（环境工程专业论文）水生植物净化富营养化水体效果及机理研究.pdf

摘要 摘要 中国水体富营养化比例逐年增加，富营养化程度不断加剧，形势十分严峻 水生植物具有良好的净水功能、生态效应、景观功能和潜在的经济价值，利用水 生植物净化富营养化水体前景十分广阔。本文旨在为富营养化水体的植物修复提 供理论依据和技术支撑。采用室内试验方式，重点对比考察了太湖水系土著水生 物种黄花水龙净化富营养化水体效果，并运用物量衡算和分布求解技术探讨了黄 花水龙净化氮磷机理，最后综合比较了太湖水系常见3 2 种水生植物净化富营养 化水体能力，主要结论如下： 夏季，每天每克鲜重黄花水龙可去除o 1 1 9 m g n 和0 0 1 4 m g p ，是水葫芦、 水花生和对照( 未种水生植物) 的2 6 、2 9 、3 8 倍和o 7 、1 9 、5 倍；冬季，每 天每克鲜重黄花水龙去除0 0 2 5 n a g n 和0 0 0 3n a g p ，是对照的5 倍和2 倍。黄花 水龙对n h 3 - n 和n 0 3 - - n 亦有良好的去除效果。 冬季种有黄花水龙的水体中，t n 去除原因依次为：天然水体中微生物( x , l - t n 去除贡献率为7 0 8 ) 、植物存在增加的微生物( 1 2 8 ) 、植物代谢( 1 8 o ) 、 植物吸附( 1 4 ) 、沉淀( o 5 ) 和植物存储( 3 2 ) ；t p 去除原因依次为：植 物存在增加的微生物( 6 0 9 ) 、天然水体中微生物( 3 0 5 ) 、植物代谢( 2 0 6 ) 、 沉淀( 8 3 ) 、植物吸附( 6 6 ) 和植物存储( - 9 4 ) 并估算了夏季黄花水龙 净化氮磷机理 最后，本文得到了3 2 种水生植物适应能力序列、蒸腾能力序列、富氧能力 序列、净化t n 、t p 、n h 3 - n 、n o x - n 、t p 、r p 和c h l a 能力序列。整个试验期 内，水生植物对水体中t n 和t p 去除的贡献率为3 3 和5 6 ，对整个系统中 t n 和t p 去除的贡献率为1 7 5 和1 8 2 ；藻类对水体中t n 和t p 去除的贡献 率分别为5 5 6 和3 8 9 e ；卵砾石基质对水体中t n 和t p 去除的贡献率为1 1 7 和2 5 2 。 关键词：富营养化水体、水生植物、净化效果、净化机理 a b s t r a c t t h es t a t u so fc h i n e s ee u t r o p h i cw a t e ri sv e r ys c v c r e ：t h er a t i oo fe u t r o p h i cw a t e r i n c 槲t s e se v e r yy e a r , a n de u t r o p h i c a t i o nd e g r e ei n t e n s i f i e sc o n t i n u o u s l y d u et ot h e i r g o o dp u r i f y i n ga b i l i t y , e c o l o g i c a le f f e c t s , l a n d s c a p ev a l u ea n dp o t e n t i a l l ye c o n o m i c v a l u e ，h y d r o p h y t e sh a v ep r o s p e r o u sf u t u r ei nt r e a t i n ge u t r o p h i cw a t e r t h e o r e t i c a la n d t e c h n i c a ls u p p o r t sw e r ep r o v i d e db yi n d o o re x p e r i m e n t s0 1 1u s i n gh y d r o p h y t e st o r e s t o r ee u t r o p h i cw a t e r p u r i f y i n ge f f e c to f j 嬲s m e as t i p u l a c e ao h w i ，an a t i v ek i n do f h y & o p h ”ei nt a i h ul a k eb a s i n , w e r ec o m p a r a t i v e l ys t u t i e di n 栅o p h i cw a t e r a n d i t sp u r i f y i n gm e c h a n i s mo nn i t r o g e na n dp h o p h o r u sw e r ed i s c u s s e dt h r o u g hm a s s b a l a n c e l a s t ，p u r i f y i n ga b i l i t ys e q u e u c e so f3 2k