（环境工程专业论文）植物浮床技术对苏州古城区河水净化效果及规律研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 本论文以国家8 6 3 重大科技专项“苏州市城市水环境质量改善与综合示 范”项目为依托，在前人研究的基础上，根据苏州古城区污染河道污染负荷重、 透明度及溶解氧低的实际情况，通过静态、动态模拟试验，研究了植物浮床技术 对污染河水的净化效果及规律，同时在苏州古城区内的苗家河开展了植物浮床技 术净化污染河水的示范应用，得出了以下结论： ( 1 ) 低温条件下对水芹菜、多花黑麦草、大蒜三种浮床植物筛选的试验表 明：水芹菜是低温条件下浮床植物的优势种，其对t a r 、n h 3 n 、t p 、c o d m 。的 净去除率分别为5 1 3 、6 5 2 、5 5 6 、5 7 6 ，对藻类的抑制率达9 2 3 。 ( 2 ) 水蕹菜和美人蕉在不同污染程度水体中的生长适应性以及净化效果试 验表明：水蕹菜在t n 大于3 0 m g l 、t p 大于1 0 m g l 的水样中生长受到抑制， 美人蕉则能很好的生长；两种植物对各种污染程度水体均有一定净化效果。 ( 3 ) 动态模拟试验表明：水芹菜浮床对动态污染河水中t n 、n h 3 一n 、t p 的去除率与水温正相关，t n 的平均去除负荷为o 8 0 9 m l d ，t p 的平均去除负荷 为o 1 l g m 2 d ，对藻类的抑制作用较为稳定，平均抑制率为5 7 3 ；获得了对动 态污染河水最佳净化效果时的水力负荷参数为1 0 m 3 ( m 2 d ) 、浮床覆盖率为3 0 、 水深为3 0 c m 。 ( 4 ) 植物浮床技术在苗家河的示范应用研究说明：在水量交换较大的情况 下植物浮床技术仍然使示范河段水质优于对照段；浮床植物根际区存在着以有机 颗粒、藻类、浮游动物、底栖动物为网络骨干的根系微生态系统；“水芹菜一水蕹 菜”浮床模式可实现四季净化污染河水的周年运转，在后续应用中推荐使用此模 式。 总之，作为一种高效、经济的生物修复技术，植物浮床技术可在城市污染河 道水环境质量改善中推广应用。 关键词： 植物浮床污染河水 根系净化营养盐藻类 塑塑查芏堕主翌焦笙壅 a b s t r a c t b a s e do nt h en a t i o n a lt e n t hf i v em a g n i t u d ep r o j e c t s u z h o uc i t yw a t e r e n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n ta n ds y n t h e s i z ed e m o n s t r a t i o ni t e r n ，w ec a r r i e do u tt h e s t a t i cs i m u l a t i o nt e s ta n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt e s tu n d e rt h ec o n d i t i o no fh e a v y p o l l u t i o nl o a d i n gr a t ea n dl o wt r a n s p a r e n c ya n dd i s s o l v e do x y g e ni np o l l u t e dr i v e ro f s u z h o ua n c i e n tc i t yd i s t r i c t t h e s ei n v e s t i g a t i o n sw e r eo nt h eb a s eo ft h ef o r m e r s w o r k w ea n a l y z e dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c t sa n dr u l e so fp l a n tf l o a t i n g b e dt e c h n o l o g y o np o l l u t e dr i v e rw a t e r , a n da l s oa p p l i e dt h et e c h n o l o g yt op u r i f yt h ep o l l u t e dr i v e r w a t e ri nm i a o j i ar i v e r c o n c l u s i o n sw e r es u m m e du pi nt h ef o l l o w i n g ： t h ed o m i n a n c ep l a n to p t i o nt e s tw a sc a r r i e do u ta m o n go e n a n t h ej a v a n i c a ， l o l i u r am u t l i f l o r u ma n da l l i u ms a t i v u mu n d e rl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo e n a n t h ej a v a n i c aw a st h ed o m i n a n c ef l o a t i n g b e dp l a n tu n d e rl o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n i t sn e tr e m o v a lr a t eo ft n 、n h 3 一n 、t p 、c o d m n w e r e5 1 3 、 6 5 2 、5 5 6 、5 7 6 ，r e s p e c t i v e l y ，a n di n h i b i t i o nr a t eo f a l g a er e a c h e d9 2 3 t h et e s to fs u i v i v a la d a p t a b i l i t ya n dp u r i f i c a t i o ne f f e c t su n d e rd i f i e r e n tp o l l u t e d g r a d ew a t e rb e t w e e ni p o m o e aa q u t i c aa n dc a n n ag e n e r a l i ss h o w e dt h a t ，i p o m o e a a q u t i c aw a s j n h i b i t t e d g r o w i n g u n d e rh e a v yc o n c e n t r a t i o n p o l l u t e d w a t e r ( t n 3 0 m g lt p i o m g l ) ，w h i l ec a n n ag e n e r a l i sg r e ww e l l t os o m ee x t e n t ，b o t h t h et w op l a n t sh a dp u r i f i c a t i o nf u n c t i o no nd i f f e r e n tg r a d eo fp o l l u t e dw a t e r t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts h o w e dt h a t ，t h er e m o v a lr a t eo ft n 、n h 3 - n 、t po f o e n a n t h ef a v a n i c af l o a t i n g b e dw a sp o s i t i v ec o r r e l a t e dw i t hw a t e rt e m p e r a t u r e t h e a v e r a g er e m o v a ll o a d i n gr a t e o ft na n dt pw e r eo 8 0 9 m e da n d0 1 l g m z d ， r e s p e c t i v e l y t h ei n h i b i t i o no na l g a ew a ss t e a d ya n dt h ea v e r a g ei n h i b i t i o nr a t ew a s 5 7 3 w ea l s og o tt h eb e s tv a l u eo fh y d r a u l i cl o a d i n gr a t e ，f l o a t i n g b e dc o v e r a g e r a t e ，w a t e rd e p t hu n d e rd y n a m i cp o l l u t e dr i v e r t h e yw e r e1 o m 3 ( m d ) 、3 0 、3 0 c m t h ep l a n tf l o a t i n g - b e dt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni nm i a o j i ar i v e rs h o w e dt h a tt h e w a t e rq u a l i t yo ft h ep l a n tf o a t i n g - b e dt e c h n o l o g ya p p l i e dh a dp r e c e d e de v i d e n t l yt h a n t h ec o m p a r i n gw a t e r ，t h o u g ht h ew a t e rq u a n t i t yw a se x c h a n g e dl a r g e l y t h e r ee x i s t e d am i c r o e c o s y s t e ma tt h er o o ta e r ao ff l o a t i n g - b e dp l a n tw h i c hm a i n l yc o n s i s t so f o r g a n i cg r a i n ，a l