（环境工程专业论文）水耕蔬菜型人工湿地削减太湖入湖污染的初步研究.pdf

摘要 水耕蔬菜型人工湿地削减太湖入湖污染的初步研究 东南大学 硕士研究生：陈芳导师：吕锡武教授 摘要 太湖富营养化是目前环太湖地区最重要的环境污染问题。本课题引进日本的水耕蔬菜型 人工湿地，利用植物根系的截留吸附，吸收以及根系微生物的反硝化等作用去除入湖河水中 的营养物质以及藻类，在有效削减入湖污染的同时，产生一定的经济效益。 本文则是对该种人工湿地的初步研究。主要供试品种冬季为水芹菜，夏季为空心菜。主 要研究内容包括： 1 考查分析了各个时期各项水质指标的进出水变化情况和去除效果，主要包括n ，p 素 的各项指标以及c o d m 。，s s 等。 2 做了不同水深，不同密度，不同移栽形式( 浮板和抛种) 以及不同进水方式( 连续和 间歇进水) 等实际运行参数的对比优化。 3 对夏季空心菜八月份的实验数据做了相应的负荷计算，用以初步分析人工湿地的去除 机理。 4 在分析进出水水质变化的同时，研究了植物的生长，根系微生物种类和数量以及池底 淤泥这几者之间的总量关系。 5 最后，针对日后在湖沼，池塘进行大规模推广使用的情况，做了初步的经济成本分析。 试验结果表明，水耕蔬菜型人工湿地用以削减太湖入湖负荷是有效的，可行的。在进一 步控制成本以及处理好后期采收，堆肥和清理等工作之后，可以大规模推广使用。 关键词：富营养化入湖负荷水耕蔬菜型人工湿地供试品种运行优化 东南大学硕士论文 p i l o t s t u d yo n t h et r e a t m e n to fi n f l o wr i v e rt ot a i h u b y q u a t i c p l a n t e d c o n s t r u c t e dw e t l a n d s o u t h e a s t u n i v e r s i t y n a m e ：c h e n f a n gs u p e r v i s o r ：p r o f l vx i - w u a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o n i st h em o s tr a d i c a le n v i r o n m e n t a li s s u eo ft h ea r o u n d - t a i h ua r e ab yn o w o u rt a s k i st oi n t r o d u c et h ej a p a n e s et e c h n o l o g yo fa q u a t i c p l a n t e dc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，h o p i n gt or e m o v e t h o s en ，pa n da l g a ec o n t a m i n a t i o n si nt h ei n f l o wr i v e rm a i n l yb yt h ef o l l o w i n gt h r e ew a y s ： t r u n c a t i o na n da d s o r p t i o no ft h ep l a n t s r o o t s ，d e n i t r i f i c a t i o no ft h em i c r o o r g a n i s ma d s o r b e do nt h e r o o t sa n dt h en u t r i t i o na b s o r p t i o no fp l a n t s m e a n w h i l e ，c e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t sw o u l db e a c h i e v e d t h i sp a p e ri sa b o u tt h ep i l o ts t u d yo ft h i sc o n s t r u c t e dw e t l a n d t h em a i nv e g e t a b l e sf o rp i l o ti s o e n a n t h e j a r a n i c ai nw i n t e ra n di p o m o e aa q u a t i c ai ns u m m e r t h e m a i nc o n t e n t sa r e ： 1 t h ec h a n g eo fw a t e rq u a l i t yb e t w e e ni n f l o wa n do u t f l o wo ft h ew e t l a n d ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo f m a i n w a t e ri n d e x ss u c ha sn ，p ，c o d m n ，s se t c 2 p r a c t i c a lr u n n i n gp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o ni n c l u d i n gw a t e rd e p t h ，p l a n t s d e n s i t y , t r a n s p l a n t f o r m a ta n di n f l o wm o d e ( c o n t i n u u mo ri n t e r m i s s i o n ) ， 3 i no r d e rt oa n a l y z et h er e m o v a lm e c h a n i s m o f a q u a t i c - p l a n t e d c o n s t r u c t e dw e t l a n d p r i m a r i l y ， w ec a l c u l a t et h er e m o v a ll o a do f n ，pi na u g u s t 4 a n a l y z i n gt h er e l a t i o na m o n gc o n t a m i n a n t sr e m o v a l ，p l a n t sg r o w t h ，t h ek i n da n dq u a n t i t y o f t h e m i c r o o r g a n i s m s o nr o o t sa n dt h es l u d g ei nt h eb o t t o mo f w a t e rc h a n n e l 5 m a k i n ge c o n o m i ca n dc o s ta n a l y s i sf o rt h el a r g e s c a l ee x t e n d i n gu s i n gi nt h ea b a n d o n e d p o n d s o rs w a m p t h er e s u l t so ft h i sp i l o ts t u d yi n d i c a t e st h a tu s i n gt h ea q u a t i c - p l a n t e dc o n s t r u c t e dw e t l a n dt oc u t t h ep o l l u t i o no fi n f l o wr i v e ro ft a i h ui sf e a s i b l ea n de f f i c i e n t i tc a nb eu s e di n l a r g e s c a l ea f t e r s a v i n gt h ec o s t sm o r e a n d s o l v i n g t h ep r o b l e mi nh a r v e s t i n g ，s l u d g e c l e a n i n ga n d c o m p o s 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 c - p l a n t e d c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，i n f l o wl o a d ， v e g e t a b l e sf o rs t u d y ，r u n n i n go p t i m i z a t i o n u 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 的学位或证书面使用过的材料。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。 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：巨觅筮导师签名：逊：日 期：型虹 第一章绪论 第一章绪论 太湖是我国第三大淡水湖泊，是周边城市和乡村及工矿企业的主要饮用水水源。近二十年来，太湖 地区经济飞速发展同时也产生了极为严重的环境污染。太湖水质自8 0 年代以来，每十年下降一个等级。 太湖污染主要由工业污染，生活污水排放以及农业面源污染构成，随着9 8 年底太湖流域工业污水达标排 放以来，后两种污染成为主要影响因素，太湖部分指标如高锰酸盐指数有所下降，但有些指标如n ，p 营 养盐，藻类生物量等反而增加。到2 0 0 0 年，全湖平均水质劣于i i i 类。属富营养化型。太湖水质的下降以 及每年因蓝藻爆发而引起的饮用水污染问题日益突出，已经造成对该地区经济发展的重要制约。 富营养化产生的蓝藻约一半以上的种属能产生一大类的环状七肽毒索，统称为藻毒素。调查显示，以 富营养化水为饮用水的地区，肝癌高发病率与藻毒素有关。传统自来水厂工艺已被证实无法去除藻毒素， 对t n ，t p 的去除效果也很差。