0 m 。枯水期河床水面宽仅十多米，水深不足0 4 m ， 河床大部分裸露，既影响景观又无法通航。 五仙坝至飞鸾桥河道长约1 0 公里，直线距离仅2 1 公里。沿河桥坝很多， 五仙坝以下不足2 0 公里的河道上有河坝2 8 处。从狮子岩至象山约4 公里的 河段，共有桥5 座，坝6 处，这些桥坝严重阻塞河道，降低河槽行洪能力。 尤其西门桥现只有一孔过水，五松潭处严重阻水，现河两岸高程均未达2 0 年 一遇洪水水位，部分甚至未达l o 年一遇洪水水位。 桃花江流域内原生植被已被破坏，多为人工次生林，只在人烟稀少，山 高坡陡的中山地带保留着针阔复层混交林。乔木以马尾松占优势，灌木以淘 金娘为主，草本植物以铁芒沓箕为主。人工种植主要有杉木、湿地松、果树 和竹子，水土保持能力低，生态结构较为脆弱。桂林市区河段多为次生植被 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 和人工植被，形成了“夏绿冬季半绿半枯”的植物景观。 桃花江市区河段人文景观资源丰富，主要有西庆林寺遗址、隐山石刻、 法藏禅寺、李宗仁官邸，苏军烈士墓、博物馆、中日友好熊本馆、刘三姐景 观园、甲山珍珠馆、桂