g a e ，z o o p l a n k t o n ，z o o b e n t h o s t h em o d eo f ”o e n a n t h ej a v a n i c a l p o m o e aa q u t i c a ”f l o a t i n g - b e dm o d ea p p l i c a t i o nr e a l i z e dt h ew h o l ey e a rr u no fp l a n t f o a t i n g b e dt e c h n o l o g yo np o l l u t e dw a t e r h e n c e ，t h em o d ei ss u g g e s t e d i nt h e f o l l o w i n ga p p l i c a t i o n i nc o n c l u s i o n ，t h ep l a n tf l o a t i n g b e dt e c h n o l o g yc o u l db ea p p l i e dw i d e l ya so n e o fh i g he f f i c i e n ta n de c o n o m i cb i o l o g yr e s t o r et e c h n o l o g yi ni m p r o v i n gw a t e r e n v i r o n m e n tq u a l i t yo fc i t yp o l l u t e dr i v e r k e y w o r d s ：p l a n tf l o a t i n g b e d p o l l u t e d r i v e rw a t e rr o o t s p u r i f i c a t i o n n u t r i e n t a l g a e l 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，除了文中特另j j j l 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) ：蕉叁丝 2 0 0 6 年3 月2 8 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) ： 蕉么幺丝 2 0 0 6 年3 月2 8 日 河海大学硕 学位沱文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 河流污染现状 城市河流水质的优劣对城市社会、经济与环境能否协调健康发展有至关重耍的意义。 然后，随着人口的增长和经济的快速发展，越来越多的污染物被排入河流，已远超过河流 的自净能力；另一方面，排入河流的污染物由于环境条件的变化沉入河底底泥中，又由于 河流水温、口h 值的变化、生物降解、河水流动等作用又重新回到河水中，从而成为一种难 以治理的污染源【”】。受污染较严重的河流水中溶解氧低，甚至为零，导致河水恶臭，甚至 鱼虾绝迹，河流的生态系统遭到严重破坏。 据估计【”】，全世界各城市地区每年排入水体的工业废水和生活污水达5 0 0 0 亿t 以上， 许多河流己成了排污专道及污水的眭期滞留地【6 】。美国的主要河流总长4 2 万k m ，约有1 2 万 k r n 遭到污染，占2 9 ；著名的密西谣比河水中杀虫剂、酚、砷、汞及氯化物的含量远远超 过应用的标准，河水混浊不堪，臭气熏天，许多水生生物已近绝迹。日本有4 7 条主要河流， 其中一半已遭到严重污染，其特产的鲈鱼和樱虾因水质污染已几乎绝种。 我国河流污染也日趋严重，根据国家环保总局2 0 0 4 年中国环境状况公报【，j ：全国七大 水系的4 1 2 个监测断面中，因水质污染严重而不能用于灌溉( 即劣于v 类) 的断面比例约占 2 79 ，水体已丧失使用价值( 相当于i v 、v 类) 的断面比例约占3 0 _ 3 ；辽河、淮河、黄 河、松花江水质较差，海河水质差；主要污染指标为氢氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指 数和石油类。尤其是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，城市景观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盏或有潜在价值的物种消失。河流的生态功能在很大程度上依赖于优 良的水质，河流如果成为城市排污场所，就意味着河流生态功能的消失，河流只剩下排污 的功能，这对城市的生态建设将是致命的威胁。 河流污染的加重，水体水质的恶化，导致高等水生植物消亡，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态系 统的破坏。污染河水失去了资源功能和使用价值，而且严重破坏周围的生态景观，造成重 大经济损失，甚至危害人们身体健康。因此污染河水的治理势在必行，刻不容缓n 大经济损失，甚至危害人们身体健康。因此污染河水的治理势夺必行- 刻不容缓。 