（环境工程专业论文）河蚌挂养与植物浮床集成技术在苏州重污染河道中净化模式的探讨.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 本文在总结前人研究成果的基础上，针对重污染河道水环境的特点，研究了 河蚌与浮床植物在苏州重污染河水中的应用模式及其净化效果，使滤食性动物河 蚌在污水资源化生态工程中的应用成为可能。并通过大量的室内、外试验，得出 以下结论： ( 1 ) 褶纹冠蚌能够很好地适应重污染水体，并在所挂养的水域中形成生物 过滤系统，使水体得到过滤、净化。其强大的滤藻能力可使水体中悬浮物和叶绿 素a 的消除率达到9 0 以上，将褶纹冠蚌作为优良的生物材料进行水体环境改良 是可行的。 ( 2 ) 河蚌的滤水率与其体重有关；体重越大，其滤水能力越强。因此，宜 选择较大规格的成年河蚌( 三龄以上) ，并有计划的收取蚌体，从而不断从水体 中去除悬浮物颗粒和藻类，使受污水体得到改善。 ( 3 ) 河蚌与植物集成净化技术既能够消除水体悬浮物、藻类，又可有效去 除营养盐。采用该集成技术时，1 m 2 重污染河道水域中植物投放生物量为1 2 5 k g 、 褶纹冠蚌放养数量3 4 只，且褶纹冠蚌挂养水深不宜高于5 0 c m 。同时选择场地、 挂养设施时应考虑交通、操作管理等因素，并合理兼顾挂养河蚌的经济效益与污 水治理的社会效益。 ( 4 ) 生物多样性的保护是保护生态环境的重要因素之一。通过增加河蚌放 券量，补充水生动物资源数量，并与浮床植物等相搭配，可增强水生态系统的稳 定性、促进物质循环，达到净化水质的目的。 ( 5 ) 滤食性河蚌与浮床植物的搭配净化模式操作简单，生物材料易于取得， 对类似地区有较大的推广应用价值。 关键词：熏污染河水滤食性动物浮床植物藻类营养盐 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so fh e a wp o l l u t e dr i v e re n v i r o n m e n t ，t h ea p p l i c a t i o n m o d e la n dp u r i f i c a t i o na b i l i t yo fb i v a l v e sa n dp l a n tn o a t i n g b e di ns u z h o uh e a v y p o l l u t e dr i v e rw a ss t u d i e db a s e do nf o r n l e r sw o r k ，m a k i n gt h ea p p l i c a t i o no ff i l t e r f e e d e r si nw a s t e w a t e rr e c y c l i n ge n g i n e 嘶n gp o s s i b l e s o m ec o n c l u s i o n s w e r e s u m m e du pt h r o u g hm a n yo u t d o o ra n di n d o o re x p e r i m e n t sa sf o l l o w i n g ： c r i s t a r i ap l i c a l ac o u l da d a p th e a v yp o l l u t e dw a t e rw e l l ，a n dab i o l o g i c a lf i l t e r s y s t e mw a sf o r m e di nt h ew a t e ra r e aw h e r ec r i s t a r i ap l i c a l a1 i v e d ，m a k i n gt h ew a t e r f i l t e r e da n dp u r i f i e d w i t hi t ss t r o n ga l g a ef i l t e r i n ga b i l i t y c r i s t a r i ap l i c a l ac o u l d r e m o v eo v e r9 0 s u s p e n d e ds u b s t a n c ea n dc h l o r o p h y l li nt h ew a t e r t l m s ，i tw o u l d b ef e a s i b l et ou s ea sb i o l o g i c a lm a t e r i a lt oi m p r o v ew a t e re n v i r o n m e n t b i v a l v ef i l t e r i n gr a t ew a sc o r r e l a t e dw i t hi t sw e i g h t ；i t sf i l t e r i n ga b i l i t yb e c a m e s t r o n g e rw h e ni t sw e i g h ti n c r e a s e d t h e r e f o r e ，a d u l tb i v a l v eo v e