考虑到太湖污染主要由面源污染构成，而面源污染大部分通过入湖河流进 入太湖，故本课题提出建立水耕蔬菜过滤型人工湿地削减太湖入湖污染，探索对太湖富营养化的治理，以 及对太湖入湖河水中的氮，磷类营养物质和微囊藻( 蓝藻) 及其毒素有效控制和处理的方法a 本课题来源于江苏省环保厅。其研究内容水耕蔬菜过滤法是日本特有的研究经验( 参考文献综述) ， 目前日本正处于探索和不断完善阶段，而国内尚未见这方面的报导。国内相关研究主要集中于非湿地型水 生植物对污水的处理从工艺原理试验规模，供试品种以及试验水质，经济效益等各个方面都与本课题 存在很大差别。本课题采用可食用的水生蔬菜及其他经济植物，在控制富营养化，削减太湖入湖污染的同 时，有望产生一定的经济效益，是一种全新的探索。因而，研究成果可望填补我国相关领域空白，确保达 到国际先进水平，并力争在水生经济植物品种筛选及新型可食用品种利用以及水生植物- 水生动物生态链研 究，湖滨生态示范区及景观建设方面有重大突破，使本研究成果水平达到国际领先。本研究成果还可以在 全省乃至全国富营养化湖泊和水库推广。同时本研究课题还可以为生活污水，城市污水的深度处理，饮用 水的脱氮除磷除藻工艺以及其他深度处理工艺提供借鉴。 本课题的研究虽然在日本已有成功的经验，但若将这一技术移植于我省太湖地区及我国其他地区，仍 有不少问题有待解决，如适合我国的水生经济植物品种的筛选与收获产品的利用，植物过冬等问题，以及 实用工艺的运行参数，生态示范区实施的工程问题和规划研究等。本课题的主要目的就是在引进这一日本 技术的同时解决好上述这些问题，以使该技术真正为我国富营养化地区所使用和推广。 本课题通过湖滨生态示范区建设，达到削减入湖污染量控铺8 太湖富营养化及蓝藻，藻毒索的污染， 遏制太湖水质下降的趋势，保护供水水源。因而具有重大的社会效益；同时由于考虑引种食用型水耕蔬菜， 如水芹菜，空心菜，蒲菜等品种，开发高营养价值的新型食品菰米使人工湿地还能以工业化方式生产经 济价值很高的水生蔬菜，有望产生可观的经济效益改变生态工程单纯靠国家长年累月投入的模式，意义 深远。水生经济植物种植区可以是岸边低地，也可以在近岸的浅水湖区，两者均可以成为绿色景观的观赏 园区。 东南大学硕士论文 第二章水耕蔬菜型人工湿地的基本原理及发展现状与趋势 2 1 水耕蔬菜型人工湿地简介 水耕蔬菜型人工湿地f 1 1 是日本的中里广幸于1 9 8 4 年首次提出的，是日本的特有技术，也叫水耕生物过 滤法。该法采用不穿根，不透水的资材建造水路，根据对水质，景观改善等副目的调节，将需要净化的水 提取，在适当的密度中配置栽培适当的水生蔬菜( 或其他经济植物) 。 水耕蔬菜型人工湿地净化水质的过程主要有4 个阶段： 首先就是蔬菜根系的过滤截留过程。当用于处理河水对，由于河水营养盐浓度较低，导致水中栽植的 蔬菜比土壤栽植蔬菜具有更加庞大繁密的根系，配以高密度栽种，就可以在全池范围内形成一层根系垫子， 类似其他人工湿地采用的填料一样，对s s ，t p 颗粒性有机氮的截留作用明显。 其次根系表面形成有生物膜，在适当条件下可以发生生化反应如硝化反硝化和生物磷反应。 再次，由于根系的截留和池中卷贝线蚯蚓等小型动物对生物膜缝隙中生物的吞食作用，池底将积存 有淤泥，植物的根从水中及淤泥中吸收营养盐而成长。由此发生的反应有植物吸收，反硝化( 淤泥中的微 生物作用) 和颗粒性n ，p 的水解释出。 最后是营养盐的最终出路，邵生长的植物被收获，储积下来的淤泥经停水干燥，被剩残下来的植物吸 水后，变成肥料取出，然后再返送回农田。同时，卷贝，线蚯蚓，泥鳅，黄鳝等被请上餐桌，营养盐被提 取出来。 水耕蔬菜型人工湿地在水质处理方面的优越性1 1 1 主要有： 1 用经济植物净化水体，除去除c o b 之外，还可以利用植物本体吸收，反硝化，吸附沉淀等作 用去除n ，p 等营养元素，对富营养化水体的治理有一定作用。且由于经济植物可以被取出食 用，营养盐不断的被去除，所以不会存在象风眼莲那样的二次污染。 2 工程投资低，运行费用低。与通常的污水处理相比，水耕蔬菜型人工湿地处理不需曝气，不需 加药。在推广使用的时候，可以就地利用废弃湖沼，湖边低地等改造成人工湿地。基建投资小。 3 不会使水系转为无氧系。风眼莲，芦苇等栽植时将反射在水面的光遮住，表面上看防止了水华 的发生。但实际上，由于没有阳光的照射水中d o 极低，导致鱼类死亡，造成恶臭和有毒物 质的产生。而水耕蔬菜型人工湿地在水系的外部需要一定面积，可以防止上述现象。 4 完全不排出废物。水耕蔬菜型人工湿地利用蔬菜和堆肥的形式将营养盐提出，没有废弃物产生。 同时由于水耕蔬菜型人工湿地的植物不需要土壤的固定，其栽培方式与无土栽培中的水培类似。虽然 在营养盐的配比，种植设施方面没有无土栽培那样优越，但若种植得当，水耕蔬菜型人工湿地将同样具有 无土栽培的一些优越性： 1 品质好，商品价值高水耕蔬菜由于水分供应比较充足，只要栽培得当养分供应也充足的情 况下，其产品粗纤维的含量减少，蔬菜含水率，维生素c 含量可大大提高口感较土壤栽培的 蔬菜要好很多。 