河海大学硕士学位论文 1 - 1 2 河流污染的生物生态修复技术 从2 0 世纪5 0 6 0 年代起，英、美、德等发达国家就开始研究河流污染治理的问题。我 国的环保科技人员近些年来也进行了一些积极的研究和尝试，其中生物生态修复技术由于 具有安全性、经济性、实用性、系统性等诸多优点而成为河流污染治理的主要技术手段。 我国在利用生物生态治理技术对河、湖进行综合治理方面起步较晚，水体污染情况与国外 有所不同，各地的水体污染种类和程度也不同。所以国家科技部在十五期间针对我国当前 面临的城市水环境问题设立了“水专项”，在武汉、镇江、苏州等1 1 个城市开展城市水环 境质量改善技术研究与示范1 8 j 。 目前国内外研究较多的生物生态修复技术主要有微生物制剂技术、河道曝气技术、人 工湿地技术、稳定塘技术、植物修复技术等。 ( 1 ) 微生物制剂技术 河流中污染物的降解主要依赖微生物的降解作用，当河流污染严重而又缺乏有效微生 物作用时，投加微生物以促进有机污染物降解，这种技术称为微生物制剂技术。用于河流 微生物强化的微生物应符合以下条件：不含病原菌等有害微生物；不对其他生物产生 危害；能适应河流的环境特点。适合于河流净化的微生物主要有硝化菌、有机污染物高 效降解菌和光合细菌( p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a ，p s b ) 9 - 1 0 】。 微生物制剂技术的主要缺点是高效微生物的选育需要较长的时间；净化效果持续时间 短，受温度影响较大等。 ( 2 ) 河道曝气技术 河道曝气技术是根据河流受污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气( 或氧气) ， 强化水体复氧，以提高水体的溶解氧含量，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体 中的污染物质得以降解，从而改善河流水质【1 1 1 。从工程方面说 1 2 】，河道曝气法综合了氧化 塘和氧化沟的原理，结合了推流式和完全混合式曝气池的特点，有利于克服短流、提高缓 冲能力，同时有利于提高氧的传递、液体的混合和污泥的絮凝。 人工曝气复氧需要的技术含量较高，投入的资金也较大。因此，从经济、环境的角度 出发，应当充分利用天然落差、水坝的跌水、水闸泄流、活水喷池和人工水上娱乐设施等 进行增氧。 ( 3 ) 人工湿地技术 人工湿地( c o n s t r u t t e d w e t l a n d s ) 系统是2 0 世纪7 0 年代发展起来的污水处理技术，2 0 世纪8 0 年代起，它在河流污染治理和生态恢复中的作用逐渐受到重视，得到越来越多的应 间海大学硕士学位论文 用。 人工湿地的污染净化过程涉及物理、化学、生物等多方面综合作用【1 3 _ 1 4 1 。人工湿地对 污染河水的净化主要有以下几个途径：通过过滤和截留去除颗粒物；通过湿地介质的 吸附、络合、离子交换等作用去除磷和重金属离子；通过湿地微生物作用，降解有机污 染物，去除水中的氮【1 5 】；通过植物吸收去除水中的氮磷，富集重金属。 人工湿地净化河水的效能受湿地水流流态、水力负荷、种植植物类型和数量、温度、 p h 、填充介质类型、运行方式等因素的影响 1 6 。17 1 。 ( 4 ) 稳定塘技术 稳定塘( s t a b l i z a t i o np o n d s ) 技术是一种利用细菌和藻类等微生物的共同作用处理污水 的自然生物处理技术，亦可用于污染河水的处理。用于河水处理的稳定塘可以利用河边的 洼地构建，对于中小河流，还可以直接在河道上筑坝拦水，这时的稳定塘称为河道滞留塘 ( o n s t r e a m d e t e n t i o np o n d ) 。河道滞留塘在国外已有应用实例l ”1 ”，一条河流可以构建一 级或者多级滞留塘删。 ( 5 ) 植物修复技术 植物修复( p h v t o r e m e d i a t i o n ) 技术是利用高等水生植物( 沉水植物、浮水植物和挺水 植物) 及其根际的微生物共同作用去除水体中污染物的原位生态治理技术，其机理主要是 利用植物及根际土著微生物的代谢活动来吸收、积累或降解转化水体中的污染物【2 ”。研究 表明：利用水生植物修复受污染水体，不仅可有效地去除多种污染物质，而且对有毒有害 物质有很强的吸收、分级和净化能力 2 2 】。 由于植物修复更适应环境保护的要求，因此受到世界各国政府、科技界和企业界的高 度重视。自从2 0 世纪8 0 年代以来，植物修复技术已经成为研究的热点问题，并且开始进入 产业化初始阶段。 总之，随着控污技术的研究不断深入，人们已经掌握了很多生物- 生态技术治理污染水 体，且各有长处。因而针对治理对象、适用范围和经济耗用不同可有不同的选择。而植物， 尤其是植物浮床修复技术，因其可以直接从水体中去除营养物、不另占土地、适应各种水 深、管理方便、低投入和有观赏、经济价值等优点而越来越受到重视。 1 2 植物浮床技术综述 1 2 1 定义 植物浮床( p l a n tf l o a t i n g b e d ) 技术是一种水环境治理与水生态修复相兼顾的实用技 3 婀海大学坝士学位论文 术，其内涵是运用无土栽培技术原理，以可漂浮材料为基质或载体，采用现代农艺和生态 工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。