rt h r e ey e a r so l d ， w h i c hh a sb i g g e rs h a p e ，s h o u l db ec h o s e n a n dt h eb i v a l v e ss h o u l db ed e s i g n e d l yg e t o u to ft h ew a t e ri no r d e rt or e m o v es u s p e n d e ds u b s t a n c ea n da l g a e ，i m p r o v i n gt h e p o l l u e dw a t e r t h ep u r i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，c o m b i n i n gb i v a l v ea n dp l a n tf l o a t i n g b e d ，c o u l dn o t o n l yg e tr i do fs u s p e n d e ds u b s t a n c ea n da l g a e ，b u ta l s or e m o v e t h en u t r i e n te f f e c t i v e l y w h e nu s i n gt h i st e c h n i q u e ，i tw o u l db eb e t t e rt op u t1 2 5 k gp l a n ta n d3 - 4 i n db i v a l v e s i n1 m 2h e a v yp o l l u t e dw a t e r , a n db i v a l v er a i s i n gd e p t ho fw a t e rs h o u l dn o tb eo v e r 5 0 c m m o r e o v e r ，w h e nc h o o s i n gt h er a i s i n ga r e a ，f a c t o r ss u c ha st r a f f i c ，m a n i p u l a t i o n a n da d m i n i s t r a t i o ns h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d ，g i v i n gr e a s o n a b l ea t t e n t i o n st ot h e e c o n o m i cp e r f o f i n a n c eo fr a i s i n gb i v a l v e sm a dt h es o c i a lp e r f o r m a n c eo fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t b i o d i v e r s i t yp r o t e c t i o ni s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r so fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b yi n c r e a s i n gt h eb i v a l v e sa m o u n ta r t i f i c i a l l yw i t hp l a n t f l o a t i n g b e d ，c o u l ds t r e n g t h e nt h ew a t e re c o l o g i c a ls y s t e ms t a b i l i t ya n dp r o m o t et h e s u b s t a n c er e c y c l i n g ，f i n a l l yp o d f y i n gt h ew a t e rq u a l i t y i nc o n c l u s i o n ，t h em a n i p u l a t i o no f t h ep u r i f i c a t i o nm o d e lw h i c hc o n b i n e sf i l t e r f e e d e rm a dp l a n tf l o a t i n g - b e di sf a c i l ea n di th a sg r e a tp o p u l a r i z i n gv a l u ef o rs i m i l a r w a t e ra r e a s k e yw o r d s ：h e a v yp o l l u t e dw a t e r f i l t e rf e e d e r p l a n tf l o a t i n g 。b e d a l g a e n u t r i e n t i i 学位论文独创性声明： 本人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。 