2 病虫害少，无连作障碍，生产过程可实现无公害化由于种植槽内水流连续流动，在一定程 第二章水耕蔬菜型人工湿地的基本原理和发展现状与趋势 度上隔绝了外界尤其是土壤病原菌和害虫对作物的侵染，所以病虫害少，即使有也较容易控制。 3 省工省肥水耕蔬菜用肥即为富营养化河水，不需要另外的肥料。种植过程摆脱了土壤栽培中 繁重的翻土，整畦，除草等工作，大大降低了劳动强度，节省了劳动力。 另外，水耕蔬菜型人工湿地虽然也被称为人工湿地，但它和传统人工湿地存在很大差别。主要有以下 几点pj ：首先是填料问题，水耕蔬菜型人工湿地不需要额外填料蔬菜移栽入水槽一段时间后，根系就会 不断生长伸展，彼此纠结从而形成一层根系垫子，垫子高度视水路中水深而定，其截留过滤作用相当于传 统人工湿地的鹅卵石，砾石，沙土等填料，且不会出现后者由于填料导致的堵塞问题：其次，两者所种植 物不一样，前者主要种植水生经济蔬菜及花卉，不会有二次污染后者则大多种芦苇，萱草等植物，主要 是利用其长而繁密的根系以便向湿地纵深处发展，由于不能有效利用，一般会产生二次污染；再次。两者 开发时针对的处理对象不同，日本的水生蔬菜型人工湿地是针对富营养化水体湖沼而研发的，主要考查对 氮磷营养盐及蓝藻，藻毒素的去除，对有机物的去除效果不大，而传统人工湿地主要用来处理污水，以去 除有机物为主，同时兼顾脱氮除磷，但对于富营养化湖水这种营养盐本体浓度较低的水，其氮磷去除效果 很小：最后，两者脱氮除磷机理不同，前者主要依靠植物吸收，根系垫子的截留吸附沉降及部分根系微 生物作用来脱氮除磷，后者则主要依靠填料的吸附截留和根系强大的微生物作用来脱氨除磷，植物吸收作 用不大，由此导致两者在池子构型，工艺设计方面也存在很大区别。 2 2 水耕蔬菜型人工湿地的潜在应用和日本研究实例 水耕蔬菜型人工湿地潜在应用非常广泛，凡是需要除磷脱氮的场合多可以考虑应用。具体而言主要包 括以下几个方面： 1 治理富营养化水体。包括农业面源污染的控制，入湖河道河口污染控制等。考虑利用湖湾池沼 等直接进行【4 “6 ”。 2 城市和工业污水的深度处理。可以考虑取代稳定塘及土地处理系统。 3 偏远地区和生活污水无集中处理设施的农村乡镇，可以考虑水耕蔬菜型人工湿地和其他前序设 施的组合应用。如化粪池+ 快滤池+ 水耕蔬菜型人工湿地，酸化池+ 水耕蔬菜型人工湿地 8 “1 0 l 。 4 地下水硝酸氮的控制。 5 可作为富营养化地区给水厂给水工艺的前处理，节省后续工艺的加药量，还可部分脱氮及除藻。 6 其他方面，如城市人造湖泊的景观布置等。 日本的水耕蔬菜过滤法从1 9 8 4 年开始实验至今，已经取待了一定的进展和成果。日本这方面的研究 和应用主要集中在富营养化湖泊沼泽的治理，城市生活污水的深度处理和地下水处理方面，并且在富营养 化湖泊治理方面已经有了一定的规模和实力，相继在霞浦，琵琶湖，伊豆沼的治理中取得了成功。以下介 绍两个日本的实例： 实例一：土浦水耕蔬菜型人工湿地i l l 1 9 9 5 年，霞浦工程事务所建立了“土浦水耕蔬菜型人工湿地”总面积约3 3 0 0 m 2 ，两级串联，上级流 量5 5 0 0 m 3 d ，下级流量6 0 0 0 m 3 d ，蔬菜以水芹，空心菜为主。各点实行一月一次的采水分析。除净化外， 对植物的生长，动物的增殖等进行了观察。 3 东南大学硕士论文 水质净化方面，1 9 9 7 年度1 年问的平均去除速度n 为o 9 4 9 d m 2 p 为o 1 6g a 1 1 1 2 ，s s 为5 0g ，d m 2 。 1 9 9 6 年因为除泥作业时间不正确，导致1 9 9 7 年中污水的n 浓度很高。1 9 9 6 年n 一年间的平均除去速度 为1 9 6 9 ，d m 2 。按原生的水华含水率9 8 来计算，1 m 2 每天有2 5 k g 的水华被处理。水耕蔬菜型人工湿地 的侧面入江口历年到了夏季就有大量的水华随风吹来，变得腐臭，但自从有了水耕蔬菜型人工湿地以后， 水华全部放处理。 蔬菜生长旺盛，可以保持每天平均2 0 人以上的市民的自由大量收获。淤泥去除1 9 9 6 年3 0 立方，1 9 9 7 年1 月9 s 立方，1 9 9 7 年3 月1 1 0 立方。都实行了堆肥，因为它的即效性和持续性受到了好评，市民全部 运回自家作为肥料使用。 动物增殖方面，在水耕蔬菜型人工湿地的淤泥中，平均l m 2 的面积中就可以发现3 5 条1 0 厘米以上 的泥鳅，鳗鱼也可以生存。整个水耕蔬菜型人工湿地平均有i 万个以上的双壳贝繁殖，可以考虑实施淡水 珍珠贝的养殖。 实例二：琵琶湖水耕蔬菜型人工湿地【1 ” 1 9 9 8 年中川元男在琵琶湖进行了净化实验。蔬菜蛆西洋菜( 豆瓣菜) 为主。水道宽2 5 m ，长1 6 0 m ，高 o 5 m ，流量7 9 3m 3 d 。迸水水质如下：t n1 0 - - 2 0 m 酣，t po 1 4 2 1 5m g i ，c o d 4 5m 酣s s5 - 1 5m g i ， b o d l 5 2 5 m 刚。实验结果表明，水道坡度0 5 ，间苗1 ，2 时的净化效果最好，去除效率s s 为5 6 ( 2 0 g d m 2 ) ，t 卜i 为1 4 ( o 4 7g ，d m 2 ) ，t p 为2 7 ( o 0 9g d 1 1 1 2 ) 。