（环境工程专业论文）水耕蔬菜型人工湿地的应用研究.pdf

摘要 水体的富营养化问题一直是团绕全球的环境问题。多年以来。众多国内外专家一直致力于利用高等 水生植物净化富营养化水体技术的研究工作，在水生植物品种筛选以及水生植物净化机理研究等方 面都取得了显著的成果。水耕蔬菜型人工湿地以水生蔬菜为主体的新型人工湿地技术，该项技术的 创新性举措是：采用具有较高经济价值的水生蔬菜和水生花卉取代传统的人工湿地中的一般水生植 物，在水质得到净化的同时，获取一定的经济效益。因此，该项技术具有更高的应用价值。论文以 中试实验为基础，对水耕蔬菜型人工湿地的蔬菜品种筛选、各品种的净化能力及其净化机理进行了 全面综合的分析，结论认为：( 1 ) 水耕蔬菜型人工湿地技术具有较强的吸收水体中氮、磷的能力， 空心菜型人工湿地对 i n 和t p 的平均去除率分别在6 0 和8 0 以上，水芹菜型人工湿地对t n 和 t p 的平均去除率分别在2 0 和7 0 以上，不仅可用于净化富营养化水体，改善水体环境，还可以用 于城市污水处理厂尾水的净化。( 2 ) 适合太湖流域生长的水生蔬菜和花卉的净化能力由高到低的顺 序依次为：空心菜 水芹菜 茭白 菱 荷花 睡莲。( 3 ) 水耕蔬菜型人工湿地技术净化废水的机理主 要包括：水生蔬菜根系的直接过滤作用；水生蔬菜根系的直接吸收；水生蔬菜根系表面生物膜的吸 附和降解：“微生物一原生动物一小型动物一鱼类”生态食物链的逐级吞食。( 4 ) 处理负荷是影响 水耕蔬菜型人工湿地处理效果的主要因素之一。( 5 ) 采用水耕蔬菜型人工湿地技术净化富营养化水 体能够取得显著的环境效益。以空心菜一水芹菜人工湿地为例，每亩湿地每年能够从水体中提取 2 5 2 k g 的氮( 以t n 计) 和5 2 2 k g 磷( 以t p 计) 。并且，水耕蔬菜型人工湿地在净化水体的同时， 还能够带来相当可观的经济效益。以空心菜一水芹菜人工湿地为例，每亩湿地每年就能够获得约 3 1 0 0 0 余元的收入，经济效益显著。可见，水耕蔬菜型人工湿地技术对富营养化水体具有较强的净 化能力，其环境效益和经济效益十分显著，在我国有广阔的应用前景。 关键词：富营养化、水生蔬菜、人工湿地 a b s t r a c t i ti sag l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e mo ft h ee u t l r o d h i c a t i o no fw a t e r al o to fe x p e r t sh a v e d o n em a n yr e s e a r c ho rh o wt op u r i f y e u h o p h i c w a t e rb yu s eo fa l t i t u d ew a t e rp l a n t st h e s ey e a s a n dm u c hm a r k e ds u c c e s sh a sb e e nm a d ee s p e ci a l l yi nj a p a n w h e r e ，t h ew a t e rv e g e t a b l e so r f l o w e r sa r ep l a n t e di nm a n u a lw e t l a n d ，w h i c hh a v ep u r i f i e dx i a p ul a k ee f f e c t u a l l y ，a n d m e a n w h i l e ，b r o u g h te c o n o m i cb e n e f i t t h i sr e s e a r c h ，w h i c h iss t i l la na c a d e m i c s t u d y ， f o c u s e so nf i l t r a t i o no fw a t e rp l a n t sa n dw i p e o f fr a t eo fp o l l u t i o nc h a r g e ，b u ti td i d n o ta n s w e rh o wt os h i f tw a t e rp l a n t si naf u l l y e a r m ys t u d y ，b a s e do nm o d e r a t es c a l e e x p e r i m e n t s ，a n a l y s e st h e s eq u e s t i o n s ：1 t h ef i l t r a t i o no fw a t e rv e g e t a b l e si nm a n u a lw e t l a n d 2 t h ep u r g ec a p a c i t ya n dm e c h a n i s mo ft h o s ek i n d s 3 t h eo p t i m i z i n gc o m b i n a t i o n p r o j e c ta n db a s i cp