（环境科学与工程专业论文）生物岛栅对污染河水的长期净化效果及微生物机理研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 目录 。i i 第一章引言 1 1 1 研究背景及意义1 1 2 河流水质净化技术概述2 1 3 生物浮岛水质净化技术5 1 3 1 生物浮岛净化机理5 1 3 2 生物浮岛组成6 1 3 3 技术研究进展7 1 4 研究目的和内容8 1 4 1 研究目的8 1 4 2 研究内容8 第二章实验装置及方法 1 0 2 1 实验装置及材料1 0 2 1 1实验装置10 2 1 2 岛栅植物1 1 2 1 3岛栅填料1 l 2 2 水样采集及测定方法1 3 2 3 生物学指标及实验方法1 4 2 3 1 总d n a 的提取1 4 2 3 2p c r 扩增15 2 3 3d g g e 电泳1 6 第三章生物岛栅系统长期水质净化效果及微生物机理研究 1 9 3 1 生物岛栅的运行情况1 9 3 1 1 系统理化参数变化。1 9 3 1 2岛栅植物生长情况2 0 3 2 生物岛栅长期水质净化效果2 2 3 2 1 水芹岛栅系统污染物长期净化效果2 2 3 2 2 鸢尾岛栅系统污染物长期净化效果2 6 3 2 3 两种系统净化效果对比3 0 3 3 微生物机理研究3l 3 3 1 p c r d g g e 图谱分析3 2 3 3 2 岛栅系统内微生物结构分析3 5 3 4 小结3 8 第四章生物岛栅技术工艺优化 4 1 弹性填料长度影响4 0 4 2 植物密度影响4 2 4 3 岛栅覆盖率影响4 5 4 4 水力停留时间影响4 8 4 5 植物收割影响5 0 4 6 d 、结5 2 第五章生物岛栅技术处理污染河水的工程应用 5 1 新薛河中试实验5 3 5 1 1 中试基地介绍。5 3 5 1 2 中试实验结果5 4 5 2 小沙河西支示范工程5 6 5 2 1 生物岛栅示范工程概况5 6 5 2 2 生物岛栅示范工程的水质净化效果5 7 5 2 3 生物岛栅示范工程效益5 8 第六章结论与展望 6 1 结论6 0 6 2 展望6 l 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表论文 6 3 6 7 6 8 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c ti nc h i n e s e a b s t r a c ti ne n g l i s h 1 i n t r o d u c t i o n c o n t e n t s i i i i l 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y 1 1 2o v e rv i e wo f t h er i v e rp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 2 1 3b i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n dt e c h n o l o g y 5 1 3 1p u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo f t h eb i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n d 5 1 3 2c o m p o s i t i o no f t h e b i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n d 6 1 3 3r e s e a r c hp r o g r e s so f t h eb i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n d 7 1 4p u r p o s ea n dc o n t e n t so f t h e s t u d y 8 1 4 1r e s e a r c ho f t h es t u d y 8 1 4 2m a i nc o n t e n t so f t h es t u d y 8 2 e x p e r i m e n ts e t u pa n dm e t h o d s 1 0 2 1s e t u pa n dm a t e r i a l so f t h ee x p e r i m e n t 1 0 2 1 1c o n s t r u c t i o no f t h ee x p e r i m e n ts e t u p 1 0 2 1 2p l a n t so f t h ei s l a n dg r i d 1 1 2 1 3f i l l e ro f t h ei s l a n dg r i d 1 1 2 2s a m p l i n ga n dm e a s u r i n go f t h ew a t e r 1 3 2 3d e t e r m i n a t i o no f t h eb i o l o g i c a li n d e x e s 1 4 2 3 1t o t a ld n ae x t r a c t i o n 1 4 2 3 2p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ( p c r ) 1 5 2 3 3t e m p e r a t u r eg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ( d g g e ) 1 6 3 l o n g t e r mp e r f o r m a n c ea n dm i c r o b i a lm e c h a n i s mo ft h et e c h n o l o g y 1 9 3 1o p e r a t i o nc o n d i t i o no f t h eb i o l o g i c a li s l a n d 鲥d 1 9 3 1 1v a r i e t i e so f p h ) r s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e r so f t h es y s t e m 1 9 3 1 2g r o w t hc o n d i t i o no f t h ei s l a n dp l a n t s 2 0 3 2l o n g t e r mw a t e rp u r i f y i n ge f f e c to f t h eb i o l o g i c a li s l a n d 鲥d 2 2 3 2 1l o n g - t e r mp o l l u t i o nr e m o v a li nt h eo e n a n t h e j a v a n i c as y s t e m 2 2 3 2 2l o n g t e r mp o