（环境工程专业论文）水生植物滤床技术改善富营养化水体水质的研究.pdf

摘要 水生植物滤床技术改善富营养化水体水质的研究 宋海亮指导教师：吕锡武 东南大学土木工程学院环境科学与工程系 摘要 水生植物滤床是将植物净化和物理过滤方式相结合的一种新型无基质型人工湿地 系统，主要用于净化富营养化地表水。本文在太湖湖滨开展了水生植物滤床净化受污染 河水的中试研究，取得了以下主要结果： 对水生植物的品种进行了筛选，确定空心菜和水芹菜分别为夏秋季节和冬春季节最 适合于水生植物滤床栽培的可食用水生蔬菜品种。 全面考察了水生植物滤床去除氮、磷的工艺特点。最佳水力负荷为4 om 3 ( m 2 d ) 、 水深为1 0 c m ，此运行条件下水生植物滤床对总氮、总磷的全年平均去除率为1 7 3 和 2 4 1 ，全年平均去除负荷为1 5 3 9g ( m 2 d ) 和0 2 3 2g ( m 2 d ) 。系统对总氮、总磷的去除 效果优于对溶解态氮、磷的去除效果。蔬菜收割频率对氮磷去除有一定影响，空心菜以 每月收割一次为宜。水力负荷在3 o 4 o 矗( m d ) 之间运行时可确保水生植物滤床取得 经济效益。 通过对水生植物滤床中的底泥硝化潜力、反硝化潜力进行动力学分析，发现滤床中 游硝化潜力大、上游反硝化潜力大，这样的分布对除氮不利。通过荧光原位杂交( f i s 团 技术测定底泥中的硝酸菌、亚硝酸菌数量及空间分布，发现硝化潜力的分布与底泥中亚 硝酸菌密度的分布规律一致。植物氮吸收速率及微生物脱氮速率之和与底泥氮释放速率 基本相等，是造成滤床对溶解性氮去除能力不高的根本原因。通过氮、磷收支平衡分析， 计算得出植物吸收、微生物反硝化脱氮以及截留沉积三种作用对氮去除的贡献在同一水 平，而截留沉积是磷去除的最主要途径。 首次采用水生植物滤床作为水源水预处理工艺，最佳水力负荷为2 5 3 om 3 ( m 2 d ) 、 水深为1 0 2 0 c m 。夏季对高锰酸盐指数( c o d m 。) 和藻的去除率分别达2 0 和9 0 ，冬 季对c o d m n 和叶绿素口( c h l 口) 的去除率分别为1 1 和8 5 。氨氮和浊度的全年去除率均 分别达3 0 和9 0 。为城镇小型给水厂富营养化水源水预处理提供了一条可选途径。 对水生植物滤床去除藻毒素( m c ) 的特性进行了系统研究。水力负荷为4 om 3 ( m 2 d ) 时藻毒素去除效果较好，总藻毒素、m c r r 、m c l r 的平均去除率分别为5 9 4 、5 5 2 和6 6 0 。m c i 讯在滤床中的衰减速度快于m c l r 。总藻毒素的去除与藻细胞总数、 c h l 肌c o d m 。、t p 的处理效果呈线性正相关。静态试验表明，植物的存在有利于m c i 承 的去除，而光照有利于m c l r 的降解。 对水生植物滤床的产品水生蔬菜的食用安全性进行了研究，水生蔬菜体内重金 属c d 、c r 、c u 、h 2 、a s 以及农药六六六、d d t 残留量均符合国家食品卫生标准，但 发现p b 含量有时超标。结合现场试验和室内静态试验，提出植物套种和定期收割两种 方式均可提高水生蔬菜的食用安全性，并在中试基地中成功应用植物套种与定期收割相 结合的方式解决了水生蔬菜中p b 含量超标的问题。 关键词：富营养化；水生植物滤床；水生蔬菜；藻毒素；水质改善 东煎大学博：t 学位论文 s t u d yo na q u a t i c p l a n tf ：d t e rb e ds y s t e mf o re u t r o p h i c a t e d w a t e r q u a l i ql m p r o v e m e n t s o n gh a i 一1 i a n g s u p e r v i s o l ：l ux i w u d 印a 九m e n to f e n v l r o n m e n t a ls c i e n c e e n g l n e e r l n g c o l l e g eo f c l v l ie n g l n e e n n g s o u t h e a s tu n l v e r s l q ，n a r l l n gc h i n a a b s t r a c t a q u a t i cp l a n tn l t e rb e d ( a p f b ) i san e wt y p eo ft e c l l n j q u ec o m b i n i n gp l a n tp u r i 打c a t i o na n dp h y s i c a l 6 l t r a t i o nf o rc o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t h o u t a n ys u b s t r a t et h a ta p p l i e dm a i n 】yt op u r i n c a t i o no f h y p e 卜e u t r o p h i cs u r f a c ew a t e r ap i l o ts c a l