（分析化学专业论文）富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究.pdf

1 ) ij l 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在 年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：盗笙日 导师签名：壮日 期_ ) o l o , ”里 期：塑丝! 塑 j 富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究中文摘要 中文摘要 水体富营养化问题日益严重，已经成为我国水环境当前面临的主要问题之一。 近年来，人们开始从生态角度研究水体修复技术，致力于消除人类活动对湖泊、 水库系统的不利影响，并做了大量的工作。然而，要使一个退化水体恢复到自我 维持、自我发展的良好状态是一项长期而艰巨的任务，其不仅涉及到许多技术手 段和修复方法，而且需要多种方法与技术的优化、配合才能取得较好的效果。本 文探讨了富营养化水体藻华打捞和植物修复的生态效果及影响因素，包括温度对 藻类矿质化的影响，疏浚程度对藻类矿质化规律的影响，单一植物修复时加入废 水量不同的影响，多种植物联合修复的影响等。这对富营养化水体藻华的打捞的 生态效应做出了评估，对打捞的时机做出了理论的指导，为各种植物的修复的搭 配提出了合理化的建议。 本文通过大量的实验，得出以下重要结论： 富营养化水体中的藻华是氮磷的富集器，太湖打捞藻样中的总氮、总磷、游 离磷及有机物含量分别为9 8 8 7 9 k g 、3 2 5 9 k g 、0 2 1 9 k g 和9 5 6 5 。在底泥中沉降 藻类的矿质化周期在1 3 、2 3 与3 3 下分别为1 0 d 、1 3 d 和1 5 d ；且其向上覆水 中释放n ，p 的强度具有随水温升高而增强的趋势。但在水层厚底泥比不同的区域， 这种营养物释放强度又存在显著的差异。实验证明藻类的打捞是一种人工延长食 物链去除氮磷等污染物的有效方法。 修复植物的生长状况与达标废水的排放比例相关。废水中存在的氮、磷等元 素为修复植物的生长提供了丰富的营养物质，有利于植物的生长，但同时，加入 废水的比例过大，则会使修复植物受到的胁迫作用过大，从而使植物细胞膜受到 损伤，抑制植物的生长，严重时还会导致植物死亡。 达标废水虽然达到了排放标准，但对于受纳水体来说，依然具有一定程度的 污染和冲击，能够使水中的氮、磷等营养物浓度增加；随着达标废水排放比例的 增加，水中有机物及氮、磷含量也随之增大。体系水中叶绿素含量及微藻细胞密 度基本随疏浚程度的加大而减少，然而过量疏浚时水中叶绿素含量迅速增高表明 了过量疏浚给系统带来了不可逆性损伤，破坏了水生生态系统的平衡，使水质下降。 相对于单一植物的修复而言，两种植物联合修复时水中c o d 、总氮、总磷含 中文摘要富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究 量的变化都更稳定，波动性也更小。当体系中底泥所占的比例变小即疏浚程度增 加时，由于清除了大量的底泥，同时带走了底泥中大量的氮、磷等营养物质，从 而减少了底泥的内源释放，致使水中的c o d 、总氮、总磷含量均呈现出下降的趋势。 不同种修复植物相互搭配联合修复时，生长状况会受到彼此的影响，体系中 水里的c o d 、总氮、总磷含量也有所不同。其中，伊乐藻和聚草的生长状况最为 稳定，生长率也较高。对比各个体系水中的总氮、总磷、c o d 含量发现，水网藻 作为先锋植物单独用于修复水体效果最佳。 关键词：富营养化；藻华打捞；植物修复；疏浚；达标排放水 作者：潘攀 指导老师：刘德启 t h e e c o l o g i c a le f f e c ta n d i n f l u e n c ef a c t o r so f a l g a e s a l v a g ea n dp h y t o r e m e d i a t i o ni ne u t r o p h i cw a t e r a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni sb e c o m i n gm o r es e v e r i t yd a yb yd a y i th a sc u r r e n t l yb e c o m eo n e o ft h em a i nw a t e re n v i r o n m e n ti s s u e s i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eb e g a nt os t u d yo n t e c h n i q u e so fw a t e rr e c o v e r yf r o me c o l o g i c a lp o i n t a n dc