同时他还进行了各种花卉，野菜的 品种的筛选。对植株的安全性测试表明，各项指标均符合食品卫生条例。 日本水耕蔬菜型人工湿地虽然取得了很大的成功，但仍然存在不足之处如去除率不商，营养盐的去 除率都小于5 0 ：对藻类去除的研究较少；缺乏细致的机理研究，实验考查指标主要集中在营养盐的总去 除效果上。 2 3 国内相关研究成果 水耕蔬菜型人工湿地的概念在中国还没有正式提出，因此在这方面的研究为零。在水生植物净化污水 或富营养化水体等相关方面的研究进程则主要分以下3 个阶段： i 7 0 年代以前国内的研究主要集中在采用一般的水生杂草如风眼莲( 水花生) ，喜早莲子草浮萍， 紫背萍，满江红，石菖蒲和宽叶香蒲等净化污水 1 2 - 1 7 l ，虽然它们都有一定的净化能力，但经济效益不高， 还存在二次污染和冬季净化问题，因而限制了其广泛应用。 2 8 0 年代起有学者开始研究水生经济植物来处理污水，尤咀空心菜为多。由于污水的营养盐浓度较高， 故蔬菜长势很好，营养盐的去除效果也不错。但由于污水成分复杂，重金属含量高，应用规模又不大，故 这一时期的水生经济植物并没有进行安全性检查( 除少数废水外) ，没有充分体现其经济价值。这一时期 的研究比较活跃，如华南农大的李芳柏f 18 1 等人用无土栽培美人蕉，雍菜( 旱生品种) ，水稻( 三源种) ，野 生稻( 广西玉林) 处理化粪池出水：华南农大的崔理华1 ”1 等采用人工快滤与水培蔬菜复合处理系统对化粪 池出水进行了研究，供试蔬菜为通菜( 空心菜) ，生菜，西红柿：南大的程树培1 2 0 i 等利用人工基质进行了 无土栽培水雍菜净化缫丝废水的研究；戴全裕等人于1 9 9 1 1 9 9 3 年在无锡酿酒总厂内利用酿酒废水( 包 括啤滔废水和黄滔废水) 水培了丝瓜，水芹菜，水雍菜，西洋菜和金针菜等多种经济植物，而且在i 3 4 4 h a 4 第二章水耕蔬菜型人工湿地的基本原理和发展现状与趋势 氧化塘水面上建立了以水培经济植物为主的酿酒废水净化与资源化生态示范工程( 风眼莲+ 水培茭白+ 水培 丝瓜+ 水雍菜+ 水雍菜+ 风跟莲+ 养鱼塘+ 莲藕区) ，并取得了较好的社会效益，经济效益和生态效益。 3 用水生经济植物来处理富营养化水体的报导到目前为止并不多见，少数的一些文章有相关的报导 但与水耕蔬菜型人工湿地相比，它们都为非湿地型，且多数为静态实验，水体营养盐浓度并不低，所选物 种也单一，通常只关注脱氮除磷效果，对引起富营养化水体危害的藻类没有做分析，运行参数等的研究也 很少。总体来说就是一些最基本的工作没有系统性的研究。这一时期的研究工作主要有： 刘淑嫒 2 2 1 等人使用泡沫板，蛭石两种人工基质无土栽培水芹，水雍菜和多花黑麦草，研究其净化富营 养化水体的效果。平整泡沫板厚1 s c m ，按株行距5 e r a 打孔用于插水芹苗，蛭石袋厚5 c m ，用窗纱缝制， 内充蛭石，封口后全袋可漂浮于水上，水雍菜和多花黑麦草的种子就点在蛭石中。静态实验周期为3 周， 初始浓度为t n ：1 i 5 5 r r l g 九t p ：1 5 9 m g l ，氮磷比为7 2 6 ：1 。在培育前，水体浑浊呈黄绿色( 水中有藻 类存在) ，并有明显的h 2 s 臭味；培育后水体清澈透明，异味异色消失，多花黑麦草，水雍菜对氮磷的去 除率分别在8 0 ，9 0 以上。水芹对氮磷的去除率分别在7 5 以上。研究还表明，受生活污水污染的水体， 氨氮含量高，在t n 中的比例也高，有异色异睬，溶解氧低，经过水培蔬菜处理后，氨氮的含量和比例可 大大降低，水质变好。 华东师大的由文辉b ”等人于1 9 9 2 年开始以华东师范大学丽娃河为例，开展了采用水培蔬菜处理受污 染水体的生态工程研究。供试蔬菜4 月1 0 月为水雍菜，1 1 月 3 月为水芹菜。选用1 5 c m 厚的泡沫塑料板 为载体，株间距5 e r a 打洞。现场实验中，载体四周以毛竹固定底部用线网做衬，以防载体破碎。静态实 验中，水体浓度t n ：1 0 9 2 - 2 0 3 0 m g 1 ，t p ：1 4 2 2 0 3 m 刚，停留时间为3 0 天，水雍菜对t n ，硝态氨。 氨氮，t p ，d p 的去除率分别为8 1 3 2 ，8 9 9 0 ，8 7 8 6 ，7 1 3 4 ，8 2 6 2 ；水芹菜对上述污染物的去除 率分别为8 2 7 7 ，8 6 6 4 ，8 6 0 3 ，9 4 7 7 ，8 9 8 3 。与对照组风眼莲和紫背萍想比，水雍菜并不逊色 于凤眼莲，水芹甚至胜于紫背萍。植株的重金属含量检测表明，植株可食用的茎叶部分重金属含量相对较 低，符合使用标准。在现场试验中，两种植物都生长旺盛，生物量倍增时间仅为2 5 天左右。轮种上述蔬 菜，每m 2 水面每年可自水中移除t n 2 0 4 8 0 9 ，t p 2 4 6 2 9 ，并可收获蔬菜5 0 k g m 2 ，具有显著的环境和经济 效益。 戴全裕l = 1 4 0 等人于1 9 9 3 年采用水培经济植物对太湖入湖河道污染物的控制做了生态工程动态模拟研 究，停留时间为1 6 天，污染源为化工疗养院的生活污水，生态串联系统为水雍菜+ 金针菇+ 水培丝瓜+ 风眼 莲和部分水稻。