ea p f be s t a b l i s h e da tt h e 】a k e f r o n to ft a j h ul a k ew a st e s t e dt o t r e a tp 0 1 l u t e dr i v e rw a t e r t h ef 0 1 1 0 w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ： z p d 7 ”d p 臼臼g “口f 七口a n do 已”口”砌e ，口v a 耙口a r ei d e n t i 6 e da st h em o s ts u i t a b l ee d i b l ea q u a t i cv e g e t a b l e s p e c i e st r a n s p l a n t e di na p f bd u r i n gs u m m e r a u t u m na n dw i n t e r s p r i n gs e p a r a t e l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa p f bf o rn i 廿o g e na n dp h o s p h o m sw e r ef u l l ym a l l i f e s t e d u n d e rt h eo p t i m a l o p e r a t i o nc o n d i t i o n sw i t hh y d r a u l i c1 0 a d i n gr a t e ( h l r ) o f4 0m 5 ( m 2 d ) a n dw a t e rs u r f a c el e v e lo f1o c m ， t h er e m o v a l1 0 a d i n gr a t e so f t o t a ln i t r o g e n ( 1 n ) 、t o t a lp h o s p h o m s ( t p ) a r e1 5 3 9g ( m 2 。d ) a 1 1 d0 2 3 2 ( m 2 d ) r e s p e c t i v e l yf o ra l l y e a ra v e r a g e ，t h er e m o v a le 伍c i e n c ya r ea c c o r d i n 9 1 y17 3 a 1 1 d2 4 1 t h er e m o v a l e 伍c i e n c i e sf o r1 na 1 1 dt pa r eb e t t e rt h a nd i s s o l v e dn i 仃o g e na 1 1 dd i s s o l v e dp h o s p h o m s t h er e i n 0 v a l l o a d i n gr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o l l l sa r ea l s oi n n u e n c e db yt h ef e q u e n c yo fh i r v e s t i n g ，a n dt h ep r o p e r f r e q u e n c yo fh a r v e s t i n gf o r 珍d m d p 口口9 “口，记口i so n c eam o n t h t h ea p f bc a no u t p u te c o n o m i cp r o f i t a 砸m a t i v e l yw h e no p e r a t i o nu n d e rt h eh l rb e t w e e n3 0t o4 0m 3 ( m 2 d ) b yt h ed y n a m i c se v a l u a t i o no f n i t r i 打c a t i o na n dd e n i t t j f i c a t i o np o t e n t i a lf o rs e d i m e n ta c c u m u l a t i n gi nt h e b o t t o mo fa p f b ，i ti sf o u n dt h a tt h em a x i m u mn i t r m c a t i o na 1 1 dd e n i t r i n c a t i o np o t e n t i a la p p e a r si nt h e m i d d l ep a na n d行o n t p a no fa p f bs e p a r a t e ly t h i sd i s t r i b u t i o nc a u s e su n f a v o r a b l ee n e c to n m i c r o o r g a n i s md e n i t r i 6 c a t i o np m c e s s i ti sf o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no fn i t r i f i c a t i o np o t e n t i a la c c o r d sw i t h t h e 锄m o n i u m 。