与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：叠塑丝身丝垄 2 0 0 7 明；日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学 术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复 印件或电子文档，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。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： l 塑! 盏竺垄2 0 0 7 年婶月弓日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 苏州古城区河流污染现状 由于城市经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对水资源的需求量越 来越大，对河流等水体的水质要求也越来越高，因此治理河流污染迫在眉睫。本 课题依托国家“8 6 3 ”重大科技专项苏州市水环境质量改善与综合示范项目 进行了试验研究。苏州古城区河流污染特征主要为： ( 1 ) 水环境特征：苏州古城区河道的水质恶化现象十分严重。据监测，古 城区河流均为劣v 类水质，主要污染指标n 如+ - n 、t n 和 i t 的最大超标倍数分 别达1 4 5 、6 5 4 和4 5 5 倍，属重污染程度，部分河段时有黑臭现象发生。 ( 2 ) 污染源特征：由于苏州古城区居民多为依水而居，临水而生，生活污 水直接排入河道的现象较为普遍。另外，古城区目前实行的是截流式合流制，雨 天大量未经处理的生活污水也直接排入了河道。 ( 3 ) 污水收集特征：据调查，由于苏州古城区的部分街道比较狭窄，加上 古民居区污水收集管道铺设施工非常困难，使得一些地区的污水收集率较低，至 2 0 0 3 年，污水收集处理率为4 0 7 ，所以古城区河流污染仍以生活污染为主。 ( 4 ) 水生态系统遭到破坏：由于苏州河道的悬浮物、有机物以及营养盐负 荷高，水体溶解氧上下分布存在明显浓度梯度，底部严重缺氧，底栖生物消失， 浮游生物量减少，生态系统破坏严重。 城市河流由于受城市发展的影响较大，河流的水污染从污染类型到污染强度 都在加大。此外，城市也由于水体受到污染而导致景观质量下降，严重影响了河 流两岸居民的生活质量及亲水意愿。水质污染还导致河流及其两岸的生物多样性 下降，特别是一些对人类有益或有潜在价值的物种消失。因此，为保持河流生态 系统的稳定，防止污染的进一步加重及水质恶化，对河道受污水体进行生态修复 十分必要i i - z 。 1 。l 。2 河道修复的发展趋势 随着控污技术的研究不断深入，人们已经掌握了很多生物一生态技术治理污 河海大学硕士学位论文 染水体【3 卅，且各有长处。目前国内外对河流和湖泊的内源污染治理研究较多【7 埘， 主要措旌有底泥疏浚、机械捞藻、化学杀藻、生化综合除藻、人工种养水生植物、 水产养殖等物理生态工程和生物调控等 9 _ 12 1 。 对于富营养化的控制，发达国家以控制营养盐为主，大多采取“高强度治污 一自然生态恢复”的技术路线，即控制外源磷污染负荷并配合生态恢复措施，在 这方面已经取得较大成效。生态恢复是在遵循自然规律的前提下，通过各种手段， 把退化的生态系统恢复重建到既可以最大限度地为人类所利用，又保持系统的必 要功能并使系统达到自维持的状态【1 3 】。c a i r n s l l 4 1 等将生态恢复的概念定义为：恢 复受损害生态系统到近于它受干扰前的自然状况的管理与操作过程，即重建该系 统干扰前的结构与功能及有关的物理、化学和生物学特征。 生态修复的概念自2 0 世纪7 0 年代提出以来，在美国、西欧等一些发达国家引 起广泛重视【1 3 1 ，国际上曾多次召开专题讨论会进行了一些相关性研究；一些国家 也开展了一系列的工程试验研究工作，并取得大量科研成果。2 0 世纪9 0 年代以来， 美国、西欧以及亚洲的中国、日本、韩国等国家对生态修复的研究也尤为重视， 并且实施了一系列的生态修复工程，使河湖的水质得到改善，保证了饮用水的饮 用，并相继开展了一系列生态工程的实验研究，也取得了大量的研究成果 1 5 - 1 8 】。 国际上治理修复污染水域的研究与技术发展趋势：在严格控制污染物排放总 量、以最大限度地减少水体中污染物负荷量的基础上，采用能达到标本兼治，水 体形成良性循环，使水域得以可持续发展的生物治理方法。而利用大型水生物( 植 物和动物) 治理修复污染水域技术的研究和开发是主要方向之一。 1 2 问题的提出 利用挂养河蚌和植物浮床这一集成技术治理富营养化水体不仅可以得到适 合河道受污水体治理的新技术，还可以营造良好的水上景观并获得一定的经济效 益，具有广泛的运用前景。尤其对我国这样的发展中国家来说，环境污染和生态 破坏都很严重，环保投入又很有限，这一技术提供了一种很好的污染治理手段。 过去常常采用单一的河蚌或浮床植物来净化水体，虽然取得了一定的效果， 但将在水体中不同空间分布的植物与底栖生物相结合的净化模式，目前尚属空 白。因此还需对该技术做进一步的研究，以求探索一种既经济又有效的防治新措 旌。 