o m m i t t e dt oe l i m i n a t et h e a d v e r s ee f f e c t so fh u m a na c t i v i t i e so nt h el a k ea n dr e s e r v o i rs y s t e m s t h e yh a v e d o n ea l o to fr e s e a r c hw o r ko ni t h o w e v e r , i ti saf o r m i d a b l em i s s i o nt h a tw i l lt a k eal o n gt i m e t or e c o v e r yt h ee u t r o p h i cw a t e rt oas e l f - s u s t a i n i n gc o n d i t i o n i tn o to n l yi n v o l v e sm a n y t e c h n o l o g yi n s t r u m e n t sa n dr e c o v e r ym e a s u r e s ，b u ta l s on e e d so p t i m i z a t i o na n d c o o p e r a t i o ns ot h a ti tc a l lg a i nab e t t e re f f e c t i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s s e dt h ee c o l o g i c a l e f f e c ta n di n f l u e n c ef a c t o r so fa l g a es a l v a g ea n dp h y t o r e m e d i a t i o n i tc o n t a i n st h ee f f e c t o ft e m p e r a t u r et ot h ea l g a em i n e r a l i z a t i o n ，t h ee f f e c to fd r e d g i n gt oa l g a em i n e r a l i z a t i o n ， t h ee f f e c to fw a s t e w a t e rv o l u m et op h y t o r e m e d i a t i o nb yo n ek i n do fh y d r o p h y t e s ，t h e e f f e c to fp h y t o r e m e d i a t i o nb ym a n yk i n d so fh y d r o p h y t e sa n ds oo n t h e r e f o r e ，t h e e c o l o g i c a le f f e c to fa l g a es a l v a g ew a se v a l u a t e d ，t h et i m i n go fa l g a es a l v a g ew a s p r o v i d e d ，t h ea d v i c et h a ta b o u th o wt oc h o o s ea n dc o l l o c a t et h eh y d r o p h y t e sw a s o f f e r e d t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h e r ew e r es o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa sf o l l o w ： n l ea l g a ei n t h ee u t r o p h i cw a t e rw e r ea ne n r i c h m e n to r g a no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r t h et o t a ln i t r o g e n , t o t a lp h o s p h o r , d i s s o c i a t i v ep h o s p h o ra n do r g a n i cm a t t e r c o n t e n ti nt h ea l g a es a m p l es a l v a g e df r o ml a k et a i h uw e r e9 8 8 7 9 k g 、3 2 5 9 k g 、 0 21g k ga n d9 5 6 5 i nt h es e d i m e n t ，t h em i n e r a l i z a t i o np