o x i d i z i n gb a c t e r i ad e n s i t yu s i n gf l u o r e s c e n c ef ，? s i ，甜h y b r i d i z a t i o n ( f i s h ) t od e t e c t i n g a m m o n i u m o x i d i z i n gb a c t e n aa n dn i 仃i t e o x i d i z i n gb a c t e r i ad e n s i t yi ns e d i m e n tt h e s u mo fn i t r o g e n r e m o v a l l o a d i n gr a t eb yd e n i t r i f i c a t i o na n dp l a n tu p t a k ei se q u a l t ot h ea m o u n tr e l e a s e db ys e d i m e n t ，w h i c h i st h er e a s o no f 1 0 wr e m o v a le 师c i e n c yf o rd i s s o l v e dn i t r o g e n a n a l y s i so ft h em a s sb a l a n c e so fn i t r o g e n a n dp h o s p h o m si nt h ep l a n t e dc h a n n e ls h o w st h a tu p t a k eb yp l a n t ，d e n i t r i 行c a t i o na n db l o c kp r e c i p i t a t i o n c o n t r j b u t en e a r l ye q u a lt oe a c ho t h e rf o rr e m o v a lo f 丁n h o w e v e r ，t h eb l o c kp r e c i p i t a t i o ni st h ef o r e m o s t r e m o v a lm e c h a n i s mo f tp a p f bw a su s e dt op r e t r e a te u t r o p h i c a t e ds o u r c ew a t e rf o rt h en r s tt i m e t h eo p t i m a lh l ri s2 5 3 0 m 3 ( m 2 d ) a n dt h eo p t i m a lw a t e rs u r f a c el e v e 】i s10 2 0 c mw h e na p f bu s e da ss o u r c ew a t e rp r e t r e a t m e n t p r o c e s s t h ec o d m na n da l g a ed e n s i t yr e m o v a le 娟c i e n c i e sc a nr e a c h2 0 a n d9 0 r e s p e c t i v e l yi n s u l l l m e r w h i l el 】a n d8 5 ( c a 】c u l a t e da sc h l o r o p h y l l 臼) i nw i n t e r t h en h 4 + 一na n dt u r b i d i t yr e m o v a l r a t ec a nc o n s i s t e n t l yr e a c h3 0 a n d9 0 s e p a r a t e l ya l ly e a ra r o u n d 1 tc a nb ec o n c l u d e dt h a ta p f bi sa o p t i o n a lp r e t r e a t m e n tp r o c e s sf o rs u b u r bs m a l lw a t e r w o r k s t h ec h a r a c t er i s t i co fa p f bf i o r1 1 1 i c r o c y s t i n ( m c ) r e l l l o v a lw a si n v e s t i g a l e d t h ea v e r a g er e m o v a j e 确c i e n c i e so ft o t a lm j c r o c y s t i n ( t m c ) ：m c r ra n dm c l rs e p a r a t e l yr e a c h5 9 4 ，5 5 2 a n d6 6 0 u n d e rt h ep r o p e rh l ro f4 0m 。