采用该技术可将原来只能在陆地种植的高等 陆生植物种植到自然水域水面，并能取得与陆地种植相仿甚至更高的收获量与景观效果。 从这一概念出发，如“人工生物浮床”【矧、“人工浮岛”陟矧、“浮床无土栽培”等都属于植 物浮床这一概念范畴。 1 2 2 研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 利用水上栽培技术种植水生或陆生植物净化修复受污染水体已成为近年许多学者研 究的重要方向。2 0 世纪7 0 年代前，国外利用水生高等植物净化污水，常常选用一般的水生 杂草，如凤眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s i p e ss o l m s ) 、喜旱莲子草( a l t e r n a n t h e r a p h i l o i x e r o i d e s g r 括e h ) 和阔叶香蒲( t y p h al a t i f o l i a l ) 1 2 7 - 2 8 1 等。虽然有一定的净化能力，有些也可用作 饲料、燃料等，但总的经济效益不高，且有些植物，如风眼莲 2 9 1 ，有很强的扩张能力，若 控制不好极易泛滥成灾。 在水污染治理方面，陆生高等植物，如粮食油料作物、蔬菜、花卉和牧草等在污染水 体净化方面有着广阔的应用前景【船3 ”。最早的人工浮床是1 9 7 9 年由德国建造的s c h w i m m k a m p e n ( f l o a t i n gc a m p u s ) 3 2 。1 9 8 2 年开始，日本在慈贺县琵琶湖建造了人工浮岛，作为鲤 鱼、鲫鱼、诸子等鱼类的孵卵场，取得了较好的效果，在9 0 年代中期人工浮岛被日本环境 及湖泊科学家广泛认可【3 3 。2 0 世纪8 0 年代，美国开始利用多种鱼类养殖废水水培生产生菜、 西红柿、草莓和黄瓜等蔬菜及风信子等花卉 3 4 】。n a l h a l i e 等【3 5 用商业化深液流( n f t ) 水 培系统飘浮栽培毛曼佗罗( d i n n o x i a ) 净化修复生活污水，取得了较好的效果。1 9 9 5 年日 本研究者在霞浦( 土浦市大岩田) 进行一次隔离水域试验，试验表明，在生物浮床占有率 只有2 5 的条件下，削减t 9 4 的浮游植物细胞数，而且有浮床的水域c o d c ，浓度比对照水 域减少5 0 ，但是冬天因受水温影响，各水域水质差别不大【3 6 】。日本的唐泽、大岛等人在 渡良濑域进行一项有意义的实验1 3 7 1 ，在宽4 m 、长6 m 、深2 m 的3 个隔离水域中，第一个设置 了占1 3 面积的人工浮岛，第二个在水面铺了占同样面积的木板，第三个作为对照区域，结 果设有人工浮岛和木板的水域中氮、磷、叶绿素a 显著低于对照区域，并且设有人工浮岛的 水域中氮磷营养盐比只有木板的水域浓度低，这表明浮床载体的遮光效应在抑制浮游植物 方面起很大的作用，且浮床的净化原理不仅仅局限于遮光效应。德国建设公司的一座污水 处理厂无土栽培了3 0 0 0 m 2 芦苇群，植物根系表面积可达1 2 0 m 2 i n 2 ，这些根系大量吸收氮、 4 河海大学硕士学位论文 磷和重金属，再通过收割芦苇回收污水中的营养盐和重金属【3 8 】。 1 2 2 2 国内研究现状 我国的一些学者从2 0 世纪8 0 年代起电对植物浮床技术开展了一些有意义的研究。李止 正等【3 9 】8 0 年代初在太湖大水面无土栽培t 3 9 种高等陆生植物，所试植物均能正常生长，其 主要目的是利用水面资源获得经济效果，这为水上种植技术的推广提供了依据。2 0 世纪9 0 年代初，戴全裕等f 4 0 】利用丝瓜( 三蛳? c y l i n d r i c a l r o e m ) 、水芹菜( o e n a n t h e j a v a n i c ad c ) 、 水蕹菜( i p o m o e aa q u a t i c af o r s 疋) 、西洋菜( n a s t u r t i u m 面c i n a l e 兄b r ) 、金针菜 ( h e m e r o c a l l i s ( u l v a l ) 及其它花卉和蔬菜等经济作物净化酿酒废水，取得到了很好的环 境效益、经济效益和生态效益。宋祥甫 4 l 】等人利用浮床技术种植水稻( 尺f c e ) ，不但获得 了较大的干物质产量，而且在收获农产品、美化水域景观的同时，也能去除水体中导致富 营养化的主因素氮、磷元素，从而为建立利用浮床植物净化富营养化水域提供了科学 依据。马立珊【4 2 】等人利用香根草( v e t i v e r i az i z a n i o i d s ) 分别净化南京秦淮河、金川河、玄 武湖的富营养化水体，生物量可高达7 5 0 t h m l a ，可以在理论上去除氮、磷的量分别达 1 1 2 5 1 3 2 5k g h m 2 a 、4 5 0 6 0 0 k g h m 2 a 。王旭明等1 4 3 】研究表明水蕹菜对污水中的氮、磷 和化学耗氧量具有明显的去除效果。由文辉等【4 4 1 研究表明水蕹菜和水芹菜具有很好的净化 效果和经济价值。