结果表明，在t n ，t p ，氨氨，c o d 和浊度的初始浓度为8 4 8 r a g 1 ，1 0 2 7 m g 1 ，3 1 7 0 m g l ， 6 2 。4 7 m 鲫，1 5 7 6 0 时，各污染物的平均去除率分别为8 4 1 7 ，8 3 7 5 ，8 7 9 9 ，7 1 8 6 和8 6 5 3 。从各 级去除率来看。起主要净化作用的是前级，约占5 0 以上，后几级的作用不大但可以进一步提高水质。 停留时间为1 2 0 1 1 的静态实验则表明，净化能力水培丝瓜 风眼莲 水雍菜 金针菜。 另外，宋祥甫口5 2 6 】等人于1 9 9 3 年还进行了浮床水稻对富营养化水体中氮磷的去除效果和规律的研究。 周国宁b “等还进行了水面无土漂浮栽培花卉的试验研究。 2 。4 国内今后的研究方向 水耕蔬菜型人工湿地虽然在日本已有成功的经验，但如应用到中国，则还有很多问题要解决。在治理 东南大学硕士论文 富营养化水体方面，主要有以下几点： 1 适合我国富营养化水体的自然条件下的水生经济植物和花卉的品种筛选和组合解决其过冬问题。 可供选择的品种有：1 ) 适合低营养水平的蔬菜：空心菜，水芹，莼某，豆瓣菜，金针菜，生菜，水 葱，苋菜，小白菜油菜，茼蒿，芥蓝，菠菜，蒲菜，木耳菜，大蒜等。 2 ) 适合中高营养浓度的蔬菜有：茭白，菱角，慈姑，莲藕，荸荠，芡实，莴苣，水培丝瓜，旱芹， 黄瓜，草莓，大豆西红柿，玉米，辣椒。茄子，水芋等。 3 ) 花卉有：美人蕉，半支莲红睡莲，大花萤草，旱伞草，花菖蒲，月月红，河柳，香蒲，牵牛， 串紫，鸡冠花等。 部分品种的季节适应性见下表：( 0 表示适应，表示半适应) 植物名称月份 23456 789l o1 11 2 喜温水雍菜 oooooo 植物丝瓜oo oooo 金针菜0 o0oooo 慈蛄ooo o 0 菱白o000oooo 水稻oooo00o 莲藕 ooooo 鸢尾ooooo0oo 半支莲ooooooo 红睡莲ooooo0o 美人蕉oooooooooo 耐寒西洋菜 oo0o o0oo 植物水芹菜oooooooo 0oo 大蒜oo0oooooooo 香葱 ooo oooooooo 需要进行以上品种的筛选组合，要考虑到自然状态下植株的抗倒伏性，植株对气温变化的反应，根据 其不同的生长期限，选择各个季节有最优处理效果的品种的组合，解决好通常水耕蔬菜型人工湿地冬季处 理效果不好的问题。同时进行高低浓度的串联优化。另外，尝试种植太湖野生高营养价值的菰米，为开发 新型药食两用食品资源取得创造性的成果。 2 水耕蔬菜型人工湿地除磷脱氮尤其是除藻的机理研究，在实际工艺中强化处理效果，在定去除 率的情况下，强化植物吸收功能，以促进水耕蔬菜型人工湿地的经济效益。 3 实用工艺的运行参数和优化组合研究，即影响工艺除磷脱氨除藻效果的因素识别并强化其处理效 果。主要有三个方面： 一，湿地的设计：如湿地的坡度，长宽比例，水深，进出水口的设计，出水可调堰的设计以及是否填 6 第二章水耕蔬菜型人工湿地的基本原理和发展现状与趋势 填料等。 二，运行参数方面：包括停留时间，有机负荷，进水方式。从资料来看，处理污水，即营养盐浓度较 高的水体时，通常采用3 4 天的停留时阎，间歇操作：而日本霞浦低营养水体水耕蔬菜型人工湿地的停留 时间为3 0 m i n ，连续进水。对此仍应做比较分析以确定特定水质的虽佳停留时间。 三，植株方面的设计：植株密度，串联级数，植株的固定方法( 即移栽方式) 及其他实际操作参数。 目前水上栽培浮体( 即载体) 主要有：蛇皮袋方式，内充蛭石或泡沫塑料小球等多孔性，比表面大的 膨体颗粒，种子或苗直接栽在袋上；泡沫塑料板，按一定株行距开孔插苗；浮框式浮体( 制作方法见参考 文献) 以及两股绳索缠绕夹住株苗的方式。固定方式则有围架抛锚法；围栏拉绳法；直接打桩法。一般都 采用泡沫塑料浮体直接打桩法。 种植密度，也即株行距，也有个最优控制的问题。种的太稀，对处理效果不利：太密，则对植株生长 不利，植株间对营养的竞争可能会导致植株的生长不良，从而影响经济效益。 根据反应器原理在总净化水面相同的情况下，多级串联的效果将好于单个氧化塘。但是串联级数太 多，一方面浪费，一方面最后几级植物常因水体中营养盐不足而导致生长不良，甚至萎缩或死亡，容易引 起二次污染，级数太少又不能很好的去除水体中营养盐。对于某一净化系统，串联级数耍根据原污水水 质和处理要求而定，同时也与试验采用的植物种类和串联形式有关。 同时植株的移栽期，浮体厚度，种植孔大小等都会对植株的生长有影响。移栽早，苗龄小，成活率高， 但也因品种而定：种植孔应随着植株的生长而慢慢变大，但由于浮体载重限制。孔径也不能太大，一般8 c m 厚浮板( 3 c m + s c m 双层板) 上层孔径应不大于2 5 c m ，5 c m 厚浮板孔径应不大于l o c m ：浮板厚，能提供根 系一个吸氧的空间，成活率也高。在日常管理中，还应根据植株的生长进行水位的控制，以及病虫害的防 治，植株微量元素的缺失引起的各种症状以及其处理方法也应掌握。