河海大学硕士学位论文 1 - 3 滤食性河蚌与植物浮床对受污水体净化技术的综述 1 3 1 国内外研究动态 滤食性贝类摄食生理的理论研究在近几年来已经取得了长足的发展，并在预 测水体养殖容量、估算个体生长和产量等实际应用中得到了较理想的效果眇2 0 1 。 我国是贝类养殖大国，几种主要的养殖贝类如栉孔扇贝、海湾扇贝、牡蛎、贻贝、 蛤仔等都是滤食性贝类，但我国对滤食性贝类摄食生理及生理能量学的研究十分 薄弱，研究的广度、深度和国际水平有相当大的差距。许多实际中出现的问题得 不到基础理论的支持，因而迫切需要系统地开展这方面的基础性研究。 石岩等报导河蚌、螺能降低氮磷等指标，对水体起到净化作用，可以有效地 降低水体n 、p 等营养盐，直接吸收水体矿物元素，甚至吸收、富集一些重金属 离子叫。水生植物在富营养化水体中的净化作用，国内外均开展过一定的研究 | 2 2 - 2 9 。戴全裕等指出，凤眼莲( e m a h o m i ac r a s s i p e ss o t m s ) 的根能吸收大量造成 富营养化的氮、磷、钾含量【3 0 l ；宋祥甫、邹国燕等利用浮床水稻治理富营养化水 域，也取得较好的效果1 3 ”。上述研究表明，高等水生植物与河蚌对氮、磷等污染 物有较好的去除效果，还具有抑制藻类的能力。 h u n d r e d t h 在对贻贝进行了流速对滤水率影响的试验中显示，流量在2 4 2 l h 时，河流流速对贻贝滤水率没有影响3 2 1 。凶此，如果在大型河流、外荡和 水库的进水区，水体具有一定动态的条件下，一方面利用湿地生态工程等截流法 控制外源营养盐流入，另一方面开展人工养蚌育珠，则可以使大湖区、大库区的 水体富营养化得到有效预防，同时还可获得较大的经济效益。 1 3 2 滤食性河蚌净水技术 国内外许多学者和研究人员致力于利用水生动物对水体中有机和无机物质 的吸收和利用来净化污水，尤其是利用生态系统食物网链叶| 的蚌、螺、草食性浮 游动物和杂食性鱼类来控制藻类的暴发，或直接吸收营养盐类、有机碎屑和浮游 植物，取得明显的效果p 3 8 】。对水生动物净化水体进行的实验研究表明湖水色度 变淡，氮、磷浓度降低，藻类被除掉，湖水透明度大大提高，水体变清。可见， 水生动物对净化水体具有显著的效果。 河海大学硕士学位论文 1 3 2 1 河蚌的摄食方式 关于贝类的摄食机制，经研究认为 贝类选食器官是鲴、唇瓣和食物选择盲 囊。以无齿蚌为例，其外形图及内部结 构分别见图1 11 3 9 。滤食性贝类则主要 靠鳃丝和其上着生的3 种纤毛( 前纤毛、 前侧纤毛、侧纤毛) 的组合运动来摄取 食物颗粒：侧纤毛摆动形成进水水流； 图1 1 河蚌外部特征图 前侧纤毛收集食物颗粒；前纤毛运输食物颗粒b o 。当含有食物颗粒的水流经过鳃 时，前侧纤毛就会以重力作用、阻挡等方式把颗粒过滤或截取下来，过滤下来的 颗粒被裹以黏液在前纤毛摆动下经鳃腹部的食物凹槽送到唇瓣，经唇瓣筛选的食 物颗粒如适宜( 大小合适、有机物含量较高) 则被吞食进入消化道：不适宜颗粒则 被以假粪的形式排出体外。这种机制称为黏渡纤毛作用。j a r g e n s e n 在1 9 9 0 年 的研究表明滤食性贝类还存在另外一种摄食机制【4 2 】：水动力学作用，即食物颗粒 随水流通过鳃丝到达鳃的背部，沿背部凹槽进入唇瓣。这两种摄食机制并不是相 互矛盾的，而是互为补充的关系，但是不管哪一种摄食机制黏液在摄食及食物颗 粒的选择过程中都具有重要的作用。 简单来说，贝类的即呼吸作用主要由鳃进行，水由水孔( 管) 进入外套腔， 靠鳃上的纤毛和身体其他部分的纤毛协同颤动，产生水流，而后由出水孔( 管) 排出，水流不仅带进氧气，也带进食物，粪便等排泄物则随水流从出水孔( 管) 排出。两个水孔( 管) 不断进出水，保证了河蚌正常生活的进行。 双壳类的食物对象主要以浮游藻类、细菌、腐屑和小型浮游动物为主。双壳 类虽是滤食性的，但对食物具有一定的选择能力。在入水孔( 管) 的入o t l 的周 围有许多小形的触手状突起。如果感觉流入的水，含有不利的物质或生物时，这 些突起便把孔口关闭。当环境恶化或遇敌害时，整个身体便缩进壳内，紧闭双壳 h 0 1 一 1 3 2 2 河蚌摄食生理的影响因子 近年来我国开始较多报道关于滤食性贝类摄食生理生态方面的研究，特别是 对几个环境因子如温度、流速、悬浮颗粒物等理化性质( 数量和质量) 以及饵料 河海大学硕士学位论文 的结构和浓度对摄食生理的影响进行了广泛而深入的研究【4 3 州】。 摄食率i r ( i n g e s t i o nr a t e ) 是反映滤食性贝类生理状况的一项动态指标，它 直接受到贝类所处的生物和菲生物因子的影响【4 5 1 。滤食性贝类摄食生理的影响因 子主要有： ( 1 ) 体重。体重是影响滤食性贝类摄食的重要因子之一。一般贝类的摄食 率随着体重的增加而增大，但随着单位体重的增加而增幅减少。研究表明清滤率、 摄食率和体重为幂函数关系h 5 】：y = a w b ，其中b 为重量指数，其值一般不超过1 。 ( 2 ) 温度。温度的变化对滤食性贝类的摄食有显著的影响。实验表明，在 适宜的温度范围内，摄食率、清滤率随着温度的升高以幂函数的形式增加【4 5 1 。并 在最适宜温度下达到一个最大值。温度再升高，摄食率和清滤率会急速下降。 ( 3 ) 饵料浓度。饵料浓度对摄食生理的影响一直是研究的热点。在适宜的 饵科浓度范围内，滤食性贝类的摄食率和清滤率随浓度的增加而增加，呈幂函数 关系【4 6 1 。超过一定的饵料浓度时，随浓度的增加其摄食率稍微降低，但变化比较 平缓，而清滤率却急剧下降，几乎达到零。 滤食性贝类的主要饵料是藻类，藻类的规格大小对贝类的摄食率高低有重要 的影响。小贝可能由于滤食器官未发育完善，较稀疏，导致对较小规格藻类滤取 效率低，因而表现出摄食率随藻类规格的增大而增加。而大贝则对藻类规格有选 择性，不同的贝类对藻类摄取都有相应最适宜的规格h 3 ，4 7 舶1 ，最适时摄食率也最 大。 ( 4 ) 调节机制。关于贝类对摄食率、清滤率的调节机制目前尚不能统一。 但是大多数学者认为，滤食性贝类本身可以根据环境的变化而作出相应的反应以 适应环境的变化，即对环境的变化具有生理补偿性【4 5 l ：贝类摄食率、清滤率随温 度、饵料浓度和质量等因子的变化而变化，这是贝类为适应环境而调节自身生理 性质的结果。 1 3 2 3 河蚌的滤水能力 滤水率是指单位时间内滤掉悬浮颗粒所占用的水体积，是反映滤食性动物生 理生态学状况的动态指标。滤水率对于贝类的养殖生产具有重要指导意义。参考 王芳 4 9 1 和杨晓新5 0 1 等计算海水贝类滤水率方法，可根据每个水槽放养河蚌的数 量( 干童量) 及浮游植物数量的变化计算河蚌的滤水率： 河海大学硕士学位论文 滤水率l g qh - 1 = 华芳 ( 乱1 ) 式中1 9 1h _ 1 为滤水率，c i 为起始藻类密度，c o 为结束时藻类密度，t 为试验持 续时间( h ) ，v 为试验水的体积，w 为试验河蚌软组织的干重量( g ) 。 方建光等【5 1 1 研究表明：规格2 0 0i r f f n 的泥蚶幼虫滤水率为3 4 2 3 7 0m l m i n ； 孙慧玲等5 2 1 在模拟自然水环境中测定了栉孔扇贝的滤水率，表明个体大小不同其 滤水率有较大差异，般在2 o 6 3 l h 。同样，一只2 龄以上的育珠贝，昼夜 的过滤水量为1 0 0 2 0 0 l 5 3 1 。如果放养2 5 0 0 0 i n d h m 2 育珠蚌，结果能使1 m 左右的 上层水在2 3 d 内过滤一遍，可见其效率是相当高的。 1 3 2 4 利用挂养河蚌净化水质的原理 河蚌是滤食性底栖动物，它主要滤食水体中单细胞藻类，也滤食轮虫、枝角 类、桡足类的幼体以及小型原生动物和有机碎屑并通过排粪作用把废物排入水 中，造成水体有机物堆积，从而使微生物活动加强，这些使得养蚌水域成为一个 独特的生态系统5 4 1 。 1 9 7 5 年，s h a p i r o 等最先提出了经典的生物操纵( b i o m a n i p u i a t i o n ) 理论【5 5 】， 即主要通过去除浮游生物食性鱼类( p l a n k t i v o r e ) 或添加肉食性鱼类 ( p i s c i v o r e s ) 来降低浮游生物食性鱼的数量，调控浮游动物的群落结构，促进滤 食效率高的植食性大型浮游动物，特别是枝角类的发展，从而提高浮游动物对浮 游植物的摄食效率，最终减少浮游植物生物量【5 6 1 ，这种方法也被称作食物网操纵 ( f o o dw e bm a n i p u l a t i o h ) 。 滤食性动物没有辅助摄食器官。主要以5 ( ) 1 0 0 0um 大小的微型生物和有机 碎屑为食，其中以浮游植物( 如硅藻、金藻、甲藻：绿藻等) 为主1 57 1 ，排泄出溶解 态氮磷，所以它们在水体生态系统的物质循环，尤其是磷循环和氮循环中，具有 重要作用；同时，贝类和浮游植物处于同一生态环境中，不仅存在贝类对浮游植 物的摄食和促长双重作用，而且浮游植物的数量变动也直接影响贝类的生长发育 5 8 - 5 9 1 。 此外，水层吊养了珍珠蚌后，网绳、网袋( 夹) ，泡沫浮予和蚌壳上很快会附 着丝状藻类、原生动物、腔肠动物、多孔动物等多种附着生物。附着丝状藻类能 直接吸收水体营养盐，原生动物中的圊着纤毛虫和低等多细胞动物( 腔肠动物、 多孔动物) 均可以滤食浮游植物和有机碎屑。在水体表层2 0 4 0 c m 之问形成的这 河海大学硕士学位论文 一生物新群落，参与了吸收水体营养盐、滤食藻类的生物净化作用，使水体透明 度、营养盐结构发生了变化，同时水体藻相也出现了有益的变化。 1 3 2 5 经济效益 以挂养河蚌来控制水体富营养化，可以实现以水养水、以水治水的目的，并 有望获得可观收益：贝壳，可作贝画，或磨粉后配制成优良的畜禽饲料等：鲜贝 肉，可开发作饲料。至于鲜贝肉到底是否可以为人们所食用，还需进一步鉴定。 由于其水质不完全符合渔业水质标准唧1 ，这里建议作其它动物的添加剂饲料为 好。可见，利用河蚌来净化污染水体的同时，还拥有可观的经济收益，这一技术 具有广阔的发展前景。 1 3 3 植物浮床净水技术 许多水域由于污染负荷重，富营养化严重，藻类恶性繁殖，形成水华，水色 混浊，严重影响景观和卫生。而且某些水华藻类还具有藻毒素( 产生藻毒素的主 要藻类有微束藻、鱼腥藻等，尤其微束藻产生的三种藻毒素：m i c r o c y s t i s l r ， r r ，y r 毒性较大) ，它将会给人体健康带来很不利的影响。