e r i o do ft h ea l g a ew a s lo d a y s ，13 d a y sa n d15 d a y sa t13 ( 2 、2 3 a n d3 3 r e s p e c t i v e l y t h ei n t e n s i t yt h a tt h e a l g a er e l e a s e dn ，pt ot h ew a t e re n h a n c e d 埘t ht h et e m p e r a t u r er i s i n g b u ti nt h e d i f f e r e n ta r e a , t h ei n t e n s i t yw a sd i f f e r e n te v i d e n t l y i tw a sp r o v e dt h a ta l g a es a l v a g ew a s a ne f f e c t i v ew a yt op r o l o n gt h ef o o dc h a i na n dr e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r i i i t h eg r o w t hs t a t eo fh y d r o p h y t e sh a dt od o 、析t l lt h ep r o p o r t i o no fd i s c h a r g i n g w a s t e w a t e r a b u n d a n tn u t r i m e n t sw e r es u p p l i e dt ot h eh y d r o p h y t e sb yn i t r o g e na n d p h o s p h o ri nt h ew a s t e w a t e rt h a tw e r eb e n e f i c i a lt oh y d r o p h y t e sg r o w t h b u t ，a tt h es a m e t i m e ，i ft h ep r o p o r t i o no fd i s c h a r g i n gw a s t e w a t e rw a so v e rs i z e ，t h ee x c e s s i v es t r e s so f h y d r o p h y t e sw o u l di n j u r yt h ec e l lm e m b r a n eo ft h eh y d r o p h y t e s ，s t u n tt h eh y d r o p h y t e s g r o w t he v e nc a u s ed e a t h a l t h o u g ht h ew a s t e w a t e rw e r eu pt ot h ed i s c h a r g i n gm a r k ，i tp o l l u t e da n di m p a c t e d t h er e c e i v i n gw a t e r ，i n c r e a s e dt h ec o n t e n to fo r g a n i cm a t t e r 、n i t r o g e na n d p h o s p h o r t h e c o n t e n to fo r g a n i cm a t t e r 、n i t r o g e na n dp h o s p h o ri nt h ew a t e ri n c r e a s e dw i 廿lt h e p r o p o r t i o no ft h ew a s t e w a t e ri n c r e a s i n g t h ec h l o r o p h y l lc o n t e n ta n dt h ea l g a ec e l l s d e n s i t yd e c r e a s e dw i mt h ed e g r e eo fd r e d g ed e e p e n i n g h o w e v e r , e x c e s s i v ed r e d g e m a d et h ec h l o r o p h y l lc o n t e n ti n c r e a s e dg r e a t l y ，a n dt h e nb r o u g h tt h es y s t e mi r r e v e r s i b l e d a m a g e ，b r o k et h ew a t e rs y s t e mb a l a n c e ，d e g r a d e dt h ew a t e rq u a l i t y i tw a