( m 2 d ) t h ea t t e n u a t i o no fm c r rc o n c e n 仃a l i o ni na p f bi s r a p i dt h a n l h a to fm c l r t h er e m o v a le 筒c i e n c yo ft m ci sp o s i t i v el i n e a rc o r r e l a t i o nw i t hl h er e l l l o v a le 衔c i e n c i e s o ft o t a la l g a ec e l l s ，c h l o r o p h y 】1 口( c h l 臼) ，p e n l l a n g a n a t ei n d e x ( c o d m n ) a n dt ps t a t i ce x p e r j m e n t ss h o w s t h a tt h ep r e s e n io fp l a n ti sb e n e n ti om c r rr e l l l o v a lw h i l es u n l i g h ta v a i l so fm c l rr e m o v a l 1 1 a b s t r a c t f o o dh y g i e n es e c u r i t yo ft h ea q u a i i cv e g e t a b l e sc u l t j v a t e di na p f bw a si n v e s l i g a t e d t h ec o n t e n to f s o n l eh e a v ym e t a l si n c l u d i n gc d 、c r 、c l l 、h 昏a sa n dp e s t i c i d ei n c l u d i n gb h ca n dd d ti nv e g e t a b l e s e s c u l e n tp a 九w e r ea l lk e p ti on a t i o n a lf o o d1 1 y g i e n i cs t a n d a r d b u tt h ec o n t e n to fp bi ss o m e t i m e so v e rt h e l i m i tv a l u eo fn a t i o n a lf o o d1 1 y g i e n i cs t a n d a r d b yn e l de x p e r i m e n t sa n di n d o o rs t a t i ct e s t s ：t h em o d eo f p 】a n ta r r a n g e m e n ta 1 1 dp e r i o d i c a 1 a r v e s t r yt oe n s u r ef o o d1 1 y g i e n es e c u r i t yf o ra q u a “cv e g e t a b l e sw e r em l t f o n a r d ，f u n h e rm o r ev a l i d a t e di np i l o is c a l ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ； a q u a t i cpj a n tn l t e rb e d ；a q u a t i cv e g e t a b 】e ；m i c r o c y s t i n ； w a t e rq u a li t yi m p r o v e m e n t 缩略词列表 缩略词 a p f b h r t h l r p n d t n d i n d o n d t p p p p o c c o c m c e m c i m c t m c + s s f w h p l c p p i a f p p i a f i s h 符号列表 符号 n o ，一n n a p a n w p w n p p p d e p c p f a p b s e d t a t f a s p e m c s t m c m c s 符号、缩略词等本论文专用术语的注释表 英文全称 ( a q u a t i cp l a n tn l t e rb e d ) ( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) ( h y d r a u l j cl o a d j n gr a t e ) ( p a 九i c l e _ b o u n dn i t r o g e n ) ( d i s s o l v e dt o t a ln i t r o g e n ) ( d i s s o 】v e di n o 唱a n i cn i t r o g e n ) ( d i s s 0 1 v e do 唱a n i