i n d so fh y d r o p h y t e si ne u t r o p h i c w a t e rw e r ec o m p a r e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ca sf o l l o w s ： i ns u m m e r , o 1 1 9m gn a n do 0 1 4m gpc a l lb er e m o v e db yp e rg r a mo f j u s s i a e a s t i p u l a c e ao h w ip e rd a y , w h i c ha r e1 6 ，1 9 ，2 8t i m e sa n d 一0 3 ，0 9 ，4t i m e sg r e a t e r t h a nt h o s eo f e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ( m a r t ) s o l m s , a l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e s ( m a r t ) g r i s e b ，a n dc o n t r o l ( u n v e g e t a t e d ) ，r e s p e c t i v e l y i nw i n t e r , o 0 2 5m gn a n do 0 0 3m g pc a nb er e m o v e db yp e rg r a mo f j u s s i a e as t i p u l a c e ao h w ip e rd a y , w h i c ha r e4t i m e s a n d1t i m e sg r e a t e rt h a nt h o s eo fc o n t r o l ，3 u s s t 口e ns t i p u l a c e ao h w ia l s oh a sg o o d r e l n o v a le f f e c t sf o ra m m o n i aa n dn i t r i t e i nw i n t e r , t h ec o n t r i b u t i o nr a t e sf o rt nr e m o v a li ns t u d i e dw a t e rw i l l l 舾缸e 口 s t i p u l a c e a o h w ia r e m i c r o o r g a n i s m i nn a t u r a lw a t e r ( 7 0 8 ) ，i n c r e a s e d m i c r o o r g a n i s md u et ot h ee x i s t e n c eo fh y d r o p h y t e ( 1 2 8 ) ，h y d r o p h y t em e t a b o l i s m o s 0 ) ，h y d r o p h y t ea d s o r p t i o n ( 1 4 ) ，s e d i m e n t a t i o n ( o 5 ) ，a n dh y d r o p h y t e s t o r a g e ( 3 2 ) t h ec o n t r i b u t i o nr a t e sf o rt p r e m o v a la l ei n c r e a s e dm i c r o o r g a n i s m d u et ot h ee x i s t e n c eo f h y d r o p h y t e ( 6 0 9 ) ，m i c r o o r g a n i s mi nn a t u r a lw a t e r ( 3 0 5 ) ， h y d r o p h y t em e t a b o l i s m ( 2 0 6 ) ，s e d i m e n t a t i o n ( 8 3 ) ，h y & o p h y t ea d s o r p t i o n ( 6 6 ) a n dh y d r o p h y t es t o r a g e ( - 9 4 ) t h er e m o v a lm e c h a n i s m so ft na n dt pi n s u m l n e rw e r ea l s oe s t i m a t e d b e s i d e s ，p u r i f y i n ga b i l i t ys e q u e n c e so nt n ，t p , n h r n ，n o x - n ，t p , r pa n d n c h l ao f3 2k i n d so fh y d r o p h y t e sw l l l - ec