sm o r es t a b l ea n dl e s sf l u c t u a t et h a tw h e nm o r ek i n d so fh y d r o p h y t e s r e s t o r i n gt h a no n l yo n ek i n d a st h ep r o p o r t i o no ft h es e d i m e n ti nt h es y s t e mr e d u c e d ， t h ed e g r e eo fd r e d g ed e e p e n e d ，t h ec o n t e n t so fc o d 、n i t r o g e na n dp h o s p h o ri nt h ew a t e r d e c l i n e d b e c a u s et h en i t r o g e na n dp h o s p h o ri nt h es e d i m e n tw e r et a k e ni nq u a n t i t y w i 廿lt h es e d i m e n tr e m o v e d ，a n dt h e ne n d o g e n o u sr e l e a s i n gw a sr e d u c e d t h eg r o w t ho ft h eh y d r o p h y t e sc o u l db ei n f l u e n c e db ye a c ho t h e rw h e nd i f f e r e n t k i n d so fh y d r o p h y t e sw o r kt o g e t h e r t h ec o n t e n t so fc o d 、n i t r o g e na n dp h o s p h o ri n t h e w a t e rw e r ee n t i r e l yd i f f e r e n tt o o t h e r e i n t o ，t h eg r o w t ho ft h ew a t e r w e e da n dt h e m y r i o p h y l l u ms p i c a t u mw e r em o s ts t a b l ea n df a s t e r c o n t r a s tt h ec o n t e n t so fc o d 、 n i t r o g e na n dp h o s p h o ri nt h ed i f f e r e n tw a t e rs y s t e m s i tc o u l db ef o u n dt h a ti tw a s o p t i m a lt h a tu s i n gt h eh r e t i c u l a t u mt or e s t o r ee u t r o p h i cw a t e rf i r s t k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n , a l g a es a l v a g e ，p h y t o r e m e d i a t i o n , d r e d g e ，d i s c h a r g i n g w a s t e w a t e r w r i t t e nb y ：p a np a n s u p e r v i s e db y ：l i ud e q i i v 目录 第一章前言”1 1 1 水体污染与富营养化”1 1 1 1 水体主要污染物及其来源1 1 1 2 水污染的生态环境危害3 1 1 3 我国水污染现状与水体修复的必要性4 1 2 水体修复技术发展现状- 5 1 2 1 物理方法5 1 2 2 化学方法7 1 2 3 微生物修复技术7 1 2 4 植物修复技术8 1 2 5 其他修复技术1 0 1 3 影响水生植物修复的因素1 2 1 3 1 环境因子1 2 1 3 2 植物类型和群落构成1 3 1 4 课题研究的意义、内容及技术路线1 4 第二章实验方法1 6 2 1 实验体系的建立1 6 2 1 1 藻类矿质化规律实验l6 2 1 2 疏浚对藻类矿质化的影响1 6 2 1 3 排放水对单一植物修复效果的影响1 7 2 1 4 排放水对两种植物联合修复效果的影响”1 8 2 1 5 不同种修复植物联合修复效果的影响1 8 2 2 样品采集与分析方法：1 9 2 2 1 样品采集方法”1 9 2 2 2 样品分析方法l9 2 3 指标测定方法“1 9 2 3 1 水质指标测定方法1 9 2 3 2 藻类生长指标的测定”2 0 2 4 实验仪器与主要试剂2 0 第三章水华打捞的生态效果及其影响因素分析2 2 3 1 “水华”样品与底泥样品的组分分析2 2 3 2 