a r a m e t e r so ft h o s eo n e 4t h ee v a l u a t i o ni ne n v i r o n m e n ta n db e n e f i t s t h ec o n c l u s i o n ，d r o w nt h r o u g hi t ，i st h a tt h et e c h n o l o g yo fp l a n t i n gw a t e rv e g e t a b l e si n m a n u a lw e tl a n dc a nb r i n gr e m a r k a b l ee n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i c b e n e f i t s ，w h i c hh a s e x p a n s i v ea p p li c a t i o nf o r e g r o u n di nc h i n a k e yw o r d s ：e u t r o p h i c 。w a t e rv e g e t a b l e s ，m a n u a lw e t l a n d i i z ! ! 1 0 10 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：型：羹全 日期：三坐、 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。 研究生签名：蛰速垒 导师签名：j 墨垒曼丛j 日期：印。3 东南大学硕士论文 1 1 太湖流域的水质现状 第l 章绪论 太湖是我国五大淡水湖泊之一，其流域面积约为国土面积的0 4 ，流域面积内的人口约为全国 总人口的3 。她不仅具有蓄洪、防涝、工农业用水、旅游、航运及水产养殖的功能，更是沿岸居 民及上海市的重要饮用水水源，是苏南地区政治、经济和文化的命脉。其水质状况一直倍受国内外 关注。 自上世纪8 0 年代以来，伴随着经济的不断发展，大量污染物进入太湖，导致湖水永质不断恶化。 据统计，太湖流域每年有5 4 亿m 工业污水( 大部分经处理达到排放标准) 、3 2 亿m 3 生活污水排 入湖内；全流域化肥年用量为3 0 0 万吨，农药年用量为l o 万吨，一部分随地表径流进入湖内。近几 十年的检测结果显示：太湖水质平均每十年左右即下降一个类别，目前，全湖平均水质劣于类， 局部已达到v 类，太湖水质呈现出明显的富营养化。太湖富营养化导致蓝藻水华大量出现。自上世 纪8 0 年代以来，蓝藻水华的暴发频率和规模不断增加，危害日益显著。仅1 9 9 0 年7 8 月一次蓝藻 “水华”的暴发，就影响到无锡市3 0 万居民的饮用水供应问题，迫使1 1 6 个工厂停产，造成了大批 鱼类死亡”。因富营养化而导致的水质下降以及蓝藻水华问题严重危及当地居民的生活饮用水安 全，成为当地经济发展的制约因素。由此可见，开展太湖水污染控制和富营养化防治，已刻不容缓。 入湖河道是污染物进入湖泊的“咽喉”。根据初步调查资料测算，宜兴市境内的3 7 条河流每年 携带的入湖污染物总量见表l l 。并且，太湖入湖河道污染物。其平均t n 含量已超过目前太湖水 质平均含量的2 6 6 倍，最高超过了i o 3 8 倍，t p 平均含量超过了1 1 2 6 倍，最高者超过了4 0 倍之 多。因此，从入湖河道中提取n 、p 等营养盐削减入湖河道的污染物总量。控制入湖水的水质 是从根本上解决太湖富营养化问题的重要手段。而利用无土栽培技术，在受污水体中培植水生蔬菜 和花卉来去除水体中的污染物，同时获取一定经济效益的方法来削减太湖入湖水的污染负荷则是一 种全新的尝试。 表卜一1 宜兴市境内的3 7 条河流每年携带的入湖污染物总量( k g ) s s c o d c rb o d 5n h a - n t nt p 23 4 亿 5 7 3 0 万1 5 9 0 万5 2 0 万1 3 0 0 万3 8 2 万 1 2 利用水生植物净化污水技术的研究现状及存在问题 1 2 1 利用水生植物净化污水技术的研究现状 利用高等水生植物净化污水的灵感来自于天然生物塘。1 9 7 4 年，前西德首先建造了人工湿地， 并在其中种植高等水生植物。用以净化污水，人工湿地技术在欧洲许多国家得到推广应用，并在美 国和加拿大等国得到迅速发展。随着人们对人工湿地技术认识的不断深入水生植物在污水的净化 方面的作用也日益被重视。自上世纪7 0 年代以来，国内外对利用高等水生植物净化污水进行了广泛 的研究”_ 5 1 。研究的内容主要有以下几个方面： 一、水生植物品种的筛选 永生植物品种筛选的基本原则是：对n 、p 营养元素有较好的吸收能力；具有一定的经济价值 和观赏价值；生长条件简单，种源来源方便。 多年以来，国内外的专家和学者就不同水生植物对富营养化水体的净化效果进行了广泛的研究 和探索，并取得了显著的成果。早期的研究主要集中在对水葫芦、水花生等水生植物上。据报道， 在水面放养水葫芦，能显著降低水中的b o d 和c o d ，同时吸收大量的n 、p ，在两周内可去除般 第1 章绪论 生活污水中n 、p 的7 0 - - 8 0 ”1 。