a l c u l a t e d , a sw e l la sa d a p t a b i l i t ys e q u e n c e , t r a n s p i r a t i o nr a t es e q u e n c e , o x y g e ne n r i c h m e n ta b i l i t ys e q u e n c e i nt h ew h o l e e x p e r i m e n tp e r i o d , t h ec o n t r i b u t i o nr a t e so fh y r o p h y t e sw o r e3 3 a n d5 6 0 1 1t n a n dt pr e m o v a li nw a t e r , a n d1 7 5 a n d1 8 2 o i lt na n dt pr e m o v a li nt h ew h o l e s y s t e m n 峙c o n t r i b u t i o nr a t so f a l g a ew e r e5 5 6 a n d3 8 9 a n dt h er a t e so f g r a v e l s w e r e “7 a n d2 5 2 o nt na n dt pr e m o v a li nw a t e r k e yw o r d s ：e u b o p h i cw a t c l - , h y d r o p h y t e s ，p u r i f y i n ge f f e c t ，p u f f 创n gm e c h a n i s m m 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) ：塑建姓2 0 0 7 年6 月1 3 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) ： 丞这龇 2 0 0 7 年6 月1 3 日 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 中国的河流、湖泊污染不断加剧，富营养化问题尤为突出，且呈发展趋势。 七十年代后期，全国约有2 7 的湖泊富营养化。八十年代末、九十年代初期，全 国约有6 3 的湖泊富营养化。到九十年代后期，8 5 的湖泊富营养化。2 0 0 1 年， 太湖8 为中富营养水平，9 2 为富营养化，淀山湖全部富营养化。2 0 0 4 年太 湖和滇池外海均属中度富营养状态，滇池更是处于重度富营养状态，巢湖属于轻 度富营养状态。目前城市湖泊几乎百分之百都处于重度富营养化，或者是异常富 营养化状态。 水体富营养化的直接后果是在适宜的光照和温度等条件下，水体中的蓝绿藻 大爆发，造成生态系统的大破坏，鱼类灭绝，水生植物死亡，影响人类正常的生 产生活活动，造成巨大的经济损失。以太湖为例，1 9 9 0 年夏天太湖梅梁湾蓝藻 大暴发，堵塞了无锡、苏州等水厂的取水口，无锡直接经济损失1 3 亿元；频繁 的藻类爆发，迫使无锡在2 0 0 1 年放弃内太湖水源作为饮用水源，改用外太湖水 源，并在2 0 0 6 年开始开辟长江作为第二饮用水源区，其问损失巨大。 藻类产生的藻毒素还直接威胁人畜饮水安全。藻毒素排在已知的天然毒素里 毒性排第二位，不仅有慢性毒性，蓝绿藻暴发时还会产生急性作用，造成每年世 界近千起死亡事件，调查表明藻类爆发时，我国太湖和滇池藻毒素浓度超标数千 倍以上。 鉴于我国水体富营养化比例的迅猛发展、富营养化程度的不断加剧和水体富 营养化产生的严重后果，研究治理富营养化水体己刻不容缓。近几十年来，随着 研究深入，人们逐渐认识到水生植物在河流、湖泊系统中的重要作用。水生植物 是水生态系统的初级生产者，能够有效地吸收水体中氮磷等生源要素，从而净化 水质，恢复受损生境。 因此，研究利用水生植物净化富营养化水体，充分发挥其净水功能以及生态 效应和景观功能，对于河流、湖泊富营养化水体治理具有重要现实意义。特别是 考虑到由于人类活动剧烈，目前河流、湖泊水生植物群落逐渐向单一化发展，并 河海大学硕士论文 有逐渐消亡趋势，本研究的开展对保护和重建水生植物群落更具有指导意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 富营养化水体修复技术概述 国外自六十年代开始重视水体富营养化研究，我国则在八十年代末期开展研 究。经过几十年的发展，国内学者逐渐形成了“减源一控污一截留一修复”的总 体治理思路。 归纳起来，国内外水体富营养化修复技术主要可以分为生物修复技术和工程 修复技术。生物修复技术指生物( 特别是微生物) 对环境中的污染物进行吸收或 氧化降解从而减少或最终消除环境污染的受控制或自发的过程【“，主要包括水生 植物修复技术、微生物修复技术、生态护岸修复技术、滨水湿地重建修复技术、 人工湿地修复技术等。工程修复技术就是采取工程性的强化措旌来减轻或消除水 体污染，主要有引水冲稀、生态清淤、人工曝气、生态河床等。 