cn i t r o g e n ) ( d i s s o l v e dt o t a lp h o s p h o m s ) ( p a r t i c u l a t ep h o s p h o m s ) ( p a n i c u l a t eo 唱a n i cc a r b o n ) ( c o l l o i do 唱a n i cc a r b o n ) ( m i c r o c y s t i n s ) ( e x t r a c e l l u l a rm i c r o c y s t i n s ) ( i n t r a c e l l u l a rm i c r o c y s t i n s ) ( t o t a jm i c r o c y s t i n s ) ( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) ( h i 曲p e r i o m a l l c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ) ( p r o t e i np h o s p h a t a s ei n h i b i t i o na s s a y s ) ( f l u o r o m e t r i cp r o t e i np h o s p h a t a s ei n h i b j t i o na s s a y s ) ( f l u o r e s c e n c e 加s f mh y b n d i z a t i o n ) 中文名称 水生植物滤床 水力停留时间 水力负荷 颗粒结合态氮，颗粒态氮 溶解态总氮 溶解态无机氮 溶解态有机氮 溶解态总磷 颗粒态磷 颗粒态有机碳 胶体态有机碳 微囊藻毒素 胞外微囊藻毒素 胞内微囊藻毒素 总微囊藻毒素，胞外与胞 内微囊藻毒素之和 潜流芦苇湿地 高效液相色谱 蛋白磷酸酶抑制法 荧光一蛋白磷酸酶抑制法 荧光原位杂交法 中文含义 硝酸盐氮与亚硝酸盐氮之和 植物吸收的氮 植物吸收的磷 水生植物滤床系统去除的氮的总量 水生植物滤床系统去除的磷的总量 通过沉降截留去除的氮 通过沉降截留去除的磷 焦碳酸二乙酯 多聚甲醛 磷酸缓冲液 乙二胺四乙酸 三氟乙酸 固相萃取柱 m c r r 与m c l r 之和 胞内m c r r 、m c l r 与胞外m c r r 、m c l r 之和 1 v 术语注释表 k b k x j b g s l f y g b 无植物的空白组 空心菜组 茭白组 菰组 睡莲组 凤眼莲组 菰黑箱组 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 切 万 研究生签名：幺丝塑导师签名：日期：川r 、厂，移 ， 第一章绪论 1 1 课题的提出与意义 第一章绪论 1 1 1 我国湖泊富营养化现状 近2 0 年来，我国湖泊富营养化发展速度相当快。多年以来的调查结果表明，富营 养化湖泊个数占调查湖泊的比例由2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代后期4 1 发展到8 0 年代 后期6 1 ，至2 0 世纪9 0 年代后期又上升到7 7 ，我国湖泊富营养化问题十分严峻l l 】。 “2 0 0 3 年中国环境质量状况公报”1 2 j 指出：七大水系4 0 9 个监测断面中，i i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：3 7 7 、3 2 o 和3 0 3 ，总体水质与去年基 本持平。各水系干流水质好于支流，干流1 1 8 个断面中，i i i i 类水质占5 2 5 、 v 类占3 8 1 、劣v 类占9 3 。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数 和石油类。在七大水系的1 2 2 个省界断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面 比例分别为：3 4 4 、2 9 5 和3 6 1 。淮河和海河水系的省界断面水质较差。 “三湖”水质均为劣v 类，污染较重。主要污染指标为总氮和总磷。按富营养化评 价分析，太湖为轻度富营养，巢湖为中度富营养，滇池为重度富营养，与上年持平。 2 8 个重点湖库中，1 i 类、i i i 类、类、v 类和劣v 类水质的湖库分别占3 6 、2 1 4 、 2 5 0 、1 4 3 和3 5 7 。三峡库区6 个断面中，1 个断面为i i i 类，其余5 个断面均为 类水质。南水北调东线沿线1 2 个断面中，i i 类水质断面占8 3 ，类水质断面占2 5 o ， v 类水质断面占1 6 7 ，劣v 类水质断面占5 0 0 。 环保重点城市集中式饮用水源地水质对4 7 个环保重点城市集中式饮用水源地水质 监测结果表明，2 1 个城市的所有饮用水源地水质均达标，其余2 6 个城市有不同程度的 超标。地表水主要超标项目为总氮、粪大肠菌群、五日生化需氧量。 