以后，对具有定经济价值和观赏价值的水生蔬菜和花卉 的研究相继出现。高吉喜、叶春、杜娟等在总结前人已有成果及室内初步研究的情况下，就茨 菰( s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i a l i n n ) 、茭白( z i z a n i a l a t i f o l i as t a p f ) 、菹草( p o t a m o g e t o nc r i s p u s l i n n ) 、水 花生( a | t e r m a n t h e r a p h i l o x e r o i d e sg r i s e b ) 、金鱼藻( c e r a t o p h y l l u m d e m e r s u ml i m a ) 、满江红( a z o l l a i m b r i c a t an a k ) 及菱角( t r a p ai a p o n i c ap i e r ) 七种植物在7 、8 月份对水体中n 、p 的净化能力进行 了研究结果显示：满江红、茭自、茨菰和菹草4 种植物对p 具有较高的净化能力：茨菰、茭白、 菹草和水花生则对n 保持有较高的净化效率。在对上述几种植物的去n 、去p 、易成活性和适用性 ( 即经济价值) 进行综合分析评定后，高吉喜等人认为，茨菰和茭白最优，金鱼藻、水花生和满江 红次之，菹草和菱角最差。黄承才”1 就芦苇、鸭儿芹、风眼莲、水芹等十四种野生水生植物对富 营养化水体的净化能力进行了研究，结果表明，芦苇、早熟禾、杭州石荠宁、鸭儿芹、风眼莲、水 芹共六种植物对富营养化水体具有较好的净化能力，可作为优先选择的品种。1 9 9 7 年和1 9 9 8 年春 天，牛晓音、葛滢等在杭州市郊区选择了萱草( h e m e r o c a l l i s f u l v a l i n n ) 、石菖蒲( a c o r u s t a t a r i n o w i i s c h o r ) 、灯芯草( j u n c u se f u s u sl i n n ) 、空心菜( p o m o e aa q u a t i c af o r s k ) 等5 种植物进行实验室培 养，并在夏季对它们的净化能力进行了测试。实验结果表明，空心菜是净化富营养化水的有效植物。 这与之前众多国内外学者对石菖蒲、灯芯草和空心菜的研究结果相似”1 。 总结前人的研究结果，不难发现，具有较为发达的根系、对环境适应性较强的挺水植物和浮水 植物对富营养化水有较好的净化能力，如：芦苇、水芹、空心菜和水花生等。 二、水生植物净化水质的机理研究 利用水生植物处理废水，净化水质的研究工作大致经历了以下三个阶段：( 1 ) 利用天然湿地对 废水进行处理：( 2 ) 利用人工湿地技术处理废水；( 3 ) 利用无土栽培技术培植水生植物净化废水。 随着人们对植物处理系统研究的不断深入。水生植物净化废水的机理也日渐成熟。一般认为， 水生植物系统对废水的净化效应主要包括以下几个方面： ( 1 ) 植物根系的直接吸收 植物在富营养化水中生长，其生长必需的n 、p 等营养元素刚主要由其根系直接从水体中吸收。 大量实验证明，植物根系对n 、p 的直接吸收是水生植物净化时不可忽略的因素。洪瑞川、段小兰、 陈欣虹等”于1 9 9 5 年3 月至1 9 9 6 年8 月，进行了石菖蒲净化富营养化水体的研究工作。1 9 9 5 年 4 月6 日至5 月2 3 日的检测结果显示，试验水样中t n 、t p 的浓度分别由8 1 6 m g l 和o 3 6 m g 1 下降 为1 2 6 m l 和0 0 8 r a g l ，而石菖蒲植株中t n 、t p 的重量百分数则分别由1 5 8 和0 0 2 3 增加为1 , 6 4 和0 0 2 7 。由文辉、刘淑嫒、钱晓燕”“对水蕹菜( 即空心菜) 和水芹菜的研究显示，在一个生物 量倍增周期( 约2 5 天左右) 内，平均每平方米蔬菜能从水体中移除t n 2 2 5 5 9 、t p 2 4 7 9 ，而每平方 米蔬菜生物量增加分别为，水蕹菜( 即空心菜) 4 3 k g 、水芹菜7 6 k g 。日本专家中里广幸“”对试 验收获的植物以及试验水路中残留的带泥植物进行了分析并将之与在试验水路中被去除的p 作比 较。结果是：在试验水路中被去除的p 的3 0 连同植物一起被收获，4 5 作为淤泥和植物残留2 5 去向不明。可见，植物根系对n 、p 等营养元素的直接吸收作用是植物净化水体的一个重要方面。 ( 2 ) 植物根系表面生物膜的截留、吸附、吸收和降解 植物在水体中生长段时间后，植物根系表面会附着生长大量的微生物，从而形成生物膜。原 水流经植物根系时大量的s s 被截留，同时原水中的有机污染物( 包括n 、p 等) 被根系表面的生物 膜吸附。在微生物的同化及异化作用下，一部分污染物质被微生物直接吸收；一部分则被微生物分 解成为易于植物吸收的无机物质；还有一部分则在水体中沉积形成淤泥。