死亡藻类的矿质化规律2 2 3 2 1 温度对藻类矿质化的影响2 2 3 2 2 疏浚对藻类矿质化的影响2 4 第四章植物修复的生态效果及其影响因素分析2 8 4 1 排放水对单一植物修复效果的影响一2 8 4 1 1 排放水对伊乐藻生长的影响2 8 4 1 2 排放水对伊乐藻生根过程的影响2 9 4 1 3 排放水对伊乐藻的胁迫效应一3 1 4 1 4 单一植物修复的水质变化3 1 4 1 5 单一植物修复中底泥营养盐的积累”3 3 4 1 6 单一植物修复水中叶绿素及微藻密度的变化3 5 4 2 排放水对两种植物联合修复效果的影响3 6 4 2 1 排放水对伊乐藻和水网藻生长的影响一3 6 4 2 2 排放水对两种联合修复植物的胁迫效应3 8 4 2 3 两种植物联合修复对水质变化的影响”3 9 4 2 4 两种植物联合修复对底泥营养盐积累的影响4 1 4 2 5 两种植物联合修复对水中叶绿素及微藻细胞密度的影响4 3 4 3 不同种修复植物共同存在的相互影响4 4 4 3 1 不同种修复植物共存时各植物的生长状况”4 4 4 3 2 排放水对不同修复植物的胁迫效应4 4 4 3 3 不同植物修复植物共同存在时的水质变化4 5 结论4 8 参考文献5 0 公开发表论文5 7 致 射5 8 富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究第一章前言 第一章前言 1 1 水体污染与富营养化 1 1 1 水体主要污染物及其来源 水是地球的重要组成部分，也是生物机体不可缺少的组分。是人类与生物体 赖以生存的重要物质，也是人类社会、经济发展的基础物质之一。然而近年来我 国经济与人口快速增加，污水排放总量也在迅速增加，从2 0 0 0 年的4 1 5 2 亿吨增 加到2 0 0 5 年的5 2 4 5 亿吨，2 0 0 6 年达到5 3 6 8 亿吨，同比增加2 3 【蚴。水资源 的污染问题显得日益严重。再加上意识的淡薄，人为的破坏，致使水体的污染问 题更加突出，已成为制约当地社会、经济可持续发展的重要影响因素。 水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性 的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶 化的现象称之为水污染。水污染可根据污染物质的不同而主要分为化学性污染、 物理性污染和生物性污染三大类。 ( 一) 化学性污染 1 无机污染物质：污染水体的无机污染物质有酸、碱和一些无机盐类。酸物质 主要来自矿山排水和工业废水。含酸多的工业废水主要有酸洗、粘胶纤维、染料 及酸法造纸等。雨水淋洗含二氧化硫较多的空气后，流入水体也能引起酸的污染。 碱污染主要来自碱法造纸、炼油、制革、制碱等工业废水。酸碱污染使水体p h 值 发生变化，抑制或杀灭细菌和其他微生物的生长，妨碍水体自净作用，还会腐蚀 船舶和水下建筑，影响渔业，破坏生态平衡。一些工业废水中还常含无机盐类， 他们排入水体后将提高水的硬度和增加水的渗透压，降低水中的溶解氧，对淡水 生物产生不良影响。 2 无机有毒物质：污染水体的无机有毒物质主要是重金属等有潜在长期影响的 物质，其中汞、镉、铅等危害较大，其他还有砷( 特别是三价) 、铬( 六价) 、硒 ( 四价、六价) 、钡、钒、氰化物、氟化物等。有毒重金属在自然界中一般不会自 行消失，却可能通过食物链而积累、富集，以致会直接作用于人体而引起严重的 疾病或促使慢性病的发生。 3 有机有毒物质：污染水体的有机有毒物质种类很多，主要是各种有机农药、 1 第一章前言 富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究 多环芳烃、芳香胺等。这些物质来自农田排水或工业废水，如焦化、染料、农药、 塑料等。它们之中很多是自然界中本来没有而经人工合成的物质，化学性质很稳 定，很难被生物所分解，很多还是致癌物质，对人体健康具有很大的威胁。 4 需氧污染物质：生活污水、牲畜污水和某些工业废水中所含的碳水化合物、 蛋白质、脂肪和酚、醇等有机物质可在微生物的作用下进行分解。在分解过程中 需要消耗氧气，故称为需氧污染物质。需氧污染物质排入水体过多，将会大量消 耗水中的溶解氧，造成溶解氧缺乏，从而影响水中鱼类和其他水生生物的生长。 水中的溶解氧耗尽后，有机物将进行厌氧分解而产生出大量硫化氢、氨、硫醇等 难闻物质，使水质变黑发臭，造成环境质量进一步恶化。需氧污染物是目前水体 中最大量、最经常和最普遍的一种污染物质。 5 植物营养物质：生活污水和某些工业废水中经常含有一定数量的氮、磷等植 物营养物质。施用氮肥和磷肥的农田排水中也会有残留的氮和磷【3 】。水体中氮、磷 的含量较高时，对湖泊、水库、港湾、内海等水流缓慢的水域就会因此而使藻类 等浮游植物及水草大量繁殖。这种现象称之为水体的“富营养化”。大量繁殖的藻类 使鱼类的生活空间减少，有些藻类还含有毒性。藻类死亡腐败后又分解出大量营 养物质，促使藻类进一步发展。