1 2 2 水生植物修复富营养化水体研究进展 目前，世界富营养水体修复的一个重要趋势是利用水生植物、尤其是维管束 植物和高等藻类来净化和改善水质! 3 1 研究内容主要包括净化效果和净化机理 研究。 ( 1 ) 水生植物净化效果研究 拦截外源污染物 富营养化水体外源污染物汇入是水体污染源的主要方面，外源污染物主要包 括城市、乡镇生产生活污水和农业面源污染。随着城市，乡镇生产生活污水集中 处理率的逐渐提高，农业面源污染逐渐上升为富营养化水体的头号污染源【4 1 。在 太湖地区农田构建的生态隔离草带，可有效控制农田土壤氮磷向水体迁移。研究 还表明沟渠塘等洼地系统亦可有效减少农业面源汇入，其中水生植物发挥重要作 用。 吸收氮磷要素 葛滢等5 1 研究了1 4 种水生植物净化不同富营养化水体，表明对于重度富营 2 第一章绪论 养水体，空心菜净化效果最好，风眼莲和鸭跖草其次，灯芯草、知风草和水芹菜 也有定效果；对于轻度富营养化水体，鸭跖革、喜旱莲子草最好，风眼莲、空 心菜、酸模叶蓼均较好，石菖蒲、灯芯草、知风草、穹隆苔草、萱草略差，但可 四季使用。 童昌华等研究了【6 】低温季节6 种水生植物对养鱼池污水的净化效果，结果表 明6 种水生植物对总氮、总磷和硝氮有较好去除效果，处理4 8 天能显著提高水 体透明度。总氮去除能力序列为：狐尾藻 微齿眼子菜 马来眼子菜 凤眼莲 苦草 金鱼藻；硝氮去除能力序列为：狐尾藻、微齿眼子菜 马来眼子菜、风眼 莲、苦草 金鱼藻；提高透明度能力序列为：金鱼藻、微齿眼子菜 狐尾藻、马 来眼子菜、凤眼莲 苦草。 许航等盯铡用水花生和水葫芦塘处理校园生活污水和食堂废水，全年对氮磷 具有较高的去除效果，氨氮去除率在8 0 - 一9 0 ，正磷酸盐去除率在7 0 0 0 - 9 9 ， 总磷去除率在6 0 0 一9 6 。 据王超等瞪l 在朝东圩港河段现场观测，河道沿岸的挺水植物( 芦苇等) 对氨氮 具有很强的削减作用，氨氮通过河道两岸的芦苇带时衰减系数是混凝土护坡河段 的3 倍左右，氨氮的削减量可达混凝土护坡河段的2 倍左右。 b 毛解高浓度有机污染物 袁蓉等p 利用凤眼莲处理初始浓度为4 3 、9 9 、1 3 2m e , l 的萘污水，净化 率分别达到9 2 0 、8 5 4 和8 4 2 。黄文风等 1o 】研究了利用用厌氧一兼氧一水 葫芦一吸附组合工艺处理t n t 和r d x 混合废水，当混合废水总浓度为4 - 1 2m g l 时， 经过该工艺处理后可达到国家排放标准，其中水葫芦段萍j t l q t 和r d x 的去除占整 个系统去除的2 5 - 4 0 左右。据m 一ld ec a s a b i a n c a t 1 等试验，水葫芦可以去石 化废水中2 6 的悬浮颗粒物、2 8 的碳氢总化合物和1 8 的总有机碳。水生植物 还可以净化奶牛厂厌氧消化污水翊、造纸厂污水、染料废水、垃圾渗滤液【1 3 】等。 富集重金属 a m e h r a 等| 1 4 l 研究表明水葫芦能够吸收除了c o 、a l 和f e 外所有的元素。 yl z h u 等指出利用水葫芦富集痕量金属c d 2 + 、c l p 最好，其次是s e a 、c u 2 + ， 再次是a s 5 + 、n i 2 + 。而且重金属主要富集在水葫芦的根部f 1 6 】 不仅活体水生植物具有去除重金属能力，干的水葫芦同样能够吸附重金属。 河海大学硕士论文 据k u b e rc b h a i n s a 和s f ds o u z a 1 刀研究表明，干的水葫芦根能够在4 m i n 内吸 附去除5 4 的铀。c o l l e e n 和a b i g a l e 【1 8 l 发现水葫芦根部能去除切尔诺贝利核电站 附近的铕。 抑制底泥中污染物再释放 沉水植物能够减少因风和摄食底栖生物的鱼类所引起的底泥再悬浮嘲。挺水 植物和浮水植物主要通过对水流的阻尼减少风浪扰动，使底泥中营养物质溶出速 度明显受到限制【2 0 1 ，挺水植物错综复杂的根茎还能够起到固定底泥的作用 抑制藻类生长 1 9 4 9 年h a s l e r 等人首次发现水生植物对藻类的克制效应，k o g a n 等指出金 鱼藻对蓝藻有非常好的抑制效果，但对绿藻却无任何影响【2 l 】。a l k a 等2 2 1 研究发 现，水葫芦的根和叶的渗滤液均能够抑制斜生栅列藻的生长。m e s o l t a n 和m n r a s h o d 2 3 1 也证实了水葫芦对浮游植物的抑制作用。 清华大学李峰民和胡洪营1 2 4 】比较了芦苇、宽叶香蒲、水葱、莲、慈姑、荇菜 和菱浸出液对藻类的化感抑制作用，指出芦苇的抑制作用最强，当芦苇浸出液为 1 0 班时，抑制率可达9 7 6 ，且芦苇叶片的化感作用最强。对小球藻的半效应 浓度依次为芦苇 莲 慈姑 水花生 黄花水龙。黄花水龙在夏季对c o d u 。去除率为负值主 要是衰老植株在水体内腐烂引起。 冬季黄花水龙虽然对c o o u 。