l l u t i o nr e m o v a li nt h ei r i sp s e u d a c o r u ss y s t e m 2 6 3 2 3c o m p a r i s o no f t h ep u r i 矽i n ge f f e c t si nd i f f e r e n tp l a n ts y s t e m s 3 0 3 3r e s e a r c ho nm i c r o b i a lm e c h a n i s m 3 1 3 3 1a n a l y s i so f t h ep c r - d g g ep a t t e r n 3 2 3 3 2a n a l y s i so f m i c r o b i a ls t r u c t u r ei ni s l a n dg r i ds y s t e m 3 5 3 4b r i e f s u m m a r y 3 8 4 t e c h n i c a lo p t i m i z a t i o no ft h eb i o l o g i c a li s l a n dg r i d 4 1e f f e c to f t h ef i l l e rl e n g t h 4 0 4 2e f f e c to f t h e p l a n t sd e n s i t y 4 2 4 3e f f e c to ft h ei s l a n dg r i dc o v e r a g e 4 5 4 4e f f e c to f t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e 4 8 4 5e f f e c to f t h eh a r v e s tt i m e 5 0 4 6b r i e fs u m m a r y 。5 2 5 a p p l i c a t i o no f t h eb i o l o g i c a li s l a n dg r i df o rt r e a t i n gp o l l u t e dr i v e r 5 1p i l o te x p e r i m e n ti nt h ex i n x u er i v e r 5 3 5 1 1i n t r o d u c t i o no f t h ep i l o tb a s e 5 3 5 1 2r e s u l to f t h ep i l o te x p e r i m e n t 5 4 5 2b i o l o g i c a li s l a n dg r i dd e m o n s t r a t ep r o j e c to f t h ex i a o s h ar i v e r 5 6 5 2 1e n g i n e r r i n gs i t u a t i o no f t h ed e m o n s t r a t ep r o j e c t “5 6 5 2 2p u r i f y i n ge f f e c t so ft h ed e m o n s t r a t ep r o j e c t 5 7 5 2 3b e n e f i t so f t h ed e m o n s t r a t ep r o j e c t 。5 8 6 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 。”6 0 6 1c o n c l u s i o n 。6 0 6 2p r o s p e c t 6 1 r e f e r e n c e s a c k n o w l e d g e m e n t s 。”“”6 7 p u b l i s h e dp a p e r 一 山东大学硕士学位论文 摘要 南水北调工程是改善水环境质量、保障饮水安全的重要措施，南四湖作为东 线工程中重要的输水通道和调蓄湖泊，出现了水质污染严重、湿地面积减小、调 蓄能力减弱等一系列问题，这严重阻碍了南水北调东线工程的建设。本文以生物 岛栅系统为研究对象，通过小试实验、中试基地实验和示范工程应用，研究了该 技术对污染河水的长期污染物去除效果及其微生物机理，并进行了初步的工艺参 数优化，为生物岛栅水质净化技术应用于南四湖入湖河流小沙河的水质净化 提供技术支持。 实验表明生物岛栅系统的长期净化效果良好，对氨氮的去除率一般在9 5 以上，c o d 去除率大于7 5 ，氨氮出水接近零排放，c o d 的出水浓度低于2 0 0 m g l ，均达到国家地表水三类水标准。总氮和总磷去除率约7 0 ，总氮出水浓 度为1 3 3 - 3 1 8m g l ，总磷为0 3 6 - 0 8 5m g l ，均高于地表三类水标准，这主 要是由系统规模较小及微生物种类和数量积累不够等原因造成，进水负荷较高也 有重要的影响。结果同时表明生物岛栅技术对总磷的净化效果较差，需要更多的 研究和改进。 水芹岛栅系统工艺优化实验显示填料长度、植物密度、岛栅覆盖率、水力停 留时间等因素都可以影响各类污染物的去除率。结果表明填料长度占水深2 3 、 水芹密度为3 2 株m 2 、岛栅覆盖率为3 0 时是比较合适的条件，能够达到一个较 高的净化效率。此外，本研究建议工程应用的水力停留时间为6 天，鸢尾和水芹 合适的收割时间在1 1 月初，不同植物由于耐寒能力不同有所差别，可根据实际 情况变动。 实验所得样品中生物多样性指数为1 9 3 - - 2 6 5 ，微生物信息较丰富，结果显 示不同植物系统间微生物群落结构较相似，季节变化对其影响较大。测序比对后 发现系统内微生物种类最多的为变形菌门，占样品总数的4 6 2 ，其次为不可培 养的菌类。这些微生物中较多的是固氮菌和降解硝酸盐类菌种等，这对水体氮污 染去除有重要的意义。 基于上述研究，在小沙河西支建立了生物岛栅示范工程。工程初步净化河水 效果良好，出水基本能达到国家地表三类水标准，能够满足南水北调东线工程水 质要求，同时需要在未来的长期运行中更深入地考察。同时，示范工程的建成和 长期运行能带来显著的观赏价值和经济效益。 