水面植物一般不易为病虫所害，但一 旦发生，应想办法解决，如浮体消毒，切断传播途径；生物防治以及施用无公害农药等。 4 不同富营养化程度水体的水耕蔬菜型人工湿地处理的研究，从而为水耕蔬菜型人工湿地的推广创 造条件。 无论国内还是日本，所研究的水体比较单一，没有进行不同营养化程度水体的水耕蔬菜型人工湿地处 理比较。为了推广水耕蔬菜型人工湿地的利用，应做这方面的研究。 5 富磷植物的筛选。 由于蓝藻的固氮作用，磷的控制是富营养化水体营养盐控制的关键，所以筛选出除磷效果高于脱氮 效果的植株并用于实际是水质净化的根本点。 6 生态园的经济技术分析，以期达到最优化运行以及市场化运作。 水培植物一次种植后，管理方便，节省劳力。其主要的成本在于浮体，应在浮体厚度和结构上加以改 进。由于富营养化水体的营养盐相对于大棚栽培，营养液栽培以及田间栽培来说都要低很多，相应的产量 就要低很多，但是在产品质量上，水耕蔬菜型人工湿地的植株是占有优势的。可以进行产品的安全性评价， 创立“有机食品”，“绿色食品”，“无公害食品”，在以质量立足市场的同时，努力提高产量。同时水生植 物不易为病虫所害，抗倒伏能力强。水生花卉有株体矮化，花径较大等特点，在园林景观配置中有较大实 用价值。 7 东南大学硕士论文 第三章水耕蔬菜型人工湿地去除机理 3 1 过滤法营养盐去除机理 水耕蔬菜型人工湿地过滤法的机理较为简单，就是利用根系的截留吸附，根系微生物膜的硝化反硝化， 植物的吸收等作用来去除氮磷，对于蓝藻，这方面的研究比较少，笼统的归纳为植物抑藻和动物吞食两个 方面。由于实验条件实验仪器等方面的欠缺，本试验对蓝藻的指标型考查较少。所考查指标主要为n ，p 。 以下主要为各指标去除( 包括产生) 机理： ( d t n d t p 表示溶解性t n , t rp t n ，p t p 表示颗粒性t n , t p ) t n 去除= p t n 的沉降截留吸附+ 反硝化+ 植物吸收+ 淤泥中p t n 的水解释放+ 蔬菜腐烂导致的有机氮增加 d t n 去除= 反硝化+ 植物吸收+ 淤泥中p t n 的水解释放+ 蔬菜腐烂导致的增加 n h ，- n 去除- 植物吸收+ 硝化+ 有机氮的氨化+ 淤泥中p t n 的水解释放+ 蔬菜腐烂导致的增加 n 0 3 - n 去除= 植物吸收+ 反硝化+ 氨氮硝化导致的增加+ 其他 t p 去除= p t p 的沉降截留+ 植物吸收+ 淤泥中p t p 的水解释放+ 其他 d t p 去除= 植物吸收+ 淤泥中p t p 的水解释放+ 其他 只要管理得当，及时将水中移栽初期( 缓苗期) 的腐烂叶片捞起的话，由蔬菜腐烂导致的各项指标的 增加可以忽略同时由于我们每茬都清淤。且一茬的持续时间不会太长所以池底淤泥水解释放导致的各 项氮磷的释放增加也可以忽略，这样我们就得到以下结论： t n 去除= p t n 的沉降截留+ 反硝化+ 植物吸收 d t n 去除= 反硝化+ 植物吸收 n h 4 + n 去除= 植物吸收+ 硝化+ 有机氩的氨化 n 嘎- n 去除；植物吸收+ 反硝化+ 氮氮硝化导致的增加 t p 去除= p t p 的沉降截留+ 植物吸收 d t p 去除= 植物吸收 由此我们就可以算出每个环节每个时期各种作用对于氮磷去除的贡献比例( 去除负荷用w 表示，单 位为m t l ，下标1 ，2 ，3 分别表示植物吸收作用根系作用，反硝化，浓度下标0 表示进水1 表示出水) ： 植物吸收：除磷w p l = q + ( c d t p 0 c d t p l ) 除氮w m = q 4 ( c d t p 0 - c d t p i ) + 该蔬菜可食用部分氮磷l l = w p 】+ 蔬菜氮磷比 ( 值得注意的是。该部分负荷只是表示植物从水中吸收的总量，与植物吸收用于生长的总量有所差别， 因为植物不仅从水中吸收营养，也可能从池底淤泥吸收养分以供生长，故这部分计算结果与下面总量平衡 方法计算所得是不同的。而植物在水中吸收一种营养的同时，是否成正比的吸收另外一种营养元素，还有 待研究，这里只是作此假设) 根系物化作用：除磷w p 2 = q ( c t p o - c t p l ) 一w 卅q + ( c n p 0 c p t p l ) 除氮w = q + ( c t n o - c t m ) 一w n i w m = q 4 ( c v m o - c e m i ) ( 这部分与总量平衡方法中淤泥n ，p 含量也是不同的) 8 第三章水耕蔬菜型人工湿地去除机理 反硝化：除氮w n t , = q ( c d t n o - c d t m ) 一w n l 此外我们还可以用总量平衡方法算出各环节对氮磷去除的贡献比例，但这种方法只能算一茬时间内总 的贡献比，不能计算具体各个月的情况；由于水耕蔬菜型人工湿地n ，p 的出路只有植物采收，淤泥堆肥 以及n 素的反硝化，故： 植物采收去除：一茬收获的蔬菜总量蔬菜所含氮磷含量 淤泥堆肥去除：淤泥总量泥中氮磷含量 反硝化；进出水氮素总削减量- 植物采收去除淤泥堆肥去除 该方法计算起来较为粗糙，如淤泥总量的测定，各采样点泥氮磷含量的测定等，均以平均值计算，有 一定误差，故在实际使用中，可采用两种方法相结合。 