的净去除率仍为负值，约一1 5 ( 2 6 b ) ，但去除 率却在3 5 左右，说明冬季黄花水龙对c o d 有一定的去除作用，只不过是去 除速度慢于对照，这主要是因为冬季黄花水龙生物量在实验期内基本不变，观察 到植株衰败现象较少发生。因此进一步证实黄花水龙自身衰败是导致水体 2 o 8 6 4 2 o 一，i，宕暑一oo 7 6 5 4 3 2 l o ，h ，暑g v o a 河海大学硕士论文 c o 功咖去除效果差的主要原因。 鬟 。 姗 畿 稍 差 凸 o u o 图2 6 试验水体中c o d m n 去除率 2 3 5 对总氮的去除效果 l o 2 03 0 时问( d ) 由图2 7 a 可以看出，3 种水生植物在夏季对总氮均有明显的去除效果，且去 除率存在明显差异，黄花水龙对t n 的去除率明显高于水葫芦、水花生和对照。 有黄花水龙的水体中t n 去除率为6 0 ，每天每克鲜重黄花水龙可去除0 1 1 9m g n 。有水葫芦和水花生的水体中t n 去除率分别约为2 3 和2 1 ，对照水体中t n 去除率仅为1 6 左右黄花水龙对t n 的去除效果( 去除率及单位时闻单位鲜重 植物的去除能力，下同) 分别是水葫芦、水花生和对照的2 6 、2 9 和3 8 倍。万 志刚等i 】对1 0 种水生植物的研究发现水葫芦对t n 的去除能力最强。本研究的 结果表明，黄花水龙对t n 的去除能力甚至高于水葫芦，可见黄花水龙是一种理 想的植物材料用于净化富营养化水体中的氮素。 冬季低温条件下，有黄花水龙的水体中t n 平均去除率可达2 3 ，每天每克 鲜重黄花水龙去除0 0 2 5m gn ；对照水体中t n 平均去除率仅为7 ；冬季黄花 水龙对t n 的去除效果是对照的3 3 倍( 图2 7 b ) 。可见低温条件下黄花水龙对氮 素依然具有良好的净化效果。 柏 o 加 柏 卯 ，v静逝咐盯ou 第二章黄花水龙净化富营养化水体效果研究 ol o2 0 时间( 由 圈2 7 试验水体中1 n 去除率 2 3 6 对氨氮的去除效果 2 03 0 4 0 5 0 时问( d ) 夏季试验第3 d 1 0 d ，各受试水体中n h 3 - n 浓度由6 5 6m g l 急降至0 3 m g l 0 6 m g l ，去除率在9 0 9 5 左右，且有黄花水龙水体中n h 3 - n 的去除 速度明显快于有水葫芦和水花生水体( 图2 8 a ) ，后期有黄花水龙的水体中n h 3 - n 浓度高于其它试验水体，原因可能是试验后期水面以下的黄花水龙植株衰败产生 的n h 3 n 重新释放到水体中。冬季试验| j 3 0 ( ：1 ，有黄花水龙水体中n h 3 一n 浓度 由6 2 3m g l 降至0 1 4m g l ，去除率达9 8 ，去除效果比对照高出1 3 6 8 ( 图2 8 b ) 。黄蕾等【6 5 l 对冬季伊乐藻等4 种水生植物对氨氮吸收效果的研究也得 到类似的结果。 已有的研究表明，水体中n h 3 - n 去除的主要途径有植物吸收、硝化反应和 氨挥发等 6 6 1 。氨挥发的条件之一是水体p h 8 0 ，而监测结果显示各试验水体p h + 对照灭菌 + 对照火菌一对照，1 一 ：vl o 2 03 时h j ( d ) ol o2 0 时问( d ) 图3 4 对照和对照灭菌t n 浓度图3 5 植物灭菌和植物正常t n 浓度 ( 4 ) 微生物对t p 净化的作用 由图3 6 ，对照t p 浓度比对照灭菌略低0 0 5m g l 左右，至第3 0 天，低o 0 6 m g l ，由此计算得出天然水体中由于微生物作用而去除的磷素为3 1 5n a g 。由图 3 7 ，植物j 下常比植物灭菌t p 浓度低o 1 5m g l 左右，至第3 0 天，低o 1 8m g l ， 计算得出种有黄花水龙水体中，由于微生物作用造成磷素减少的量为9 4 5m g 。 对比图3 6 和图3 7 ，由于黄花水龙存在有利于微生物生存与繁衍，增加的 微生物造成磷素减少的质量为6 3 0m g 。 2 6 第三章黄花水龙净化氮磷机理研究 罾 适 誊 o1 02 03 0 时间( d ) 图3 6 对照和对照灭菌t p 浓度图3 7 植物灭菌和植物正常t p 浓度 3 3 3 氨挥发作用 氨气收集装置如图3 8 。采用小水泵鼓风，将一定密闭水域上方空气不断吹 出，吹出的空气经过两次稀硼酸吸收，剩余气体排入大气。4 8h 后，将稀硼酸拿 去实验室滴定，计算氨气的含量。 图3 8 氨气收集装置 试验过程中，共对缸l 、缸2 、缸4 和缸8 进行氨气吸收测定，其中缸8 共 进行3 次，结果表明所有受试水体均未有氨气挥，即氨挥发对水体中氮素的去除 贡献为0 。 河海大学硕士论文 3 3 4 植物吸附作用 ( 1 ) 试验方法 本试验采用超声波清洗吸附在植物表面的氮磷质量。具体方法如下：将采集 的2 5g 黄花水龙用水清洗后，放入盛有5 0 0m l 超纯水的烧杯中，将烧杯放入频 率为2 0k h z 的超声波震荡器中进行充分地清洗。