如此恶行循环的结果，使水体外观呈红色或其他 色泽，通气不良，溶解氧含量下降，引起水质恶化，鱼类死亡，严重的还可能导 致水草丛生，湖泊退化。 6 油类污染物质：随着石油事业的发展，油类物质对水体的污染已日益增多。 炼油和石油化工工业、海底石油开采、油轮压舱洗舱以及大气中污染碳氢化合物 的沉降等都可使水体遭受严重的油类污染，尤其海洋采油和油轮事故污染最甚， 影响水质、破坏海滩、危害水生生物。 ( 二) 物理性污染 1 悬浮物质：悬浮物质是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫等。 它们是由生活污水、垃圾和采矿、采石、建筑、食品、造纸等产生的废物泄入水 中或农田的水土流失所引起的。悬浮物质影响水体外观，妨碍水中植物的光合作 用，减少氧气的溶入，对水生生物不利。如果在悬浮颗粒上吸附一些有毒有害物 质，则更是有害。 2 热污染：来自热电厂、核电站及各种工业过程的冷却水，若不采取措施，直 接排入水体，可能引起水温升高、溶解氧含量降低、水中存在的某些有毒有害物 2 富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究第一章前言 质毒性增加等现象，从而危机鱼类和水生生物的生长。 3 放射性污染：由于原子能工业的发展，放射性矿藏的开采，核试验和核电站 的建立以及同位素在医学、工业、研究等领域中的应用，使放射性废水、废物显 著增加，造成一定的放射性污染。 ( - - ) 生物性污染 生活污染，特别是医院污水和某些工业废水污染水体后，往往可带入一些病 原微生物。例如某些原来存在于人畜肠道中的病原菌，如伤寒、副伤寒、霍乱、 细菌性痢疾等都可以通过人畜粪便的污染进入水体，随水流动而传播。 1 1 2 水污染的生态环境危害 水与人类的生产生活息息相关，因此水资源的污染也成为关乎民生的重要问 题。水体污染造成的生态环境危害是不容小觑的，它涉及人们生活的方方面面。 日趋严重的水污染不仅降低了水体使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾， 严重地威胁到城乡居民的饮用水安全和人民群众的健康，而且对我国正在实施的 可持续发展战略带来了严重的负面影响。 首先，水源地水质的污染直接影响了饮用水的水质，从而影响人的身体健康 安全。水体受到污染后，其中可能含有有毒物质和重金属，长期接触或饮用受致 突变、致癌物质污染的水，可增加人群的癌症发病率和死亡率。例如饮水中氯化 有机物的存在可使消化系和泌尿系癌症死亡率增加；饮用水中砷浓度过高，可使 皮肤癌发病率上升【 】。 其次，水体污染特别是富营养化现象破坏水体生态系统，造成水生生物死亡。 富营养化使水体变得腥臭难闻，降低了水体的透明度，增加了浊度【6 】；水面被大量 的藻类遮盖，严重时蓝藻在水面的覆盖层厚度超过2 m 7 ，阳光难以进入，抑制了 下层水体中植物的光合作用，降低了溶解氧；有些藻类还能分泌藻毒素，严重影 响了水生生物的生存，造成水生生物的中毒，甚至死亡【和1 0 】。2 0 0 7 年太湖蓝藻爆发， 致使饮用水源严重污染，广大人民的生活受到了极大的影响。 第三，水体污染还造成巨大的经济损失。水体中污染物的增多必然造成水处 理的负担加重，另外饮用水源中的藻类也会大大提高化学需氧量( c o d ) 、生物需 氧量( b o d ) 、悬浮固体( s s ) 等的浓度，增加水处理负担和处理成本。而要修复 已受破坏的水体需要投入大量的人力物力和财力，从而带来经济方面的巨大压力 和负担。 第一章前言富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究 1 1 3 我国水污染现状与水体修复的必要性 我国是一个湖泊众多的国家，面积在l k r n 2 以上的湖泊，全国共有2 3 0 0 个， 总面积达7 6 8 万k m 2 ，占国土面积的0 8 ，其中约1 3 为浅水湖泊，主要分布在 东部沿海与长江中下游地区。由于经济发展、人口增多等使大量的营养物质不断 流入湖泊，湖泊富营养化日趋严重。巢湖、滇池、太湖等都已达到超富营养化或 富营养化阶段【l l 】。根据2 0 0 8 年国家环保部公布的中国环境状况公报中数据显 示，全国地表水污染依然严重，七大水系水质总体为重度污染，湖泊( 水库) 富 营养化问题突出。2 8 个国控重点湖( 库) 中，达二类水质的湖库只有4 个，占1 4 3 ；为 三类水质的湖库2 个，占7 1 ；为四类水质的湖库6 个，占2 1 4 ；为五类水质的湖库 5 个，占1 7 9 ；为劣五类水质湖库达1 1 个，占3 9 3 。主要指标为总氮和总磷。在监 测营养状态的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的6 个，占2 3 0 。 