研究发现由于植物根系 对氧的传递释放，在植物根系周围的环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态。这一条件保证了植 物根系表面微生物种群的生物多样性。通过对植物根系表面生物膜的镜检证实，植物根系表面附着 有大量的硝化菌、反硝化菌和聚磷菌。这样，原水中的n 、p 能被植物和微生物作为营养成分而直 接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用阻及微生物对p 的过量积累作用将n 、p 从原水中去除， 2 东南大学硕士论文 使水质得到净化。 ( 3 ) “微生物一原生动物一小型动物一鱼类”生态食物链的逐级吞食 由于植物根系及其表面生物膜的截留、吸附等作用，原水中夹带的原生动物以及卷贝、线蚯蚓 等小型动物会在植物根系周围及其下方的环境中大量生长繁殖，加上人工放养的泥鳅、黄鳝等，在 水体中形成了一个由“微生物一原生动物- - 4 , 型动物一鱼类”的逐级吞食的生态食物链。这一生态 食物链的形成一方面保证了整个水生植物处理系统中生物量的平衡，使之成为一个有机的小型的生 态系统：另一方面，随着卷贝等小型动物以及泥鳅、黄鳝的被食用，水体中的营养盐也被提取出来， 返回到陆上物质循环系统中，水质也随之得到净化。 综上所述不难发现，利用水生植物净化富营养化水不仅仅只是简单利用植物对水体中营养盐 的进行直接吸收。而是通过水生植物的培植，借助水生植物根系的巨大表面积，在其表面形成种群 多样的生物膜并为各级动物的生长创造条件，从而在水体中形成一个较为完善的生态食物链。作 为一个有机的生态系统，随着植物被收获、动物被食用水体中的营养盐也被提取，水质得到净化。 三、水生植物的克藻机理 植物间的相生相克已广为研究，但高等水生植物与藻类间的相生相克报道很少“。1 9 4 9 年 h a s l e r 等人首次发现了水生植物对藻类的克制效应。水生植物对藻类生长的抑制作用主要表现在两 方面。 其一是，水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者，前者个体大、生命周期长， 吸收和储存营养盐的能力强，能很好地抑制浮游藻类的生长”“。如，西湖的小南湖区恢复生长聚 草、苦草等水生植物后，水质明显变好，透明度大大提高，与主体湖相比，浮游植物密度和叶绿素 a 大幅度下降”“。 其二是，某些水生植物根系还能分泌出克藻物质，达到抑制藻类生长的作用”。上世纪5 0 年 代，大规晃等人”就发现了高等永生植物风限莲对五种藻类有不同程度的克制作用，并推测有克 生物质存在，但没有得到进一步的证实。孙文浩等人对上海一条富营养化水域进行治理时发现，种 植了风眼莲的水体藻类大量减少，水质得到净化。在进一步的研究中，孙文浩等人采用疏水性物质 连续捕获法，成功地分离出由凤跟莲根系分泌出的具有很强抑藻活性的两种物质，n 一苯基一1 一 奈胺和n 一苯基一2 奈胺”“。 此外，水生植物根圈还会栖生某些小型动物，如水蜗牛等，能以藻类为食，也是水生植物具有 克藻效应的原因之。 四、水生植物净化效率的主要影响因素 试验发现，影响水生植物净化效率的主要因素有： ( 1 ) 光照条件 对大多数水生植物而言，光照条件都是影响植物生长速率的重要因素。通常，充足的光照可以 使植物维持一个较快的生长水平。而较快的生长速率就要求较多的营养物质，这就迫使植物根系从 水体中不断快速地吸收n 、p 等营养元素，从而提高了植物对水体的净化效率。光照条件影响植物 净化效率的另一原因在于，充足的光照加强了植物的蒸腾作用，为根系从水体中吸收n 、p 等营养 元素提供了更强的原动力。从而使得植物的净化效率提高。但也有少部分喜阴植物会出现与上述情 况相反的情形。这主要是因为较强的光照条件会抑制喜阴植物的生长。使得植物的净化效果下降。 这在牛晓音、葛滢等对空心菜、灯芯草等5 种植物的研究结果中得到证实。 ( 2 ) 温度 温度对植物净化效果的影响主要表现在两个方面。一方面，植物本身的特性对其生长的环境温 度有一定的要求n 如：空心菜为耐温植物，适合在气温相对较高的环境生长：水芹菜为耐寒植物， 可在冬季生长。另一方面，温度还会对植物的蒸腾作用产生影响从而影响植物根系吸收营养物质 的速率。 第1 章绪论 ( 3 ) 原水的污染程度 随着原水的受污染程度的变化，水生植物对其净化的效率也会发生相应的变化。一般说来，水 生植物对污染程度较重的污水的净化效率要好于对污染程度较轻的污水的净化效率。其原因在于： n 、p 两种元素是植物生长必需的大量营养元素。植物在n 、p 等营养元素充足的环境中生长时，n 、 p 等营养元素不会成为制约植物生长的因素。在植物蒸腾拉力引起的对n 、p 等营养元素的被动吸 收与植物的主动吸收共同作用下，营养元素能以较快的速率进入植物内部：而当植物在n 、p 等营 养元素较为匮乏的环境中生长时，n 、p 等营养元素成为制约植物生长的重要因素。由蒸腾拉力引 起的植物对营养元素的被动吸收已不起主要作用，植物通过主动吸收控制元素进入自身体内，于是 植物对营养元素吸收的速率下降“。而重度富营养化水中n 、p 的浓度相对轻度富营养化水要高， 故而植物对重度富营养化水的净化效率要好于对轻度富营养化水的净化效率。