取烧杯中的混合水样，测定氮 磷含量 ( 2 ) 植物吸附作用计算方法 受试黄花水龙在进缸前用自来水仔细冲洗3 遍，再用超纯水清洗2 遍，采用 上述方法测定植物表面剩余的氮磷本底值。试验过程中，采植物样进行超声波清 洗，计算植物表面氮磷含量。用此值减去本底值，得到植物吸附作用去除的氮磷 质量。 ( 3 ) 清洗时间和本底值确定 通过多次试验确定超声波清沈时间和本底值，见图3 9 和图3 1 0 。由图3 9 和图3 1 0 ，清沈时间确定为2 0m i n ，每克鲜重黄花水龙表面氮素本底值为0 0 2 9 4 m g , 每克鲜重黄花水龙表面磷素本底值为0 0 1 2 7m g 。 仓0 0 2 9 z 菖0 0 2 8 怒o 0 2 7 幡 置0 0 2 6 0 0 2 5 1 52 02 53 0 清洗时问( m i n ) 图3 9 清洗时间与氮素本底值 ( 4 ) 植物吸附作用 掣 0 - * 巨 、一 趔 世 幡 皇 1 52 02 53 0 清洗时间( m i n ) 图3 1 0 清洗时间与磷素本底值 试验末期，每克鲜重黄花水龙表面氮素值为0 0 8 6 6m g ，因此试验过程中每 克鲜重植物表面吸附的氮素含量为0 0 5 7 2n a g 。每克鲜重黄花水龙表面磷素值为 0 0 2 3 7m g ，整个试验过程中每克鲜重植物表面吸附的磷素含量为0 0 1 1 0m g 。试 验结束时黄花水龙鲜重为6 1 5g ，植物吸附的氮磷量分别为3 5 2m g 和0 6 8m g 。 呲 哪 瞄 晰 瞄 耋 蝴 o o o o o o o o 第三章黄花水龙净化氮磷机理研究 3 3 5 植物存储作用 通过监测单位鲜重植物体内含有的氮磷量和植物鲜重变化，计算植物吸收而 存储在植物体内的氮磷质量。单位鲜重植物体内氮磷含量见表3 1 。试验结束时， 正常生长的黄花水龙鲜重为6 1 5g ，下降了3 5g ，因此存储在植物体内的氮磷含 量分别为- 7 8 lg 和m 9 7g 。 表3 1 黄花水龙体内氮磷含量 3 3 6 植物代谢作用 植物吸收水体中的氮磷等营养物质，首先是满足代谢需要，富余的营养物质 才会以植物蛋白等形式存储于植物体内。首先计算植物的直接作用，计算方法为 植物灭菌去除的氮磷总量减去对照灭菌的氮磷总量。植物直接作用减去植物表面 吸附的氮磷量，为植物的吸收作用。植物的吸收作用减去植物存储作用，便得植 物代谢作用。 由图3 1 l ，植物灭菌比对照灭菌t n 浓度低o 6 7 m 班，至第3 0 天，低0 7 6 m g l ，因此由于植物直接作用造成水体中氮素减少的量为3 9 9 m g 。由图3 1 2 ， 植物灭菌比对照灭菌t p 浓度低0 0 3 5m 班，由于植物直接作用造成水体中磷素 去除的质量为1 8 4m g 。 01 02 03 0 时问( d ) 图3 1 l 对照灭菌和植物灭菌t n 浓度 时间( d ) 图3 1 2 对照灭菌和植物灭菌t i p 浓度 ，墨tn)魁蛏卜 ，矗甚v越蒜苔 河海大学硕士论文 由植物直接作用和植物吸附作用，植物吸收作用造成水体氮磷减少的量分别 为3 6 3 8n a g 和1 1 6m g 。由植物吸收作用减去植物存储作用，得植物代谢作用去 除水体中氮磷的量分别为4 4 1 9m g 和2 1 3n a g 。 3 4 讨论 3 4 1 冬季黄花水龙净化氮磷机理 冬季种有黄花水龙、未投加灭菌剂的水体中，氮磷分别减少的质量为2 4 4 9 9 m g 和1 0 3 4 m g 。冬季种有黄花水龙水体中，氮磷去除机理见图3 1 3 和图3 1 4 。 由图3 1 3 ，冬季种有黄花水龙的水体中，氮素去除的主要原因是微生物的作 用，对总氮去除贡献率为8 3 6 ，其中由于植物存在增加的微生物对氮素净化贡 献率为1 2 8 ，植物直接作用对总氮去除贡献率为1 6 3 。将各部分贡献率相加， 得1 0 0 4 ，表明计算过程正确无误。 摹 v 静 藿 躲 摇 妊 掌 受 慝囫囫 沉淀微生物1微生物2植物吸附植物存储植物代谢 注；微生物1 指生长在天然水体中的微生物； 微生物2 指由于水生植物存在导致较天然水体中增加的微生物。 图3 1 3 冬季黄花水龙净化氮素机理 由图3 1 4 ，冬季种有黄花水龙的水体中，磷素去除的主要原因亦是微生物的 作用，对总磷去除贡献率为9 1 4 ，其中由于植物存在增加的微生物对磷素净化 贡献率为6 0 9 ，植物直接作用对总磷去除贡献率为1 7 8 将各部分贡献率相 加，得1 1 7 5 ，表明计算过程误差在允许误差范围内。 如柏m 0 第三章黄花水龙净化氨磷机理研究 沉淀微生物1微生物2植物吸附植物存储植物代谢 注：徽生物1 指生长在天然水体中的微生物； 徽生物2 指由于水生植物存在导致较天然水体中增加的微生物。 图3 1 4 冬季黄花水龙净化磷素机理 3 4 2 夏季黄花水龙净化氮磷机理 由冬季试验可知，沉淀作用和植物吸附作用对水体中氮磷的去除贡献很小， 因此在推算夏季种有黄花水龙水体氮磷去除机理时，忽略这两部分作用，只考虑 微生物作用和植物存储和代谢作用。