表1 中国湖泊富营养化现状 t a b l e1 e u t r o p h i c a t i o ns t a t u sq u oo fl a k e si nc h i n a 重点潮( 库) 水质类男 僧 霜算 十t1 奏典奂n 类v 交鸯v 夷 = 潮。 3】2 大型淡水湖 1 021313 城淞内湖5 1t 大型水库1 021232 总计 2 8 4265l 】 比例( ) 0 l 矗3 7 1 2 1 曩 1 7 93 9 3 ，兰潮是指太湖、演泡和聚湖 水污染的加重，致使水质恶化，高等水生植物消亡，鱼类绝迹，特别是一些 对人类有益或有潜在价值的物种消失，生物多样性下降，这一连串的反应导致了 水生系统的破坏。同时水体富营养化也给世界各地的经济发展带来了巨大损失， 我国因水污染造成的经济损失也很惊人。2 0 0 4 年仅全国因环境污染造成的经济损 失为5 1 1 8 亿元，占当年g d p 的3 0 5 ，其中水污染的环境成本为28 6 2 8 亿元， 占总成本的5 5 9 。 水体污染已经成为全球化的水环境问题。如在经济发达、人口密度最高的太 湖地区，水体富营养化日趋严重，已经成为影响当地社会、经济可持续发展的突 4 富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究第一章前言 出问题。 如今，越来越多的人意识到保护环境，实施可持续发展战略的重要性和必要 性。进行污染水体的修复，让水体生态系统健康发展，还地球一片碧水蓝天，既 是建设生态文明的要求，也是建立人与自然和谐相处的新型社会的要求。 因此，面对如此严峻的水体污染现状，开展水体修复的研究具有非常重要的 理论与实际意义。 1 2 水体修复技术发展现状 生态修复是相对于生态破坏而言的，生态破坏就是生态系统结构和功能的破 坏，因而生态修复就是恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系，就 是重建受损生态系统的功能以及相关的物理、化学和生物特性。其本质是恢复系 统的必要功能并使系统达到自我维持的状态。修复的目的就是要再现一个自然的， 能自我调节的生态系统，使它与它所在的生态景观形成一个完整的统一体。但要 将一个受损的生态系统的结构与功能恢复到受损前的水平是一项艰巨、困难和漫 长的工作。从一定意义上讲，修复又可定义为使受损的生态系统的结构与功能最 大限度地接近受损前的水平。就是针对具体受损的生态系统，找出目前环境条件 的限制性因素，根据生态工程学原理，对该系统实施种群组建或重建，恢复其原 有的生物多样性，使其达到具备自我维持与自我调节的能力。因此，要从生态、 社会需求出发，实现生态修复所期望达到的生态社会经济效益；恢复能够达到上 述效益的生态系统的结构和功能；通过对系统物理、化学、生物甚至社会文化要 素的控制，带动生态系统的恢复，达到自我维持的状态【1 2 。1 3 】。 1 2 1 物理方法 物理修复是借助工程技术措施，清除底泥污染的一种方法，主要有疏浚、填 沙、营养盐钝化、底层曝气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮 凝沉降等一系列措施。 疏浚清淤是最常见的水体修复的物理方法。它主要是以消除底泥污染为目的 的常用技术。大量的污染物进入水体并沉积于底泥之中。一旦环境允许，底泥就 会释放出大量的氮和磷等营养物质，成为水体富营养化的重要因素之一。在湖泊 外源污染得到一定控制后，以减少内源污染负荷为目的的生态疏浚是控制内源污染 效果较为明显的工程措施。排泥场防渗、尾水处理达标后排放、淤泥安全处置和 资源化利用是生态疏浚的环保要求【1 4 】。截污控制技术是治理水体富营养化的首要 第一章前言富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究 步骤。对于一些浅水湖泊，截污可有效的减少磷负荷7 5 9 5 。 除上述方法外，对富营养化水体中的藻类进行清除是实际水体修复中常常首 先开展的工作。这是因为： ( 一) 水体里藻华的大量存在，影响了水体的透光度，抑制了水生植物的光 合作用，不利于水生植物的生长和水体的修复。 ( - - ) 藻类体内含有大量的氮、磷等营养物质，成为水中氮、磷营养元素的 直接来源。如果不及时进行藻华的打捞清除，任其腐败，将会向水体中释放大量 的营养物质，造成水体的二次污染。大规模打捞蓝藻可大幅度减少水体中的n 、p 等 营养盐，据研究测试，太湖蓝藻( 干物质) 含n 、p 率分别为6 7 、0 6 8 ，打捞 并移出水面的富藻水含干物质率为l 0 1 ，平均以o 5 5 计，贝1 j 2 0 0 7 年、2 0 0 8 年 分别打捞蓝藻干物质为1 0 7 8t 、2 8 0 5t ，分别折合去除n 、p 各为7 2 2t 、7 3t 、1 8 7 9t 、 1 9 1t t l 5 1 。 ( 三) 蓝藻中含有丰富的有效成分：天然色素、藻胆蛋白、多糖、藻毒素。 因此近年来对蓝藻的培养和利用已成为生物学、生命保健学、食品工程学等学科 的研究和开发热点。