一些学者的研究结果 ”“”1 为上述观点提供了佐证。 ( 4 ) 种植密度 在水生植物净化系统中，水生植物通常被认为是水体中营养物质的贮存库从水体中被提取的 n 、p 等营养元素大多被保存在植株内，只有植物死亡才会被微生物分解。可见植物生物量的多 少决定了植物吸收去除污水氦磷等营养物质的数量水平”“。各种水生植物的生产量即生物量是各 不相同的，而水生植物的种植密度是影响其生物量的重要园素之一。通常，在维持植物正常的生长 发育的条件下，种植密度越高，对水体的净化效率也越好；但是，当种植密度过大时，水体将不能 为植物生长提供足够的营养物质，植物之间对营养物质的竞争将会抑制植物的生长，这反而会降低 植物的净化效率。 五、水生植物根系微生物的特征 人工湿地微生物的代谢活动是废水中有机物降解的基础机制，废水中的有机污染物质包括n 、 p 等元素的物质，主要是经过人工湿地中的微生物代谢活动，降解成终极产物释放到大气中，或成 为水生植物及微生物可以吸收利用的营养物质。或转化成为对水环境无害或毒害减少的物质”“。 研究发现，在人工芦苇床湿地系统中，主要有三种优势菌属，分别为：假单胞杆菌属 ( p s e u d o m o n a s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n s ) 以及黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 。与天然芦苇床湿地系 统相比，优势微生物组成基本相同。并且，在芦苇床的根茎( 好氧区) 上，好氧微生物占优势，而 在芦苇根系区( 厌氧区) 则既有好氧微生物的活动，也有兼性厌氧微生物的活动。许航等”“在对 水花生塘和水葫芦塘的研究中发现，细菌优势种群依次为：芽胞杆菌属、假单胞菌属和产碱杆菌属。 并且，在其中发现了大量的对有机磷具有强降解作用的细菌和大量的氮化细菌、亚硝化菌和反硝化 菌。这些为进一步研究水生植物净化污水机理提供了微生物学的依据，进一步证实了微生物在水生 植物净化系统中有着不可忽视的作用。 1 2 2 利用水生植物净化污水技术存在的问题 近年来，尽管众多国内外学者对利用水生植物净化污水技术进行了大量深入、细致的研究工作 并取得了不少成果。但是，对水耕蔬菜型人工湿地的报导尚不多见，除日本等少数发达国家已尝试 中试和推广外，水耕蔬菜型人工湿地的研究目前尚处在实验室理论研究阶段，距离推广使用仍有较 大差距。并且，国内的相关研究仍局限于水生高等植物的生长旺季阶段，研究的重点则是水生植物 种类的筛选及污染负荷去除率，而对水生植物全年的轮换耕植研究及其环境、经济效益评估几乎是 一片空白。 1 3 课题研究的意义、价值及可能达到的水平 水耕蔬菜型人工湿地技术是水生植物净化技术的一个分支，在我国开展水耕蔬菜型人工湿地的 研究具有较大环境、经济效益和社会推广价值。 首先，我国淡水湖泊众多且大多处于富营养状态。有关资料统计，全国1 3 0 余个湖泊，重营养 - 4 东南大学硕士论文 化湖泊占调查总数的4 3 5 ，中营养化湖泊占调查总数的4 5 ”“。水耕蔬菜型人工湿地利用高等水 生植物生长，从水体中提取n 、p 等营养元素，不仅可以削减入湖水的营养盐的含量，遏止湖体水 质的迸一步恶化。而且对控制蓝藻及藻毒素的污染，保护供水水源，改善饮用水永质状况也有积极 意义。 其次，水耕蔬菜型人工湿地所选用的水生植物多为国民喜爱的、营养价值较高的蔬菜( 包括一 些观赏价值较高的花卉) 。如：水芹、空心菜等( 花卉如：睡莲等) 。并且，这些蔬菜在生长的全过 程内几乎不使用化肥和农药，属于真正意义上的绿色生态食品，因而具有很高的经济价值和较大的 市场潜力。故而水耕蔬菜型人工湿地可以产生显著的经济效益，具有广阔的应用前景。 此外，水耕蔬菜型人工湿地在改变我国的农业生产结构，变传统的环境污染型农业为环境污染 净化型农业，扩大农业就业人口等方面也有不可忽略的作用。 总之，利用无土栽培技术，在水中种植蔬菜或花卉，在改善水体富营养化状况的同时，获取一 定经济效益的做法是一种全新的尝试。因而，对永耕蔬菜型人工湿地研究的成功将填补我国相关领 域的空白，研究成功可望达到国际先进水平。本课题研究还将力争在水生植物品种筛选、新型可食 用品种利用及水生植物一水生动物生态链等方面取得突破性进展，使本课题的研究成果达到国际领 先水平， 第2 章水耕蔬菜型人工湿地简介 第2 章水耕蔬菜型人工湿地简介 2 1 水耕蔬菜型人工湿地的产生与发展 水耕蔬菜型人工湿地又叫水耕生物过滤法，是由日本学者中里广幸于1 9 8 4 年最先提出的。该法 采用不透水、不穿根的材料建造水路，结合水质改善和环境美化等的要求，在水路中以适当的密度 种植适当的水生植物，将需要净化的水提升进入水路，利用水生植物根系及其表面生物膜的吸收和 过滤等作用使水质得到改善。同时，水生植物收获后可以带来定的经济效益。 1 9 8 4 年1 2 月。中里广幸开始了水耕蔬菜型人工湿地对日本霞之浦河河水处理的实验并取得初 步成功。以后，水耕蔬菜型人工湿地的研究在日本逐步得到完善和发展。在日本相继出现了一些用 水耕蔬菜型人工湿地治理富营养化湖泊及沼泽的工程实例水耕蔬菜型人工湿地技术进入工程应用 研究阶段。 “土浦生物园”是日本试验推广水耕蔬菜型人工湿地技术较为成功的例子之一。它由日本建设 省霞之浦工程事务所建设，于1 9 9 5 年8 月建成并投入运行。整个工程建于堆沙场上，共两级，用木 板分隔成若干纵横水路。上级占地3 3 0 0 m 2 ，日处理水量为5 5 0 0 m ；下级占地1 7 0 0 “，日处理水量 为6 0 0 0m 3 。水路中种植的蔬菜以空心菜和水芹菜为主。各点实行一月一次的采样分析，并对蔬菜 的生长等状况进行跟踪观察。1 9 9 7 年度的实验数据显示。“生物园”对n 的平均去除率为0 9 4 9 d m 2 ，对p 的平均去除率为0 1 6 鲥m 2 。并且，自“生物园”建立后河水中的水华全部被去除。可 见，水耕蔬菜型人工湿地在提取水体中n 、p 等营养元素治理水体富营养化等方面具有良好的效 果和工程推广价值。 2 2 水耕蔬菜型人工湿地中氧的变化 研究表明，湿地中的氧不仅可以作为好氧微生物氧化分解有机污染物的电子受体；而且，它的 存在对于好氧微生物的硝化作用和聚磷菌的过量摄磷作用也是必不可少的。 水耕蔬菜型人工湿地中氧的来源主要有：进水中夹带的氧：通过植物根系传播的光合作用产生 的氧：水面的复氧。水生植物遁过光合作用产生的氧，一部分通过植物的运输组织和根系的输送作 用释放到水体中。这使得植物根系周围形成一个好氧区域，在这一区域内生存着大量的好氧微生物。 好氧微生物对氧的利用使得逐渐远离根系的区域呈现出缺氧的状态，在距离根系较远的区域甚至呈 现出完全厌氧的状态。这些溶解氧含量不同的区域为各种微生物的生长提供了适当的氧环境，保证 了水耕蔬菜型人工湿地系统中微生物种群的多样性，进一步提高了湿地系统去除有机物及n 、p 的 效率。 李科德等人对芦苇湿地系统在处理污水前后的氧化还原动态研究表明，虽然在湿地系统中，以 植物根系为核心，由近到远溶解氧的含量呈现出逐渐降低的趋势，但是湿地系统中溶解氧总量在一 天内的变化是很小的。这是由于系统内好氧微生物在氧化分解污染物的过程中对氧的消耗，使植物 通过茎和根系输送的氧不能在水中累积所致。 6 东南大学硕士论文 3 1 研究内容 第3 章研究内容及实验方法 本课题在总结国内外专家和学者相关科研成果的基础上，以位于江苏省宜兴市大浦镇的太湖的 一条支流陈东港为研究对象，就水耕蔬菜型人工湿地的系列问题展开了深入的研究。主要研究内 容如下： ( 1 ) 试验当地基本条件调查。一方面，对宜兴当地的气候条件进行调查，为水生蔬菜和花卉 的选种提供一定的背景资料。另一方面，对陈东港河水中污染物的组成、含量进行分析，并对河水 的富营养化程度进行判断，为水耕蔬菜型人工湿地的净化能力和机理研究提供依据。 ( 2 ) 不同季节，适合太湖流域生长的水生蔬菜和花卉的品种筛选。结合宜兴当地的气候条件， 选取了诸如空心菜、永芹菜、生菜、茭白、睡莲、马蹄莲等多种具有较高经济价值和观赏价值的水 生蔬菜和花卉进行试栽，筛选出适合太湖流域生长的空心菜、水芹菜等若干品种，供进一步研究使 用。 ( 3 ) 不同永生植物在其生长季节内对富营养化水体的净化能力的研究。对经过筛选的各种水 生植物进行试验，详细考察了它们在不同进水水质、不同处理负荷、不同生长密度等条件下对河水 的净化效果，确定了各种水生植物的净化能力，同时也为今后的环境效益评估积累原始数据。 ( 4 ) 水耕蔬菜型人工湿地净化机理研究。以实验过程中积累的实验数据为基础，结合前人研 究的各项成果，对水耕蔬菜型人工湿地的净化机理作进一步的分析和推测。 ( 5 ) 水生蔬菜、花卉串联组合方式及四季轮换套种方案研究和水耕蔬菜型人工湿地各项技术 参数的确定。论文在总结分析各项实验数据的基础上，对水生蔬菜、花卉的串联组合方式以及各品 种间的四季轮换套种方案进行研究，并初步确定出了水耕蔬菜型人工湿地的一些基本技术参数，为 水耕蔬菜型人工湿地技术的优化和推广应用提供了技术参考。 ( 6 ) 水耕蔬菜型人工湿地技术的环境效益、经济效益评估。论文对水耕蔬菜型人工湿地可能 产生的环境效益和经济效益进行了详细的分析，为本项技术的实用性及其推广价值提供了强有力的 证据。 3 2 实验方法 本课题的各项实验在宜兴大浦港国家级生态修复示范工程基地进行。基地占地面积约3 0 0 0 m 2 ， 为中试规模。主试验区为砖混结构，共设8 个处理单元，每个单元又分为三级，单级长度1 5 m ，阶 梯式跌水。在各处理单元内分设3 5 个1m 宽的水路供栽培水生植物使用。主试验区平面图及 后期改造图详见附图1 、2 。 试验以陈东港河水为主要研究对象。河水经水泵提升后，依次经过配水渠、计量堰后进入三级 阶梯式人工湿地。通过在水路中的水生植物、动物等的综合净化作用，原水中的n 、p 等营养元素 被提取，污染物被降解，出水水质得到改善。 3 3 检测内容及检测方法 实验检测的内容主要包括两个方面： ( 1 ) 水生植物生长情况的检测。 这方面检测的主要指标有：植物的生长速率、植物的生长态势以及植物增重等。采用的检测方 法以植物根茎长度测量、称重和目测为主。 ( 2 ) 水质检测。 实验对进出个处理单元的水的部分指标进行了跟踪检测和分析。水质检铡的内容及相应的检测 - 7 第3 章实验内容及实验方法 方法见表3 1 。 