为了控制藻类生长， 一般采用化学药剂如硫酸铜。虽然可用药杀藻，但是治标不治本，而且药物本身 也是污染物质，不易多次使用 6 1 - 6 2 】。利用高等水生植物来克藻，投资少、见效快、 效果好，可以同时绿化水面、美化环境、净化水质的功效，值得推广。主要由于 其根系可向水体中分泌高分子有机物，这些物质能够伤害或杀死某些藻类以及大 肠杆类，对治理富营养化水体起到重要作用。 生物浮床技术就是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生 植物无土种植到富营养化水域水面上，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞 争相克机理，削消减水体中的氮、磷及有害物质，从而达到净化水质的效果，同 时又可营造水上景观【6 3 1 。 1 3 3 1 净化机理 面对目益严重的全球性水环境问题，利用植物特别是陆生植物净化污水被认 为是一种廉价而有效的水污染控制技术，国内外对此进行了诸多有益的尝试，在 植物的净化效果、净化机理等方面取得了一定的进展 6 4 - 6 5 1 。 ( 1 ) 植物吸收 被植物直接吸收的污染物包括两大类：( 1 ) 氮、磷等植物营养物质；( 2 ) 对水 河海大学硕士学位论文 生生物有毒害作用的某些重金属。第一类被吸收后用以合成植物自身的结构组成 物质，第二类则富集在植物的各个部位内，尤其是根部。如戴全裕等在8 0 9 0 年代从净化含银废水和含金废水中的植物残体内，提炼出了白银和黄金，实现了 真正的污水资源化 2 2 , 3 0 , 6 6 1 。 大型水生植物可以直接从水层和底泥中吸收氮、磷，并同化为自身的结构组 成物质( 蛋白质和核酸等) ，同化的速率与生长速度、水体营养物水平呈正相关， 并且在合适的环境中，它往往以营养繁殖方式快速积累生物量，而氮、磷是植物 大量需要的营养物质，所以对这些物质的固定能力也就非常高。由于大型水生植 物的生命周期比藻类长，死亡时才会释放这些营养物质，因此，氮、磷在其体内 的储存比藻类稳定 6 7 4 8 1 ，所以可通过在富含氮、磷等营养物质的污水中种养水生 植物，达到使污水脱氮除磷的目的，同时又可收获大量对人类有益的生物资源并 美化环境。 植物对重金属具有两种特性：一种是主动吸收，而另一种则是被动吸收。环 境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的，并且达到一定程度后具有 毒害作用，对于此类化合物，一些植物也演化出了特定的生理机制使其脱毒。植 物通常是通过螯合和区室化等作用 6 9 1 来耐受并吸收富集环境中的重金属，这种机 制也存在于许多水生植物中。 ( 2 ) 微生物降解 与其他的生物处理系统一样，在以大型水生植物为核心的污水处理系统中， 微生物对各种污染物的降解仍然起着重要的作用。污水中可被生物降解的有机物 ( 通常以b o d 来表示) 主要由于微生物的代谢活动被去除7 0 l ；氮的去除，尽管有植 物的吸收，硝化和反硝化作用仍是主要的去除机制( 约4 0 9 2 ) 7 h 。系统中 永生植物根际区域为微生物代谢提供了所需要的微环境。水生植物为了满足淹没 于水中根部的呼吸需要，可以通过体内发达的通气系统使氧从茎叶向根处转移， 呼吸消耗剩余的氧气，就会直接释放到水中，在根区附近形成有氧环境；同时， 根系也可以作为微生物附着的良好的界面，植物的根系还可分泌一些有机物从而 促进微生物的代谢，这样就为好氧微生物群落提供了一个适宜的生长环境，而根 区以外则适于厌氧微生物群落的生存，进行反硝化和有机物的厌氧降解7 2 1 。因此， 尽管微生物起着直接的作用，但植物的作用也是不可缺少的，植物的生理代谢活 动直接关系到污染物的降解。 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 物理化学作用 处理系统中也有- - + 部分污染物通过物理化学作用被去除，主要有挥发、吸 附和沉降。 1 3 3 2 植物选择与浮床设计的原则 在植物浮床技术中，植物处于核心她位，它的光合作用使系统可以直接利用 太阳能；而植物的生长带来的适宜的栖息环境，使多样化的生命形式在系统中的 生存成为可能，并且正是植物和这些生物的联合作用使污染物得以降解，因此， 这类系统通常被称为自然处理系统或人工生态处理系统【5 2 】。在植物的选择方面， 应尽可能满足以下原则：( 1 ) 适宜水系水质条件的水生或陆生植物品种，并对 当地气候、水文等条件有较好的适应能力；( 2 ) 根系发达、根茎分蘖能力强， 即个体分株快；( 3 ) 植物生长快、生长量大；( 4 ) 植株优美，具有一定的观赏 性，且具有栽培容易，管理、收获方便，同时有一定的经济价值和景观效应等特 点。 浮床的设计原则为：( 1 ) 材质比重小，绿色环保，防腐蚀，耐老化，可反 复多次使用；( 2 ) 浮床载体具有较好的强度，能抵抗较大风浪冲击；( 3 ) 采用 柔性连接，使浮床整体能随水体卜下浮动：( 4 ) 浮床植物栽种空穴，应满足植 物生长期种植密度要求【6 引。 与传统的微生物处理方式相比，利用植物净化水体的优势之处在于：低投资、 低能耗、处理过程与自然生态系统有着更大的相融性等。缺点在于：处理时间长、 占地面积大及受气候影响严掣58 1 。