蓝藻的用途主要有：提取天然色素、提取藻胆蛋白、提取多 糖、藻毒素研究及利用、生物固氮及其他方面等。藻类中1 3 类胡萝卜素是一种广泛 存在与光和生物中脂溶性捕光色素。其具有氧化增强机体免疫力、抗突变、抗肿 瘤、可转化维生素a 等功能【蛤1 刀。朱荣丽通过藻类提取藻类叶绿素、蛋白质、多酚 化合物、生物碱、不饱和脂肪酸等都，开发功能性食品、肥料、医药产品及生物 制品等【1 8 】。蓝藻也可制成肥料或复合有机肥，也可生产具有能源价值的沼气，以 及有机沼肥( 沼渣、沼液) ，还可利用沼气发电或进行更深层次的资源化综合利 用 1 9 - 2 1 】。 由此可见，适时地对富营养化水体中的藻华进行打捞和清除，不仅可以有效 地防止水体的二次污染，给后期引进修复植物创造良好的生长环境，还可以对打 捞的藻类进行资源化的利用。 有效清除蓝藻的技术、方法有很多种，包括物理、化学、生物、生化等很多 种，从对蓝藻的影响或去向来分，总体为三类：一是直接清除水体中蓝藻，并移 出水体，即打捞蓝藻法，这是目前非常有效的和学术界没有争议的一种方法；二 是在水体中直接杀死蓝藻，使蓝藻残体中的n 、p 营养盐得到分解、降解，或部分 气化后逸出水面，如电催化技术除藻、改性黏土技术除藻、化学法除藻、微生物 6 富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究 第一章前言 除藻、生物酶法除藻、超声波杀藻等；三是抑制蓝藻生长，如植物抑藻和鱼类控 藻等。现今主要有浮游生物网除藻技术与遮光技术。前者是将浮游生物网作为过 滤器，可非常有效地从水中去除二角多甲藻，去除率在9 0 以上。c o d 、总氮、 总磷及叶绿素a 的去除率也在8 0 9 0 0 2 2 。而遮光技术是通过在水面覆盖部分遮光 板，控制藻类增殖。采用塑料制浮板遮光，遮盖面积为水面的5 0 6 0 。遮光一 个月左右，水质明澈透底【2 3 1 。 综上所述，物理修复最大的优点是见效比较快。但这些技术往往也只能治标 而不治本。 1 2 2 化学方法 化学方法主要从两个方面进行的，一方面用化学的手段最大限度的控制水体 中的主要营养盐类的浓度，例如针对水体营养盐的过剩，向水体加入石灰进行脱 氮；投加高价的金属盐类以沉淀水体中的磷，使其暂时退出生物地球化学循环等。 另一方面主要针对过量浮游藻类的控制，例如加入化学药剂进行杀藻。目前已经 合成的化学杀藻剂有：松香胺类、三连氮衍生物、有机酸、醛、酮以及季胺化合 物等有机物、铜盐、氯系氧化剂、高锰酸钾、磷沉淀剂( f e 2 + 、f e 3 + 等) 等无机物 2 4 - 2 引。化学方法的暂时效果最为明显，但又十分容易造成水体的二次污染，且使 用成本比较高，容易再次爆发水华现象，也是一种治标不治本的方法，常常作为 一种辅助技术或应急控制技术。用化学药剂灭藻，方法最为简单。 1 2 3 微生物修复技术 微生物修复主要是利用天然存在的或特别培养的微生物，在可调控环境条件 下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术。利用微生物修复技术不仅可治理受 石油和有机物污染的环境【2 9 4 1 1 ，又可以治理受重金属【3 2 刁3 】和氮、磷等营养盐污染 的环境【3 4 1 。 微生物修复在工程实施上具体分两种技术：原位修复( i n s i t ub i o r e m e d i a t i o n ) 和异位生物修复( e x s i t ub i o r e m e d i a t i o n ) 两种技术【3 5 1 。其中原位生物修复技术是近 些年来开发出并广泛应用于受污染地表水体、地下水、近海洋面及土壤修复的一 项新技术，其中利用微生物进行污染水体的原位修复已经成为水体污染治理技术 发展的主流【3 6 1 。原位生物修复技术不涉及到搬运污染水体( 包括底泥和受污染的 土壤) ，而是在受污染区域直接进行修复，这一过程主要依赖于被污染水体微生物 的自然降解能力或人为创造的适宜微生物降解的条件。污染物降解的主体微生 7 第一章前言富营养化水体藻华打捞及植物修复的生态效果与影响因素研究 物一般采用经过人为驯化和培养的微生物以及商品化的适宜微生物菌剂【3 7 1 ，也可 以通过向水体中投加营养物质 3 8 - 3 9 】、无毒表面活性剂4 0 1 、电子受体【4 1 。4 2 】等来激活 水环境中本身存在的具有降解污染物能力的土著微生物，通过以上两种手段强化 污染物的微生物降解，从而达到水体原位修复的目的。 当原位生物修复技术方法难以满足应用要求时，异位生物修复技术就成为了 一个重要选择【4 3 】。这种技术需要将受污染的介质搬离原地，使其与降解菌接种物、 营养物及支撑材料混合，集中起来进行生物降解。将污染介质集中起来进行生物 降解，可以保证生物降解的较理想条件，因而处理效果好，还可以防止污染物转 移，许多学者都认为异位生物修复技术是一项具有广阔前景的微生物处理技术嗍。 1 2 4 植物修复技术 2 0 世纪7 0 年代中期以来，国内外在利用水生植物净化和修复污染水