本试验的植物代谢作用指的是维持水生植物 活性所消耗的最基本的氮磷量，推算时假定相同鲜重的夏季植物代谢作用与冬季 相同，推算成果见图3 1 5 和图3 1 6 。 由图3 1 5 和图3 1 6 ，夏季种有黄花水龙水体中氮素和磷素去除的主要原因 均是植物存储，贡献率分别为6 0 5 和7 8 o ，其次是微生物作用。 摹 v 哥 藿 暇 懈 嫠 篁 建 微生物植物存储植物代谢微生物植物存储植物代谢 图3 1 5 夏季黄花水龙净化氮素机理图3 1 6 夏季黄花水龙净化磷素机理 竹蛐如m o m 幂v得藿暇搬鼙摹悫 如舯如柏m o 加 如 如 m o 零v静藿暇懈聒暮蠹 河海大学硕士论文 3 4 3 夏季和冬季黄花水龙净化氮磷机理比较 对比冬季和夏季氮磷去除的主要原因，发现不同季节种有水生植物水体氮磷 净化机理存在很大差异。冬季主要是微生物起主要净化作用，此时由于水温较低， 水生植物处于维持最基本的代谢以满足最基本的生命活动状态，植物对水质直接 贡献有限，但是由于植物的存在增加的微生物对水体净化起重要作用。 夏季种有黄花水龙水体中，主要氮磷净化原因是植物的吸收作用，其中大部 分存储于植物新增加的生物量中，另一部分满足植物日常代谢以维持基本的生命 活动。微生物也是水体中氮磷净化的重要原因。 3 5 本章小结 本章采用物量衡算和分步求解方法，定量计算冬季种有黄花水龙水体中氮磷 的净化机理，并且在此基础上，估算夏季种有黄花水龙水体中氮磷的净化机理。 ( 1 ) 冬季种有黄花水龙的水体中，微生物作用是总氮去除的主要原因，对 总氮去除贡献率为8 3 6 ，其中天然水体中微生物对总氮去除贡献率为7 0 8 ： 由于植物存在增加的微生物对总氮去除贡献率为1 2 8 。植物直接作用对总氮去 除贡献率为1 6 3 ，其中植物吸附作用对总氮去除贡献率为1 4 ；植物存储作 用对总氮去除贡献率为一3 2 ；植物代谢作用对总氮去除贡献率为1 8 0 。沉淀 作用对总氮去除贡献率仅为o 5 。 ( 2 ) 冬季种有黄花水龙的水体中，微生物作用也是总磷去除的主要原因， 对总磷去除贡献率为9 1 4 ，其中天然水体中微生物对磷素净化贡献率为3 0 5 ； 由于植物存在增加的微生物对磷素净化贡献率为6 0 9 。植物直接作用对总磷去 除贡献率为1 7 8 ，其中植物吸附作用对总磷去除贡献率为6 6 ；植物存储作 用对总磷去除贡献率为9 4 ；植物代谢作用对总磷去除贡献率为2 0 6 。沉淀 作用对总磷去除贡献率为8 3 。 ( 3 ) 夏季种有黄花水龙的水体中，植物存储是总氮去除的主要原因，对总 氮去除贡献率为6 0 5 ，微生物作用对总氮去除贡献率为2 2 o ，植物代谢作用 对总氮去除贡献率为1 7 5 。夏季种有黄花水龙的水体中，植物存储对总磷去除 贡献率为7 8 o ，微生物和植物代谢作用对总磷去除贡献率为1 3 1 和8 8 。 第四章水生植物净化富营养化水体能力中试海选试验 第四章不同水生植物净化富营养化水体能力研究 4 1 前言 水生植物的种类繁多，目前研究和应用在水生态修复中的植物种类只有大约 几十种。即使这几十种也难以得出净化能力序列，因为通常的研究仅选择一两种 至五六种植物作为研究对象，由于各研究试验初始条件及控制条件存在较大差 别，因此从不同文献总结出水生植物净化能力序列虽有一定的参考价值，但偏差 较大。 本章采集太湖水系常见的3 2 种水生植物，在实验室可控同等条件下，比较 各水生植物净化富营养化水体效果，得出净化能力序列，并探讨了水生植物净化 系统净化机理。 4 2 试验材料与方法 4 2 1 水生植物 通过实地野外考察和初步筛选，采集了太湖水系常见的3 2 种水生植物作为 研究对象，植物名称见表4 1 。 表4 1 采集的太湖河网水系3 2 水生植物 植物类型种类植物中文名称植物拉j 文名称照片 沉水植物 挺水植物 伊乐藻 金鱼藻 s 种 薹薹 马来眼子菜 水绵 1 8 种再力花 慈姑 香蒲 狭叶香蒲 e l o d e an u t t a l l i i c e r a t o p h y l l u md e m e r s u ml i n n v a n i s n e r i aa s i a t i c am i k i p o t a m a g e t o nc r i s p u sl i n n h y d r i u i av e r t i c i l l a t a c l a d o p h o r af a s c i c u l a r i s t b a l i ad e a l b a t a s a g i n a r i as a g i t t i f o l i al i m a t y p h ao r i e n t a l i sp r e s l t y p h aa n g u s f i f o l i al i n n 附录图l 附录图2 附录图3 附录图4 附录图5 附录图6 附录图7 附录图8 附录图9 附录图1 0 河海大学硕士论文 浮水( 叶) 植物8 种 梭鱼草 水葱 纸莎草 风车草 石龙芮 茭白 干倔菜 水芋 水芹 芦蒿 泽泻 小水葱 藤草 