中国环境监测总站2 0 0 5 年5 月8 日发布的2 0 0 5 年4 月全国地表水水质监测报告【3 j 表明，七大水系及太湖、滇池和巢湖总体水质保持稳定，i i i i 类水体占4 5 1 ， v 类水体占2 2 9 ，劣v 类水体占3 2 o ；长江、珠江水系水质良好；黄河水系属中度 污染，与上月相比水质有所改善；海河、淮河、辽河与上月相同，均为重度污染；太湖、 滇池和巢湖均为劣v 类水质，主要污染指标是总氮和总磷。 近几年的环境状况公报数据表明，当前我国主要湖泊水质未有明显改善，主要湖泊 氮、磷浓度居高不下，富营养化问题仍然突出。 1 1 2 水体富营养化及其危害 1 1 2 1 水体富营养化的形成 水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性水体，以及一些水流 滞缓的河流水体内氮、磷营养元素的富集，水体初级生产力提高，某些特征性藻类( 主 要为蓝藻、绿藻) 异常增殖，使水质恶化的过程1 4 j 。水质呈富营养化状态时，水面藻类 增殖，成片成团地覆盖水体表面发生在湖面上称为“水华”或“湖靛”，而发生在 海湾或者河口区域则称做“赤潮”。富营养化形成过程有两种类型：天然富营养化和人 东南大学博士学位论文 为富营养化。湖泊一方面从天然降水中接纳氮、磷等营养物质，一方面土壤的自然淋溶、 渗透，也使大量的营养元素进入湖内，逐渐增加湖泊水体的肥力，大量的浮游植物和其 他水生植物的生长就有了可能，这就为草食性的甲壳纲动物、昆虫和鱼类提供了丰富的 食料。当这些植物和动物死亡后，它们的机体沉积在湖底，积累形成底泥沉积物。残存 的植物和动物机体不断分解，由此释放出的营养物质依照食物链的途径进入其它生物机 体内。湖泊营养物质这种天然富集，湖水营养物质浓度逐渐增高而发生水质变化的过程， 就是通常所称的天然富营养化，但此过程极其缓慢，往往需要以地质年代来描述。随着 人类对环境资源开发利用活动日益增加，使得湖泊水体在一定的时间内，由原来营养物 质浓度较低的贫营养状态，逐渐演变成为具有高浓度营养物质的富营养水体。这种由于 人为活动因素而使水质富营养化的过程叫做人为富营养化。这是当今许多国家的政府和 公众最为关注的环境问题之一。人为富营养化演变的速度非常快，往往只需要几十年时 间即可使水体由贫营养状态变为富营养状态。北美伊利湖( l a k ee r i e ) 从1 9 5 0 年至1 9 7 5 年短短2 5 年间的人为富营养化过程，相当于过去一万五千年的天然演变过程1 5 j 。人为富 营养化并非不可逆过程，控制人类活动所产生的营养物质的排放，采取有效措施对已输 入湖泊水体的营养物质进行治理，经过一定时间，这样的水体通常就可以逆转，恢复到 原来的状态。 1 1 2 2 水体富营养化的危害 1 ) 对水生生态的影响 在富营养状态的水体中，生长着大量藻类，其中一些藻类能够散发出腥味异臭。现 在已经知道，蓝藻门的束丝藻属( 彳p 厅口胛扬d 垅p 刀d ) 和鱼腥藻属( 么聆口6 a p 聆以) 都散发出 类似猪圈中的臭味；腔球藻属( c 6 p ，d 印办a e ，i “m ) 则散发出青草腐烂时的臭味；绿藻门 的空球藻属( 而如r f ，? 口) 散发出的气味则象鱼腐烂时的腥臭。此外，硅藻门中的针杆藻 属( 跏p 咖口) 也能发出腐质恶臭。在春末、夏季和秋天温度较高的时期，水藻大量增殖， 成团的藻类死亡分解腐烂时，经过放线菌等微生物的分解作用，使这些水藻散发出更加 浓烈的使人恶心的腥臭。藻类散发出的这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响、 烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉【6 j 。 在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。一旦水体受到污染而 呈现富营养状态时，水体正常的生态平衡就会被扰乱。首先，藻类的过量繁殖导致水体 透明度显著降低。阳光难以透入湖泊深层，沉水植物逐渐消失，深层溶解氧的来源也随 之减少。藻类死亡后沉积在湖底，不断腐烂分解，也消耗深层水体的溶解氧，严重时可 能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态， 又触发或加速了底泥积累的营养物质释放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养化 水体的恶性循环。 2 ) 对水厂运行的影响 湖泊、水库水常常是生活饮用水和工业用水的供给水源，与人民生活息息相关，如 日本的琵琶湖、美国的m a t h e u s 湖、加拿大的m a r l t o b a 湖以及我国的太湖、巢湖、滇池 等富营养化湖泊。然而，富营养水体在作为供给水源时，会给制水厂带来一系列问题。 首先，由于水中微小藻类的密度小，故不易在混凝沉淀中去除。大量未除去的藻类 进入滤池，会造成滤池堵塞，使其运行周期缩短，反冲洗水量增加。同时，由于水中大 量藻类、有机物和氨氮的存在，使得混凝剂和消毒剂用量大大增加，更增加了水中消毒 第一章绪论 副产物的含量，降低了饮水安全性1 7 j 。