刘士哲等【叫人利用风车草( c y p e r u sa l t e r n 和l i u s ) 、彩叶草( c o l e u sb l u m e i ) 和茉莉( j a s m ，l “ms a m b a c ) 净化富营养化污水，得出了三种植物对氮磷、化学需氧量的净 化能力为；风车草最好，彩叶草次之，茉莉最差，并提出今后还需要进一步对污染物吸收 量更高的具有观赏价值的植物进行筛选。 植物浮床技术在我国已有了小范围的实际应用。例如应用于治理太湖内湖五里湖 上的浮床在净化水质和消除波浪方面都起到积极的作用，同时为沉水植物的恢复提供了良 好的透明度条件【蛔。2 0 0 2 年，北京首次应用浮床技术修复什刹海富营养化水体，部分消除 了蓝藻水华现象，消除水体异味和提高了水体透明度，美人焦和旱伞草被优先选用【枷。植 物浮床技术由于净化水质、创造生物的栖息空间、改善景观以及具有一定的经济效益等综 合功能，在难以恢复沿岸水生植物带的河流、湖泊等水域有着广泛的应用前景。 1 2 3 净化机理 植物浮床技术是通过生长于载体上的陆生高等植物对水体中营养物质的吸收和转化、 植物叶冠及载体的覆盖遮光、根区分泌物质对藻类的杀伤作用等途径，除去水体中过量的 氮、磷、悬浮颗粒、重金属元素，控制藻类的恶性繁殖。所以植物是植物浮床技术中净化 河海大学顿士学位论文 污染水体的重点( 如图1 - 1 所示) 。植物浮床技术的净化机理可以概括为以下几点： 1 ) 物理作用：植物浮床技术中植物的 存在可以降低水流速度，这为悬浮物( s s ) 的沉淀创造了良好的条件；当污染水体流 过时，不溶性的胶体就会被根系吸附而沉 淀下来，同时附着于根系的菌体在内源呼 吸阶段发生凝集，凝集的菌胶团可以把悬 浮物和代谢产物沉降下来。大型植物对于 水面波浪也具有很好的消能作用。水面覆 盖的浮床植物可以认为是位于大气和水面 之间很厚的生物膜，风速因为水表面植物 的存在而降低，减少了固体重新悬浮的机 率，因而可咀较快地提高透明度。植物的另 一种重要作用是隔膜作用( 保护) ，尤其是温 庆氧反硝化脱氯 图卜1 植物浮床净化机理概念图 化 带的冬季，当植物被雪覆盖后，它们起到一个很好的保护膜作用，避免水体表面结冰，使 水温变化减缓；在夏季，植物也可以避免水体受到阳光的直接照射，有利于降低水温。 2 ) 植物的吸收作用：高等植物在生长过程中，需要吸收大量的营养元素，而污染水 体中含有的过量的氮磷可以满足植物生长的需要。当植物快速生长时可进行多次收割，将 植物残体移出水体，营养成分亦随之被移出水体。植物吸收污染物的主要器官是根，水溶 态的污染物到达根表面，主要有两种途径：一种是质体流途径( m a s sf l o w ) ，即污染物随 蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水分一起到达植物根部；另一种是扩散途径( d i f f u s i o n ) ， 即通过扩散而到达根表面，到达根表面的污染物不一定被植物根部吸收。植物吸收污染物 的种类和数量取决于水体特性、污染物种类和数量、以及植物的特性等因素，但是植物通 过吸收来去除污染物的能力是有限的”。 3 ) 气体传输和释放作用：浮床植物通过植株枝条和根系的气体传输和释放作用，能将 光合作用产生的氧气或大气中的氧气输送至根系，一部分供植物呼吸作用，一部分通过根 系向根区释放，扩散到周围缺氧的环境中，在根际区形成了氧化态的微环境，加强了根区 微生物的生长和繁殖，并有助于硝化菌的生长 4 9 】，通过微生物对有机污染物、营养盐的进 步分解。 4 ) 对藻类的抑制作用：植物与浮游藻类在营养和光能的利用上是相互竞争者，植物 6 河海大学硕士学位论文 的个体大、生命周期长、吸收储存养分的能力强，能很好地抑制藻类的生长【5 0 】。另外， 植物的根系还会栖生摇蚊幼虫、螺等以藻类为食的小型动物，更加限制了藻类的恶性繁殖。 5 ) 微生物的降解作用：高等陆生植物具有发达而庞大的水下根系，这就为微生物和 微型动物提供了附着基质和栖息场所。这些生物可以加速根系周围的有机交替或悬浮物的 分解矿化。如芽孢杆菌能将有机磷、不溶解磷降解为无机的、可溶的磷酸盐，使植物能直 接吸收利用【5 1 】，而且植物的根系能分泌出促进蟾氮蜡磷细菌生长的物质，从而间接提高 净化率。 1 2 4 植物所需的营养成分和吸收 1 2 4 1 植物必需的营养元素【5 2 - 5 3 】 借助于溶液培养法或砂基培养法，已经证明陆生高等植物必需的营养元素除了碳、氢、 氧3 种非矿质元素，还包括氮、磷、钾、钙、镁、硫、硅7 种元素，这些元素植物需要量 相对较大，称为大量元素( m a c r o e l e m e n t ) 或大量营养( m a c r o n u t r i e n t ) ；氯、铁、铜、 硼、锌、锰、铝、镍和钼等9 种元素，植物需要微量，稍多即发生毒害，故称为微量元素 ( m i c r o e l e m e n t ) 或微量营养( m i c r o n u t r i e n t ) 。 ( 1 ) 氮的营养功能 氮是构成蛋白质的主要成分，占蛋白质含量的1 6 1 8 ，是细胞质、细胞核和酶的 重要组成成分。此外，核酸、核苷酸、辅霉、磷脂、叶绿素等化合物都含有氮。