表3 1 水质检测的内容及方法 检测内容检测方法 水温 温度温度计 气温 p hp h 计 溶解氧溶解氧快速测定仪 总氰( t n )碱性过硫酸钾消解 溶解性总氨( d t n )紫外分光光度法 n 类 氨氪( n h 3 - n )纳氏试剂比色法 硝氮( n o - n )酚二磺酸光度法 总磷( t p ) p 樊溶解性总磷( d t p ) 过硫酸钾消解 钼锑抗分光光度法 正磷酸盐( p o 。p ) c o d 酸性高锰酸钾法 8 东南大学硕士论文 第4 章实验数据分析 4 1 试验当地基本条件调查 4 1 1 气候条件 宜兴市属苏南地区，是太湖在江苏省境内的湖岸线的主要所在地。其地质构造属于新生代第四 系松散沉积层，地貌特征为湖沼平原。土壤类型主要为黄壤黏土和白黏土，靠近太湖的地方为夜潮 土。全年平均气温1 5 。c ，最热月平均气温2 7 3 。c ，最冷月平均气温2 5 ，最大积雪厚度1 6 c m ，冻 土深度1 2 c m ”。宜兴市年平均降雨量为1 0 0 0 1 2 0 0 毫米，汛期为5 月1 日到9 月3 0 日，汛期主 导风向为东南风。 宜兴市的气候条件在太湖流域具有一定的代表性，适合宜兴当地生长的蔬菜与花卉在整个太湖 流域均能正常生长。通过2 0 0 2 2 0 0 3 年度的调查发现，5 月初到1 0 月底，当地的水温均在2 0 以 上，气候温和、湿润，适合喜温蔬菜及花卉的生长；3 、4 月份当地水温通常在1 0 2 0 c 范围内 大部分喜温植物处于萌芽阶段，生长缓慢；1 2 2 月期间，当地水温大多在1 0 以下，不利于喜温 植物的生长，但水芹等耐寒植物生长良好。 4 1 2 腺水水质 试验选择的陈东港为等外级航道，船舶日均进出量约5 0 0 艘，高水位时最大通航能力为3 0 0 吨 左右，是宜兴境内流入太湖的主要河流之一，其受污染程度及污染物组成在当地的河流中具有较强 的代表性。 通过2 0 0 2 2 0 0 3 年度的调查发现，陈东港河水水质具有以下特征。 ( 1 ) 水体中n 、p 含量较高，水体富营养化程度严重。 从实验数据分析虽然河水中的有机物含量不高，c o dm i i 的含量在1 0 m g l 左右，但是，河水 中n 、p 含量较高。河水中t n 的含量常年维持在2 0 m g l 4 0 m g l ，t p 含量在o 2 m g l 0 3 5 m g l 左右。在雨季，大量农业面源污染随雨水径流进入水体河水中的t n 含量最高可达1 0 m g l 左右。 t p 含量最高可达0 7 m g l 以上。一般认为，水体全氮含量大于0 2 m g l 、全磷含量大于0 0 2 m g l 时 属于富营养化水体”。而陈东港河水中n 、p 的含量已远远超出此范围。可见，陈东港的富营养 化程度已相当严重。 ( 2 ) 河水中的氮以溶解性氮为主，溶解性氮又以无机形态的硝酸盐氮和氨态氮为主，基本不舍亚 硝酸盐氮。 整理6 1 0 月的实验数据，得到河水中各种形态的氮的含量情况如图1 所示。图4 1 显示， 河水中t n 的平均含量为2 1 9 3m g l ，溶解性t n ( d t n ) 的含量为1 7 6 7m g , l ，d t n 含量占t n 含 量的7 9 。并且，硝酸盐氮( n o ，- n ) 平均含量为1 1 4 9m g l ，占d i n 含量的6 5 ，氨氮( n i l 3 - n ) 含量为o 5 7 5m g l ，占d t n 含量的3 2 5 ，从中未检出亚硝酸盐氮。可见。河水中的氮以溶解性氮 为主，溶解性氮又多以硝态和氨态等无机形态存在。 ( 3 ) 河水中的磷以难溶性磷为主，溶解性磷中正磷酸盐含量占主导地位。 整理6 1 0 月的实验数据，得到河水中磷的存在形态及含量情况，见图4 2 。由图2 不难发 现，河水中总磷( t p ) 平均含量为o 2 5 7m g l ，其中溶解性总磷( d t p ) 的平均含量为o 0 7 2 6m g l 。 仅占t p 含量的2 8 。而河水中正磷酸盐( p 0 4 - p ) 的平均含量为o 0 4 5 5m g l ，占溶解性总磷( d t p ) 的6 1 1 3 。可见，河水中的磷多为难溶性磷，其含量占总磷的7 成以上，溶解性磷仅占总磷的3 成 左右，且正磷酸盐的含量占主导地位，达6 成以上。 ( 4 ) 7 9 月为蓝藻暴发期8 月下旬至9 月中旬为蓝藻高暴发期。 通过对河水的观察发现7 月初，河水中开始出现蓝藻，到8 月份，河水中蓝藻急剧增加。在 夏季东南风的作用下，太湖中的蓝藻大量回流进入陈东港，致使河水水质急剧恶化。9 月初至9 月 9 - 第4 章实验数据分析 中旬，蓝藻暴发，致使试验系统运行严重恶化直至停止运行。 一硝氮氨氮口不溶性氮母其他溶解性氮 难溶性p宙其他形态溶解性p 口磷酸盐 图4 - i陈东港河水中n 的存在形态及含量图4 - 2 陈东港河水中p 的存在形态及含量 4 2 水生蔬菜和花卉品种的初步筛选 4 2 1 水生蔬菜及花卉试栽情况分析 自水生植物被用来净化受污染水体以来，各国学者对不同水生植物的净化能力展开了深入的研 究。