其次，穿透滤池进入管网的藻类和水中残留的生 物可同化有机碳( a o c ) 可成为微生物繁殖的基质，促进细菌生长、甚至可能在管网中 生长较大的有机体如线虫和海绵动物等，这些浮游生物很难消除，严重时可堵塞水表、 水龙头。细菌的再繁殖还会造成管网水质恶化( 如水的浊度、色度上升、细菌总数增加 等) ，并加速了配水系统的腐蚀和结垢，使管网服务年限缩短。 3 ) 对人体健康的危害 富营养化对人体健康的危害在于形成“水华”的蓝藻( c y a n o b a c t e r i a ) 具有毒性。 研究表明世界各地2 5 7 0 的蓝藻水华可产生毒素1 8 j 。有毒性的藻类主要有七个属：鱼 腥藻属、束丝藻属、腔球藻属、胶刺藻属( g ，o p o ，r i 幽砌) 、微囊藻属( 蚴c 加c w ，括) 、节 球藻属( d 幽，口厂砌) 及念珠藻属( d s ，d c ) 。其中主要产生毒性的蓝藻是鱼腥藻、束丝 藻和微囊藻属中的某些品系桫j 。微囊藻水华是淡水水体中危害最严重的一类，由于这类 水华发生普遍，持续时问长，而且多数产毒，危害性大，因而倍受人们关注【l0 1 。微囊藻 毒素( m i c r o c y s t i n s ) 由于其毒性较大，分布广泛，是目前研究较多的一族有毒化合物】。 1 9 7 8 年f r a n c i s 首次发现泡沫节球藻( d 如肠厂砌印甜m f i 驴胛以) 水体能够引起家畜和禽类 中毒死亡，以后有关藻类水体引起的野生动物、鱼类、家畜、家禽及宠物中毒、死亡的 事件在美国、加拿大、日本、澳大利亚、芬兰、新西兰、印度和南非等1 0 余个国家都 有报道【l2 | 。动物饮用了含藻毒素的水后，会出现腹泻、乏力、厌食、呕吐、嗜睡、口眼 分泌物增多等症状，甚至死亡。病理病变有肝脏肿大、充血或坏死、肠炎出血、肺水肿 等【l3 i 。人类饮用或直接接触藻类污染的水体会引起皮肤反应、结膜炎、鼻炎、呕吐、腹 泻和肠胃炎等病症。1 9 7 5 年美国宾夕法尼亚的s e w i c k l e y 暴发了一起约8 0 0 0 人( 占当 地人口的6 2 ) 的急性肠胃炎，调查后认为饮用水源中的蓝藻很可能是致病原因【1 4 】。 1 9 8 3 年澳大利亚m a l p a s 水库受蓝藻污染，以该水库作为饮用水源的居民出现了血清谷 氨酰胺转移酶、丙氨酸转移酶及碱性磷酸酶明显升甜1 5 j 。因此，蓝藻水华对人类健康造 成严重威胁。 1 1 3 课题的提出 太湖流域位于长江三角洲南缘，流域独特的地理位置和丰富的自然生态资源，为本 地区经济发展提供了优越的条件，2 3 3 8k m 2 的太湖是流域的主要水体，具有向城市和工 农业供水、发展渔业、航运、旅游等功能，也是流域水生态系统的主体基础，保障了长 江三角洲地区社会经济发展所需的水资源。但是，伴随着经济的高速发展，太湖流域的 水环境压力也越来越大。太湖流域水环境恶化及水体富营养化造成了整个流域的水质性 缺水，给流域社会经济发展造成了极大的影响，也给太湖周边地区居民生活造成严重影 响。1 9 9 1 年梅梁湾一次水华大暴发引发的水荒，导致了无锡市1 1 2 家工厂停产，居民饮 用水都发生困难，直接经济损失1 6 亿元。无锡市为了保证水源地的供水质量，自7 0 年代以来数次将城市水厂取水口向湖心方向迁移。但1 9 9 6 年耗资6 亿元新建的离市区 约2 0 k m 的贡湖水厂，现又面临着夏季水华威胁。 太湖的水质恶化与富营养化已经引起了党和国家的高度重视。1 9 9 8 年底二省一市联 合进行的太湖流域“零点达标”排放行动，在一定程度上削减了来自工业污染源的外源 负荷，遏制了水环境恶化趋势。然而，从水质和富营养化总体变化来看，太湖的水环境 问题远没有解决。太湖水体质量状况直接关系到以上海为龙头的长江三角洲的长江经济 东南大学博士学位论文 开发带发展战略目标的实现。保护和改善太湖水质，治理富营养化，实施太湖生态修复 是保障全流域经济发展和全社会关注的焦点之一。 针对太湖污染物入湖总量居高不下和污染产生量以生活源和面源为主的实际，优选 的技术应该是：有效控制和削减生活源污染物入湖总量的技术，有效控制和削减入湖河 道、湖滨带河口区的污染物入湖量和水资源的调度与综合利用集成技术，有效控制和削 减严重富营养化水域水体污染物数量的技术，以及有效控制和削减面源污染物入河( 湖) 量的综合技术。江苏省环境保护厅计划在“十五”末期至“十一五”期间，在太湖湖西 宜兴地区进行复合功能生态修复示范区的研究与建设，重点解决受污染的入太湖主要河 流的水质等级提高和面源污染控制，探索太湖富营养化控制的生态修复措施与模式，为 今后的全太湖流域的生态修复积累经验并提供科研平台。本文研究的水生植物滤床 ( a q u a t i cp l a n tf i l t e r b e d ，简称a p f b ) 技术，可用于削减太湖入湖河道以及富营养化水 域水体的氮磷营养盐含量，还可作为以富营养化水源为源水的小型自来水厂的预处理技 术，成果将直接应用于上述复合功能生态修复示范区的建设，课题得到了江苏省环保厅 科技计划重点项目“宜兴大浦港国家级生态修复示范区中试研究”( 批准号：苏环科 2 0 0 2 1 9 ) 的支持，后期机理研究还得到了国家自然科学基金“水生蔬菜型人工湿地水 质改善技术”( 批准号：5 0 3 7 8 0 1 4 ) 的资助。 