某些植物 激素、维生素( 如b 1 ，b 2 、b 6 等) 生物碱等也含有氮素，所以氮被称为生命元素。 植物所吸收的氮素主要是无机态氮，以氨盐和硝酸盐为主，也可以吸收利用有机态氮， 如氨基酸、尿素等。氮素对植物生存有巨大的作用，也属于大量元素。植物生长环境中氮 元素供应是否充足直接影响细胞的分裂和生长及整体的生长发育。 当植物吸收氨盐的氨后，或者当植物所吸收的硝酸盐还原成氨后，氨立即被同化。游 离氨( n h ，) 的量稍微多一点，就会毒害植物，因为氨可能抑制呼吸过程中的电子传递系 统，尤其是还原型辅酶1 ( n a d h ) 。氨与呼吸带来的中间产物a - 酮酸结合，形成氨基酸。 这种还原氨直接使酮酸氨基化而形成相应氨基酸的过程，称为还原氨基化。吸收的n h 4 + 除 了还原氨基化作用外，还有氨基交换作用、同氨基酸结合形成酸胺。 当氮元素供应充分时，植物叶大而鲜绿，叶片功能期延长，分蘖多，营养体壮健，花 多产量高。而植物缺氮时，植株矮小，叶小色淡或发红，分蘖少，花少产量低。 ( 2 ) 磷的营养功能 河海大学硕士学位论文 磷是核酸、核蛋白、磷脂等活细胞内多种功能性物质的重要成分，与活细胞的能量代 谢、各种有机物的合成和分解、细胞信号传导、基因表达调控等过程密切相关。其中三磷 酸腺昔( a t p ) 是能量传递及贮存的重要物质，与全部生命活动紧密相连；烟酞胺腺嘌呤 二核昔酸( n a d + ) 是氢的传递体i 黄素腺嘌呤二核萤酸( f a d ) 也是氢的传递体。 磷主要以正磷酸盐( h e p 0 4 或h p 0 4 2 ) 的形式被植物吸收。当环境偏酸性( p h i 7 时) ， 植物吸收h z p o f 较多；偏碱性( p h 7 ) 时，植物吸收h p 0 4 2 - 较多。当磷进入植物体后，大 部分成为有机物，如活性糖类、磷脂、核昔酸和核酸等，部分仍保持无机物形式。磷同化 成有机物可表示为： a d p + 只一a t p + h 2 0 磷酸进入钔呼后，借各种代谢过程很快转移到各种含磷有机物中，如磷酸糖、磷酸酷 和核昔酸等。植物体中磷的分布不均匀，根、茎生长点较多，嫩叶比老叶多，果实和种子 中磷最丰富。 磷元素充足时能保证各种代谢正常进行，植株生长发育良好，同时提高作物的抗寒性， 提早成熟。缺磷时，蛋白质合成受阻，新的细胞质和细胞核形成较少，影响细胞分裂，生 长缓慢，分蘖减少，植株矮小，开花期和成熟期都延迟，产量降低，抗性减弱。 1 2 4 2 影响植物根部吸收的条件【5 2 5 3 】 ( 1 ) 温度 在一定范围内，根部吸收营养元素的速率随温度的增高而加快，因为温度影响了根部 的吸收速率，也即影响了主动吸收。但温度过高( 超过4 0 。c ) ，一般植物吸收元素的速率 即下降，这可能是高温使酶钝化，影响根部代谢；温度过低时，根部吸收营养元素量也减 少，因为低温时，代谢弱，主动吸收慢；细胞质黏性也增大，离子进入困难。 ( 2 ) 根部氧气状况 植物根系的呼吸作用必须有氧参与。陆生植物根系与水生植物根系的不同之处在于： 水生植物的根能通过表皮和内皮中细胞间隙所形成的空气腔或皮层组织中发达的输导作 用，把从叶片光合作用形成的氧气通过维管束输送到根际；而一般陆生植物的这种供给是 很小的，因此采用浮床种植陆生植物时必须解决向根系输氧的问题。在一定的范围内，氧 气供应越好，根系吸收营养元素就越多。 ( 3 ) 溶液浓度 在外界溶液浓度较低的情况下，随着溶液浓度的升高，根部吸收离子的数量也增多， 河海大学硕士学位论文 两者成正比，一般表现为主动吸收。但是，外界溶液浓度增高到某个程度时，植物对水体 重营养豁仍然过量吸收，这种吸收称为被动吸收，被动吸收超过一定限度时，便会给植物 造成极大伤害甚至死亡。 ( 4 ) 氢离子浓度 外界溶液的p h 对营养元素的吸收有影响。组成植物细胞质的蛋白质是两性电解质， 在弱酸性环境中，氨基酸带正电荷，易于吸附外界溶液中的阴离子；在弱碱性环境中，氨 基酸带负电荷，易于吸附外界溶液中的阳离子。一般植物生存的最佳p h 是6 7 ，栽培植 物或者溶液培养时应考虑外界溶液的酸度，以获得良好效果。 1 2 5 浮床植物的选择原则 植物在植物浮床技术中占主导作用。有些在陆地上生长良好的植物却因为耐水性差不 能很好的在水面上生长，从而影响了净化效果。植物的耐寒性能以及越冬性也是需要考虑 的问题。因此，选择合适的浮床植物显得尤为重要。浮床植物的选择是在对高等植物的生 物学特性、耐污性、耐水性、对氮磷去除能力等研究基础上，筛选出具有一定耐受性的， 能适应污水水质现状的物种作为修复的先锋物种。浮床植物物种的选择应遵循以下几个原 则： 1 ) 耐水性能好 植物浮床技术是将原来在陆地上或湿地上种植的植物种植到自然水面上，植物在更换 了生存环境后必然会产生能否适应的问题。只有能够很好的在水面上生长，才能发挥植物 对污染水体的净化作用。因此，良好的耐水性能是选择浮床植物的首要原则。 2 ) 耐污能力强、去污效果好 利用植物浮床技术净化污染水体时应优先考虑对氮磷等营养物有较强去除能力的植 物，而且应根据不同的污水性质选择不同的浮床植物，如果选择不当可能会导致去污效果 不佳或者植物死亡。