禾本科 浮萍 菱角 荇菜 萍蓬草 水花生 水龙 水葫芦 大漂 p o n t e d e r i al a n c e o i o t a s c r i l , u sv a l i d u sv a h l e g y p e a np a p y r u s c y p m b a l t e r n i a f o f i u sl i n n s s p r a n u n c u l u ss c e l e r a t u sl i m a z i z a n i al a f i f o l i a ( g l i ”s t a p f l y t h r m ns a l i c a r i a c a l l ap a l u s t r i sl i m o e n a n t h e j a v a n i c a ( b l a m e ) i x ： a r t e m i s i as e l e i r g e n s i st u r o z a l i s m ap l a n t a g o a q u a t i c al i n n $ c r i p u sv a l i d u sv a h l s c r i p u st r i q u e t e rl i n n c r r a m i n e a e l e m n am i n o c rl i n n t r a p a j a p o n i c af l e r n y m p h o i d c si n d i c a n u p h a rp m n i l u m a l t e m a n t h e r ap l i i l o x e r o i d e s ( m a r t ) g r i s t , l u s s i a e ar e p e n sl i n n e i c h h o m i ac r a s s i p e s ( m a r t ) s o l m sl a u b p i s t i at r a t i o t e s “n n 附录图 附录图 附录图 附录图 附录图1 5 附录图1 6 附录图1 7 附录图1 8 附录图1 9 附录图2 0 附录图2 l 附录图2 2 附录图2 3 附录图2 4 附录图2 5 附录圈2 6 附录图2 7 附录幽2 8 附录幽2 9 附录圈3 0 附录幽3 l 附录酗3 2 4 2 2 试验容器与水体 试验容器采用白色塑料容器( 3 6c m x 2 6c m x 2 0c m ) ，容器底部铺有2 5k g 粒径约为1c m 的卵砾石( 雨花石) 用于固定植物根部，每个容器放置1 2l 的试 验水体。试验水体采自南京市乌龙潭，水体常年为富营养化水体。 4 2 3 试验方法 试验在河海大学教育部浅水湖泊重点实验室温室内进行( 图4 1 ) 。保持室内 通风良好，如若下雨则及时关闭天窗和门窗。试验分为两期，第一期为2 0 0 6 年 5 月2 1 日至5 月3 1 日，共1 1 天；第二期为2 0 0 6 年6 月1 日至6 月1 2 日，共 第四章水生植物净化富营养化水体能力中试海选试验 1 2 天。 图4 1 试验现场照片 将采集回来的水生植物用静置1d 的自来水洗净，放入盛有乌龙潭富营养化 水体的容器中进行适应性水培。一周后，在晚上挑选生长茁壮的水生植物，参考 其野外生长密度，并考虑到不同植物类型个体差异，洗净，自然风干1 0m i n ，秤 重，将水生植物种植在盛有乌龙潭水体的试验容器中。每种水生植物设置3 个平 行，第一期试验增加3 个不放水生植物、但放卵砾石的对照，第二期又增加了3 个既不放水生植物也不放卵砾石的对照。 水样取样时间定于晚上2 0 ：0 0 ，时间间隔为3 天，每盆水样量为准确1 0 0m l ， 采样后及时监测各监测指标。植物样监测时间为试验开始与结束。比较得出常见 水生植物净化能力序列。 4 2 4 监测指标与方法 监测指标及分析方法见表4 2 ，其中l i p 为水体中可溶性活性正磷酸盐，t 为 水温，c h l a 为水体中叶绿素a 的含量，其它指标同前。试验采用英国s e a l a n a l y t i c a l 公司生产的a q 2 + 全自动间断化学分析仪( 图4 2 ) 来监测r p 、n i - 1 4 + _ n 、 n o ；n 、n 0 2 。- n 和n 0 3 - n 。a q 2 + 全自动间断化学分析仪在间断临床化学分析、 连续流动化学分析技术的基础上，显著地提高了极其的性能和灵活性，其主要优 点如下：( 1 ) 监测方法与国际接轨，本仪器可按照u s e p a 方法或u k 方法操作； 河海大学硕士论文 ( 2 ) 实现自动监测，克服了繁琐的手工操作；( 3 ) 所需水样体积少( 几百微升) ， 所需试剂体积少( 几十微升) ：( 4 ) 极大地减少了废水的产生。 表4 2 监测指标与分析方法 监测指标监测方法参考标准 t n 口 l t p n h 4 + - n n o ；-