水生植物的生长易受季节的影响，这就要求选 择出喜温及耐寒的水生植物种类，在不同的季节用于净化。水生植物对污水的净 化率与其生长状况有关。夏、秋季节，许多喜温水生植物处于生长旺盛期，同时 也表现出较高的净化效率，这是由于水生植物的净化能力与其自身的生长状况及 新陈代谢有关。深秋和冬季，许多喜温水生植物已处于衰老和死亡阶段，自然会 失去其净化能力。但对于而寒植物来说，情况却相反，在寒冷季节对废水中污染 物有较高的净化率。因此，可以充分利用这两类习性不同的水生植物对废水进行 净化处理，以解决冬季污水净化的问题。 当水生植物群体长到一定的覆盖度和生物量时，可定期以一定比例的量进行 合理收割而移出水面，在无毒的有机污染水体中，浮床植物的残体可以作优质的 饵料和肥料，且载体面积可人为控制，植物不会无限扩展而造成二次污染。目前 河海大学硕士学位论文 国内外广泛采用此技术来净化、绿化和美化水面，发展前途十分广阔。 1 3 4 滤食性河蚌与植物浮床集成净水技术 对于水生植物及河蚌在富营养化水体中的净化作用，国内外均已进行了一定 的研究与探索，但是利用植物浮床与挂养河蚌相结合的集成技术尚未且少有报 道。利用水生植物治理富营养化水体具有成本低、能耗小、治理效果好、对环境 扰动小等优点，在时空分布上，该技术属于重污染水体净化的一种主体净化模式。 因此采用植物浮床与挂养河蚌相结合的集成技术则具有较好的经济效益和较高 的美化环境价值，有利于整体生态环境的改善。 生物多样性，简单说是生命有机体及其赖以存在的生态复合体的多样性和变 异性，确切说是所有生物种类，种内遗传变异和它们的生存环境的总称【7 2 1 。人类 的生存和发展，归根到底都依赖于自然界各种生命资源的总汇，生物多样性是人 类社会赖以生存与发展的基本物质的主要来源。河流生态系统的好坏与物种多样 性的丰富度密切相关。河流生态系统的恢复，不仅要注重水质的恢复，更要注重生 物多样性的恢复。保护河流生态系统生物群落的完整、恢复河流生物多样性，对 于实现水生态良性循环起着关键作用。所以，利用植物浮床和滤食性动物河蚌净 化污染河道不仅可以改善受污河道水质，还可以实现河道的生物多样性。当然， 对污水进行综合利用，减少污染源的排放，利用有益生物进行生态防治进行生态 养殖，才是解决水质恶化的最终出路1 6 8 。 1 4 研究目的与意义 本论文依据前人所做的研究及存在的不足，依托国家十五重大科技专项“苏 州市城市水环境质量改善技术研究与综合示范”项目，针对苏州古城区污染河道 的污染负荷重、透明度及溶解氧低、有机悬浮物含量高的实际情况，较系统地开 展了利用植物浮床与河蚌复合技术对苏州古城区污染河水的净化效果及净化规 律的研究。 论文旨在利用河蚌滤食水体浮游生物、有机碎屑的超强能力，以及通过浮床 植物对水体中进行脱氮除磷的作用，在实现生物多样性的同时，寻求经济有效的 水体富营养化防治新措施。并对植物浮床、滤食性动物的研究和应用尚存在的一 些问题进步探索，为示范工程中的实际应用提供了一定的理论依据，从而为削 河海大学硕士学位论文 减古城区河流污染找到一条新的治理途径。 1 5 主要研究内容 本论文结合了室内、外试验，主要利用植物浮床和滤食性动物河蚌研究受污 河道的水环境质量改善技术，探索一种既经济又有效的水体富营养化防治新措 施。其主要研究内容如下： ( 1 ) 河蚌种类及规格的选择。利用不同种类规格的河蚌对污染水质进行净 化试验，得出净化效果最佳的河蚌，以期为污染河道选择较为合适的河蚌种类与 规格。 ( 2 ) 河蚌挂养方式的研究。在植物浮床下挂养河蚌，通过河道现场试验及 室内静态试验分别确定利用河蚌净化水质的最佳水深和最佳挂养密度。找出挂养 河蚌的水深、河蚌放养密度与污染物质去除率之间的定量关系，研究出合理有效 的河蚌挂养方式；同时对河蚌的摄食情况进行了初步研究。 ( 3 ) 挂养河蚌与植物浮床集成技术对污染河水的净化效果研究。利用静态 模拟试验研究河蚌在植物浮床下对水质的净化规律，同时分别与仅采用植物净化 技术、仅挂养河蚌技术对水质的净化效果相比较，从而为这一新型集成结合技术 的应用提供科学依据。 ( 4 ) 总结河蚌对水质的净化作用，尤其是对污水透明度的改善效果，并且 研究分析利用滤食性动物净化水质的作用机理，及河蚌自身的生物量变化。论证 设计方案的正确性与可靠性，为受污河道水环境质量改善提供一整套较为成熟的 技术参考方案。 1 6 技术路线 本论文的研究技术路线如图1 2 所示 河海大学硕士学位论文 阅读文献了解国内外研究动态 苏州重污染河道水体的调查 上 研究项目的选择与确定 上 河蚌挂养 0 l河蚌种类与规格的选择试验 植物浮床 上 河蚌与高羊茅草坪相结合 的净化试验 上 滤食性河蚌与浮床植物集成技 l术立体净化模式研究 上 i试验结果分析，得出结论 图1 2 研究技术路线 2 河海大学硕士学位论文 2 1 试验材料 第二章材料与方法 2 1 1 试验河蚌 河蚌属于无脊椎动物中软体动物的瓣鳃纲淡水双壳类，是湖泊等水体生态系 统中的重要组成成份。除少数双壳类营固着生活外，大多数种类栖息于水底借助 斧足作缓慢的行动，同时挖掘泥沙使身体部分或全部隐藏在泥沙中。生活于我国 的江河、湖泊、池塘、水库中的淡水蚌约有1 0 0 多种，试验中选择苏州一带较为 常见的两种河蚌( 见表2 1 ) 。 