通过调研近1 0 年水生植物在净化水质方面的部分国内外期刊文献( 共9 5 篇) ，对不同水生植 物的被研究次数( 研究频度) 进行了统计，见表4 - 1 “”。 表4 1净化富营养化水体的水生植物研究频度统计 序号研究频度等级水生植物名称生态类型 1l 风眼莲( e i c h h o r i n ac r a s s i p e s l浮水植物 22 芦苇( p r a g m i t i sc o n i l u n i $ t r i n )挺水植物 33 喜早莲子草( a l t e r n a n t h e mp h i l o x c r o i d c s l 挺水或湿生植物 4 4 香蒲( t y p h al i n n s p p l 挺永植物 55 菹草( p o t a m o g e t o nc r i s p u sl ) 沉水植物 66 水蕹菜( 即空心菜) ( 1 p o m o e aa q u a t i c af o r s k ) 挺水或湿生植物 77 茭白( z i z a n i a l a t i f o l i a g r i s e b s t a p 0 挺水植物 8 7 浮萍皿3 1 l am i n o rl ) 浮水植物 97 菱( t r a p al i n n s p p )浮叶植物 1 07 金鱼藻( c e r a t o p h y l l u md c m c r s u ml )沉水植物 1 18 伊乐藻伍l o d e ac a n a d e n s i s ) 沉水植物 1 28 荷花州e l u r a b on u c i f e r ag a e r m )浮叶植物 1 38 苦草( v a l l i s n e r d as p i r a l i sl ) 沉水植物 1 48 黑藻( h y d r i l l av c r l i c i l l a t ar o y l e ) 沉水植物 1 58 水芹( o e n a n t h e j a v a n i c al ) 挺水或湿生植物 1 69 紫萍( s p i r o d e l ap o l y r h i z a 【t i m s c h l e i d ) 浮水植物 1 79 灯心草u n c u se f f u s e st i n n )湿生植物 1 89 菖蒲( a c o r u sc a l a m u sl 1挺水植物 1 99 水葱( s l a c u s t r i s l v a t t a b e m a e m o n t a n i t r a u v )挺水植物 2 09 多花黑麦草( l o l i a mm u l t i f l o r u ml a m )湿生植物 2 l9 大茨藻0 q a j a sm a r i n al 1沉水植物 2 29 睡莲( n y m p h a e al i n n s p p ) 浮叶植物 1 0 东南大学硕士论文 表3净化富营养化水体的水生植物研究频度统计 续表 2 31 0 满江红( a z a l l ai m b f i c a t e 【r o x b 】n a k a i )浮水植物 2 41 0 美人蕉( c a n ag e n e r a l i sb a i l e y )栽培或陆生植物 2 51 0 聚草( m y r i o p h y l l u ms p i c a m ml ) 沉水植物 2 6 1 0 水鳖( h y d r o c h a r i sa s i m i c u sm i q ) 浮水植物 2 7 1 0 荇菜州y m p h o i d e sp e l t a t a ( g m c l ) ok u n t z c ) 浮水植物 2 91 0 槐叶萍( s a i v l n i ah g 锄sf l a 1 1 ) 浮水檀物 2 9i 0 石菖蒲( a c o r u st a t a r i n o w i is c h o t c l 挺水植物 3 0 l l 稻( o r y z as a t i v al i n n l 挺水植物 3 11 1 鸭跖草( c o m m e l i n ac o m m u n k )湿生植物 3 21 1 菠菰( s 4 9 l t l a r i al i n n s p p ) 挺水植物 3 3 i i 荆三棱( s c i r p u sy a g r ao p p ) 挺水植物 3 41 l 马来眼子菜( p o t a m o g c t o nm a l a i a n u s ) 沉水植物 3 5 l i 篦齿眼子菜( p o l a m o g c t o np e c t i n a t u s ) 沉水植物 3 61 l 狐尾草( m ”i d p h y l l u ml i n ns p ) 沉水植物 3 71 2 水浮莲( p i s f i as t r a t i o t e sl i n n ) 浮水植物 3 81 2 水芋( c a l l ap a l u s t r i sl i n n ) 挺水或湿生植物 3 91 2 荸荠(