1 1 4 研究目的与意义 湖泊、水库是生活和生产用水的重要来源。经济活动和城市化进程的飞速发展给这 些封闭水体以巨大压力，尽管有大规模的废水和生活污水处理厂进行处理，这些水源的 富营养化状况仍然日益严峻。这是因为湖泊污染源的来源广、途径多、种类复杂。入湖 河流携带流经地区的各种工业废水和居民生活污水进入湖泊；湖区周围农田、果园中残 留的化肥等污染物可以通过农田回水和降雨径流的形式进入湖泊；湖中生物( 水草、鱼 类、藻类和底栖动物) 死亡后，经微生物分解，其残留物也会污染湖泊。几乎湖泊流域 中的一切污染物质，都可以通过各种途径最终进入湖泊。因此，解决湖泊富营养化问题， 不仅需要严格控制外源和内源污染，而且需要持续不断地对富营养化水体进行直接净 化，以达到降低水体氮磷营养盐含量的目的。 水体富营养化是我国湖泊、水库的主要环境问题，也是今后相当长一段时期水污染 控制的重要内容。白上个世纪8 0 年代以来，我国已有大量研究成果和相关技术应用于 富营养化水体的控制，但多数只能小范围应用或用于应急，有的治标不治本，有的甚至 还会产生二次污染，能用于持续地直接净化富营养化水体的技术更鲜见报道。本课题的 目的就是借鉴日本的相关技术，研究并建立一种适合我国国情、能有效直接净化富营养 化水体的实用技术。 在诸多水质改善技术当中，湿地处理系统被列为一种可选的技术方案。湿地是生命 的摇篮，也是人类文明的摇篮，直接和间接地为人类提供各种生产和生活服务。除此之 外，湿地也是营养物质沉积、污染物质净化的重要场所。湿地系统在水污染控制方面的 研究不断深入，应用范围不断拓宽，该领域的研究工作已从最初的生活污水处理拓展到 工业废水处理i 19 1 、城市暴雨径流污染1 2 22 1 、农业面源污染控制1 2 3 5 1 和河流1 2 6 q8 1 、湖泊【2 弘3 2 】 治理等众多方面，特别是在河、湖治理方面，由于传统处理方法的局限性，湿地处理系 统的研究具有更显著的现实意义。 第一章绪论 本项研究采用水生植物滤床工艺直接净化富营养化水，探索对太湖富营养化的防 治，以及对富营养化湖水中的氮、磷类营养物质、微囊藻( 也称蓝绿藻或简称蓝藻) 及 其毒素的有效控制和处理方法，既可改善湖水水质、对太湖周边城镇自来水厂取水水源 起到防护作用，又可美化湖滨景观。本研究既具有内容新颖、先进性好的特点，又因直 接服务于保护人民身体健康的目的，对我省乃至全国以营养化湖泊或水库水为水源的饮 用水健康防护有重要指导意义。在我国长江中下游地区分布着我国特有的系列大型浅水 湖泊，我国的5 大淡水湖有4 个分布于此，1 k m 2 以上的湖泊6 5 1 个【3 3 】。由于经济的高速 发展与资源的超强度开发，这些湖泊都面临着象太湖一样的富营养化问题。因此，本研 究内容对于我国东部众多大型浅水湖泊的治理，都有着普遍的应用前景和价值。 不仅如此，由于水生植物滤床所栽培的植物以可食用的水生蔬菜为主，因此其在净 化水质、改善水环境质量的同时，还能以规模化方式生产经济价值很高的水生蔬菜，产 生可观的经济效益，可将传统的污染型农业变成了污染净化型新型农业，不仅体现了生 态农业的理念，而且有望改变传统生态工程常年累月依靠政府投入资金的运作模式，具 有深远意义。总之，本研究课题将富营养化控制及生态修复与农业产业结构调整及生态 农业建设相结合，将环境保护与景观建设相结合，体现了生态修复、蓝藻生长控制以及 景观建设和经济效益相兼顾的可持续发展思想，具有理论研究与应用研究相结合的特 点。 1 2 富营养化水体生态净化技术 总体来说，富营养化水体的水质改善对策包括三个大的方面：污染源控制对策、水 体生态修复对策以及应急除藻对策。污染源控制则包括降低外源和内源氮磷营养盐负荷 两方面。 外源负荷主要来自生活污水、工业废水以及农村生活和农业生产面源污染。尽管世 界各国都制定了严格的污水厂氮磷污染物排放标准，但排放浓度限值仍然超过水体发生 富营养化的临界浓度数十倍。国际上一般认为当水体中总磷浓度高于0 0 2 m l ，总氮高 于o 2m g l 时水体即处于富营养化状态1 3 引。欧共体( 现欧盟) 国家于1 9 9 8 年开始实施 的污水排放标准规定，污水处理厂出水t n 应小于1 0m l ，t p 应小于1m l 【3 5 ，3 6 j 。我 国城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 对排放污水中氮磷指标也做了 严格限定。一级a 标准t n 15m l 、t p 1m l ( 2 0 0 5 年1 2 月31 日前建设的) ，t n 15m l 、t p 0 5m l ( 2 0 0 6 年1 月1 日起建设的) ；一级b 标准t n 2 0m l 、t p 1 5m l ( 2 0 0 5 年12 月3 1 日前建设的) ，t n 2 0m l ，t p 1m g l ( 2 0 0 6 年1 月1 日起建设的) 。标准之严超过了欧盟、美国等发达国家和地区。而且农村生活和农业生 产面源污染控制的技术和管理措施在我国也处于探索阶段，大规模的治理短期内还无法 开展。除此之外，降水、降尘、水土流失等也会将氮磷带入水体，而且氮磷的