3 2 蒸发量问题 夏季水面蒸发和植物蒸腾作用明显，进出水水量变化较大，个人认为不必计较由此导致的水量的减少 以及偶尔导致的出水浓度的增大，因为蒸发蒸腾是自然现象，在将来推广使用的时候也会存在这一问题。 对此可以采用总量计算的方法，将以上公式改为( q 0 是进水流量，q l 是出水流量) ： 植物吸收：除磷w p l q o + ( c d t p 0 - c d t p i ) 一q 1 + ( c d t p 0 - c d t p l ) 除氮w i n = q o + ( c d m c d r p l ) 一q l + ( c o n ? o c d n , 1 ) 】该蔬菜可食用部分氮磷比= w h 4 蔬菜 氮磷比 根系物化作用：除磷w p 2 = 【q o * ( c t p o - c 丁p 1 ) - q l + ( c t p o - c t p l ) 】一w p l 除氮w n 2 - q o + ( c n 一c t n l ) - q 1 ( c t n o c t n l ) 】- w n l - w n 3 反硝化：除氮w m = 【q o + ( c d t n 0 - c d t i q l ) q l + ( c d t n 0 c d t n l ) 】- w h l 9 东南大学硕士论文 4 1 实验水路概要 第四章实验设计 本实验水路占地约3 0 0 0 平米，分前后3 级串联，共8 个单元，每个单元分3 - 5 条水槽，所有水槽均 为水泥壁不透水设计。水槽宽l 米，深4 0 c m ，每一级长1 5 米，出水设可调堰调节水深，可调范围l o 2 0 c m ， 每个单元设计量堰测定流量，每个不同流量设一个空白水槽( 前后3 级) ，同一单元其他水槽设成重复样( 同 一种植株，相同流量，水深) 。 4 2 水路运转条件 进水为城东港一条支流的河水，经水泵提取后再经配水总渠进入各个单元。水泵水量约2 0 m 3 h ，两台 时为4 0m 3 h ，对应单级停留时间为1 q h 。由于水泵运转经常出现故障，故下文以实测流量为准。入流河 水水质如下： 表4 - i 入流河水水质 浓度( m g 九) t n t p 氨氮硝氮 s s c o 岛协 d o p h 冬季2 80 1 5 o 2 20 6 4 - 1 4 30 8 5 3 1 15 3 6 7 9 1 8 7 8 夏季 2 1 - 4 ，1o 1 7 o 3 9o 7 0 1 3 lo 6 0 1 7 63 4 5 67 6 6 9 6 54 - 67 8 4 3 植物的种类和特征 第一年冬季栽植植物仅为水芹菜一种，次年夏季有空心菜，生菜，菱角，莲藕，睡莲和茭自。均为水 生品种。春季还可以考虑豆瓣菜( 本次试验没有涉及) 。 各种蔬菜营养成分含量如下： 水芹菜：1 0 0 9 可食用部分，含蛋白质0 5 9 ，磷3 9 r a g 。 空心菜：含水率9 0 1 ，干物质中含氮量2 7 ，宙磷量o 3 8 ，氮磷比为7 ：1 。 豆瓣菜：干物质中含氮量3 4 ，含磷量0 4 7 。 菱角：1 0 0 9 可食用部分，含水6 9 2 9 ，蛋白质4 4 9 ，磷4 9 r a g 。 空心菜图片如下： 1 0 第四章实验设计 水芹菜图片如下 4 4 测定项目及测定方法 4 4 1 水质监测项目 表4 - 2 水质监测分析项目 分析项目测试方法 t n 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 d t n 0 4 5 微米滤膜滤后方法同上 t p 钼酸铵分光光度法( g b l l 8 9 3 8 9 ) 正磷酸盐钼酸铵分光光度法( g b l l 8 9 3 8 9 ) d t p 钼酸铵分光光度法( g b l l 8 9 3 8 9 ) 氨氮直接纳式比色法( g b 7 4 7 9 8 7 ) 硝氮 酚二磺酸光度法，紫外分光光度法 东南大学硕士论文 s s重量法 浊度分光光度法 c o d x h高锰酸钾法 水温水温计法 d d溶氧仪测 p hp h 试纸 4 4 2 植株监测项目 做了植株生长初期株高的记录，观察植株根系垫子的形成以及植株体内氮，磷元素含量的测定。 4 4 3 蔬菜的安全性检测和品质检测 蔬菜长成出售之前需做此检测，安全性项目可依据食品卫生法有选择性的测试。品质检钡8 主要指 蔬菜的硝酸氮含量。维生素c 含量和水分等。本次试验主要检测蔬菜安全性项目如下 表4 3 蔬菜安全性捡涮项耳 p b g b t 5 0 0 9 1 2 - 1 9 9 6 食品中总砷的测定方法 c d g b t 5 0 0 9 1 5 1 9 9 6 食品中总镉的测定方法 c r g b t 5 0 0 9 1 4 1 9 9 6 食品中总铬的测定方法 c u g b t 5 0 0 9 1 3 1 9 9 6 食品中总铜的测定方法 h g g b t 5 0 0 9 1 7 1 9 9 6 食品中总汞的测定方法 a s g b t 5 0 0 9 1 1 - 1 9 9 6 食品中总砷的测定方法 d d t g b t s 0 0 9 1 9 - 1 9