例如，葛滢【5 4 】等人研究了十余种植物对不同富营养化程度的净化能 力和生物生态学特性，结果表明，对于重度富营养水，水蕹菜的效果最好，风眼莲和鸭跖 草( c o m m e l i n ac o m m u n i s ) 其次；对于轻度富营养化水，鸭跖草、喜旱莲子草最好，石菖 蒲、灯心草( j u n c u ss e t c h u e n s i s ) 、知风草( e r a g r o s t i sf e p a t h g o l i u m ) 、穹隆苔革( c a r e xg i b b a ) 略差。在微污染水体中，植物不能够获得生长所需的足够的n 、p 量，生长受到抑制，生 物量较低。因此需要选择既在贫瘠条件下能够生长又有较强净化能力的植物：而在重度污 染水体中，过高的n 、p 浓度也会对植物的生长产生抑制作用，如当污水中的凯氏氮达到 河海大学硕士学位论文 5 5 4 m g l ( 或氨氮2 4 7 r a g l ) 对香蒲叶将枯黄或致死，且短期内难以恢复【5 5 j6 1 。 3 ) 水生根系发达 浮床植物的净化功能与其根系的发达程度和茎叶生长状况( 密度和速度) 密切相关， 因此选择浮床植物时，必须全面考虑它的根系状况。在正常运行的植物浮床系统中，附着 生长在浮床植物根际区表面及附近的微生物对污染物的降解去除起着重要作用。一般而 言，根系越发达，植物浮床的去污效果越好。而且选择根系比较发达、根系较长的浮床植 物，能够大大扩展植物浮床净化污水的空间，提高其净化污水的能力。在考虑根系密度的 同时，还必须充分考虑根系表面积和水下茎( 引起氧扩散进入根系的结构) ，因为它们也 是选择植物的主要衡量指标。根系密度、根系表面积、水下根茎密度三者具有明显的相关 性，但针对不同植物，这种相关性需要进一步研究1 5 7 l 。 4 ) 适应性原则 所选的物种应对当地气候、水文等条件有较好的适应能力，否则难以得到理想的净化 效果，最好选择土著种类。 5 ) 可操作性 所选物种应具备繁殖、竞争能力强，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。 1 3 问题的提出 目前我国城市河流由于水质恶化而引起的水生态系统严重破坏已成为制约社会经济 发展的重要问题，于是人们力求通过人为强制手段来改善日趋恶化的水质状况。植物浮床 技术可以先将污染水体的n 、p 等营养物质吸收利用，大幅度减少水体中的过量营养物以 及其他有害物质，使水质得到较大改善，从而为其它永生动、植物的生存营造一个良好的 水体生境条件，促进水生态系统的恢复。 尽管植物浮床技术在很多水环境治理工程中已经有了应用【5 8 59 1 ，但目前有些问题还没 有得到很好的解决。例如，不同地区不同季节强净化能力植物资源的探索【6 。l ；同一种植 物对不同浓度污染水体净化效果的差异以及植物对污染水体的适应性；植物对动态污染河 水的净化效果评价阱及浮床覆盖率、水力负荷、水深等条件对净化效果的影响；浮床载体 的优化、改进以及植物浮床技术周年运转可行性等问题都有待于去解决。本论文正是针对 这些存在的问题开展相关研究。 河海大学硕士学位论文 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”项目中的子子题“城市景观建设与水质改善相结合 的生态处理技术及示范工程”，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，较系统地开展了植物浮床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。对植物浮床目前研究和应用尚存在的一些问题进一步探 索，为示范工程中植物浮床技术的应用提供理论依据，使之更加科学、高效和广泛地应用， 从而为消减古城区河流污染找到一条有效的治理途径。 1 5 主要研究内容 植物浮床技术是一项系统的技术，包含很多的内容。本文开展了静态、动态模拟试验 并在苏州古城区内的苗家河开展现场应用，对植物浮床技术净化污染河水的效应及规律进 行了较系统的研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 低温条件下优势浮床植物的筛选。利用静态模拟试验比较了三种耐寒植物在低 温条件下对污染河水的净化效应以及生长状况。 ( 2 ) 不同污染程度水体的净化效果。利用静态模拟试验比较了两种常见浮床植物对 不同污染程度水体的净化效果以及植物的适应性。 ( 3 ) 不同时间段的净化效果与规律。在模拟河道中利用动态模拟试验，研究了水芹 菜浮床在不同生长阶段、不同水温条件下对动态污染河水的净化效果及规律。 ( 4 ) 最佳水力负荷、最佳浮床水面覆盖率、最佳水深的确定。在常温条件下利用模 拟河道试验分析研究了水力负荷、覆盖率、水深与各种污染物去除率之间的关系，并且得 出这三种参数的最优值。 ( 5 ) 示范应用研究。在苗家河示范区开展了“水蕹菜十美人蕉”以及“水芹菜- 水蕹菜” 两种浮床模式的实际应用，考察了这两种浮床模式的净化效果、植物季节性接茬的可行性， 并初步研究了浮床植物的根系微生态系统。 1 6 研究技术路线 本论文研究技术路线如图1 2 所示： 1 1 河海大学硕士学位论文 f 一 一 1 苏州古城区河苏州古城区河1 流污染特舒。流水文特征 一r 一 。一一t 。 _ r 一。j ! 一一一 植物浮床技术的提出 植物浮床技术的研究 图