表2 1供试河蚌的种类及其特性 对水质的 跫 科属形态特征生态习性 要求 俗称鸡冠蚌，外形略呈不等边 遍布全国各地， 三角形，因其背缘向上扩展成 广泛分布于长江 冠状，且后背部冠下有一系列中下游地区泥浅 褶纹冠蚌 珠蚌科， 褶纹而得名。壳人而薄，表面而带沙质的湖 ( c r i s t a r i a 籍蚌属 深黄绿色至黑褐色，外形略呈泊、河流与池塘 较低 p l i c a l a )不等边三角形，腹绿平直，中 中，喜栖息于水 央略向内凹，壳背有1 0 条纵肋流缓慢，水质肥 褐纹，顶上有数条肋脉，绞合 沃的水域中，适 齿不发达。宜p h 为5 7 。 具有两瓣卵圆形外壳，左右同 为最常见的淡水 形，壳项突出。壳前端较圆， 蚌，分布于全国 背角无齿蚌 的大部分地区， 后端略呈截形，腹线弧形，背 喜在水流较缓或 ( 爿n o d a n t a 珠蚌科，线平直。绞合部无齿，其外侧 静水、泥底或泥较高 w o o d i a n a 无齿蚌属 有韧带，依靠其弹性，可使二 沙底的河流、池 p a c i f i c 口( h e u 壳张开。壳面生长线明显，背 d e ” 塘中生活，p h 在 缘有一小角状突起，表面为黑 4 5 95 2 _ 间均 褐色。 可。 2 1 2 试验植物 根据浮床植物的选择原则，本研究试验中分别选择了高羊茅和梭鱼草与河蚌 搭配净化受污水体，其形态特征及特性见表2 2 。 河海大学硕士学位论文 表2 2供试植物的种类及其特性 科属形态特征生态习性用途 适应性强，生活力、生 丛生型禾草，高8 0 1 0 0 长势、抗践踏能力亦 厘米。须根发达，入土较 强。抗寒，也较抗热，生长较 高羊茅禾本科羊 深。秆直立光滑。叶片较 冬季在一1 5 低温下可快，耐践 ( 凡s t u c a茅属，多 宽，线形，先端长渐尖， 安全越冬，夏季可忍耐踏性强， a r u d i n a c e a s年生草本 脊背光滑，大多扁平，长 3 8 高温。耐干旱，也多用于一 1 5 2 0 厘米，宽2 7 厘米。 耐潮湿。在p h 值4 7 般性的地 s c h r e b ) 植物9 0 的土壤上都能生面覆盖和 圆锥花序，直立或下垂。 颖果。种子长3 4 4 2 毫 长，最适宜的p h 值为 保土草坪 5 5 7 0 。喜阳，也耐的建植。 米。 半阴。耐修剪，但不耐 低剪。 植株高3 0 1 2 0 厘米，叶 柄绿色，圆筒形，叶片较可用于家 大，长可达2 5 厘米，宽可喜光照、喜肥、耐高温、庭盆栽、 达1 5 厘米，深绿色，叶形较耐水淹、稍耐阴、不 池栽，也 梭鱼草雨久花科多变。大部分为倒卵状披耐低温，静水及水流缓可广泛用 ( p t e d e r i梭鱼草 针形，叶面光滑，花序顶慢的水域中均可生长。于园林美 al a n c e o t o t a 属，浅水生，穗状，长约1 0 一2 0 厘梭鱼草生长迅速，繁殖化，栽植 上i n h ) 挺水植物米，上有密生小花数百朵，能力强，条件适宜的前于河道两 花蓝紫色，上方硼花瓣各提f ，可在短时间内覆侧、池塘 有两个黄绿色斑点，花葶盖大片水域。四周、人 直立通常高出叶面，花工湿地。 期5 1 0 月。 2 2 试验仪器与试剂 仪器主要包括：u v 一1 2 0 1 紫外可见分光光度计、灭菌高压锅、n i k o n 显微 镜、0 1 m l 计数框、烘箱、冰箱、冷凝回流管、千分之一天平、万分之一天平、 纯水蒸馏器、抽滤装置( 用于c h l a 的测定) 、真空泵、o 4 5 1 a m 的微孔滤膜、滴 定装置( c o d 、d o ) 、德国夸克便携式溶氧仪o x 2 4 、浊度仪、电炉、温度计、 玻璃珠、比色管等玻璃仪器等。 试剂主要包括：浓硫酸、盐酸、氢氧化钠、过硫酸钾、硝酸钾、抗坏血酸、 硫酸银、硫酸亚铁铵、硫酸汞、试亚铁灵、钼酸铵、酒石酸锑氧钾、磷酸二氢钾、 碘化钾、碘化汞、酒石酸钾钠、氯化铵、高锰酸钾、丙酮、硫代硫酸钠等。 河海大学硕士学位论文 2 3 分析项目与方法 2 3 1 水质指标 本研究所采用的水质指标分析方法均按国家环境保护总局编制的水和废水 监测分析方法( 第四版) 中的方法执行，具体水质指标及分析方法见表2 3 。 表2 1 3 水质指标分析项目及方法【7 4 】 序号分析项目测定方法主要仪器 过硫酸甲氧化紫外分光光u v 一1 2 0 1 紫外 l 总氨( t n ) 度法 可见分光光度计 u v 一1 2 0 1 紫外 2 氨氨( n i h + - n )纳氏试剂光度法 可见分光光度计 3总磷( t p ) 铝锑抗分光光度法 u v 一1 2 0 1 紫外 可见分光光度计 化学需氧量 4 重铬酸钾滴定法冷凝回流管 ( c o d ) 5 溶解氧( d o )德国夸克便携式溶氧仪o x 2 4 6 温度水银温度计 7 浊度浊度仪 2 3 2 藻类及微生物指标 藻类可以分别用藻类计数法和浮游植物口l - 绿素a ( c h l a ) 来表示。 ( 1 ) 藻类计数法 藻类个体计数采用的是浮游生物定量方法。吸取0 1 m l 样品( 预处理后) 注 入0 1 m l 计数框，在1 0 x 4 0 倍或8 x 4 0 倍显微镜下计数，藻类计数1 0 0 个视野，最后 耿两片计数的平均值。藻类数量的计算公式如下： ：旦。堡j d o 浓度( 成年褶纹冠蚌) d o 浓度(