关键词：生物岛栅；污染河水；富营养化；微生物机理；工艺优化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c tw a sd e s i g n e dt os o l v et h ew a t e rp o l l u t i o n p r o b l e m a n d p r o t e c tt h es a f e t yo fd r i n k i n gw a t e ri nn o r t h e r nc h i n a n a n s il a k ei so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tl a k e s 雒w a t e rc h a n n e la n ds t o r i n gl a k ei n t h i sp r o j e c t ，b u ta s e r i e so fp r o b l e m sh a m p e r e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep r o j e c ts e r i o u s l y , s u c h 弱w a t e r p o l l u t i o n ，r e d u c t i o no ft h ew e t l a n da r e a , a n dt h ew e a kr e g u l a t i o nc a p a b i l i t y i nt h i s p a p e r , t h ep o l l u t a n t sr e m o v a le f f i c i e n c i e so ft h ep i l o t - - s c a l ea n df u l l - s c a l eb i o l o g i c a l i s l a n dg r i ds y s t e m sw e r ee v a l u a t e d t h em i c r o b i a lm e c h a n i s mo fr e m o v i n gp o l l u t a n t s a n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h i ss t u d y p r o v i d e st e c h n i c a li n f o r m a t i o na n de n g i n e e r i n gs u p p o r tf o rd e s i g n i n ga n dr u n n i n go f t h eb i o l o g i c a li s l a n dg r i dt e c h n o l o g yi nt h ex i a o s h ar i v e r , a ni m p o r t a n ti n f l o wr i v e r o f n a n s il a k e r e s u l t ss h o w e dt h eb i o l o g i c a li s l a n dg r i ds y s t e mh a da ne x c e l l e n tl o n g - t e r m r e m o v a lp e r f o r m a n c e t h en h 4 - nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa b o u t9 5 g e n e r a l l y ，w i t h a na l m o s tz e r oe f f i u e n tc o n c e n t r a t i o no fn h 4 - n o v e r7 5 c o dw a sr e m o v e d , a n d t h ec o de f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw a sl o w e rt h a n2 0 0m # l ，t h i sw a t e rq u a l i t yc o u l d r e a c hs t a n d a r d j o ft h eg r o u n d w a t e r t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a sl o w e rf o rt na n d t p ( a b o u t7 0 ) ，t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no ft na n dt pw a s1 3 3 - - 3 1 8m g r la n d 0 3 6 0 8 5 m g lr e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r eh i g h e rt h a n s t a n d a r d io ft h e g r o u n d w a t e r t h ep o s s i b l er e a s o ns h o u l db et h es m a l ls i z eo fe x p e r i m e n ts y s t e ma n d s h o r t a g eo ft h em i c r o b es p e c i e sa n da m o u n t i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f t na n dt pw e r ea l s ot o oh i l g h t h er e s u l t sa l s os u g g e s t e dt h a tt h i st e c h n o l o g yw a s l e s se f f e c t i v eo nt h et pr e m o v a la n dm o r er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n ti sn e e d e d t h ee x p e r i m e n to fp r o c e s so p t i m i z a t i o ns h o w e dt h a tt h ef i l l e r l e n g t h , p l a n t d e n s i t y , c o v e r a g eo ft h ei s l a n d 鲥da n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( n r a 3a sw e l l 嬲 o t h e rf a c t o r sa f f e c t e dt h ew a t e rp u r i f i c a t i o na b i l i t y t h i ss t u d ys u g g e s t e dag r o u p c o n d i t i o n st oo b t a i nab e t t e rp o l l u t a n t sr e m o v a le f f i c i e n c y ：t h ef i l l e rl e n g t ha c c o u n t e d i l i f o r2 3o ft h ew a t e rd e p t h ，3 2o e n a n t h ej a v a n i c ap e r 一，c o v e r a g eo fi s l a n d 面dw a s a b o u t3 0 ，6d a y so fh r tf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i r i sp s e u d a c o r u sa n do e n a n t h e j a v a n i c as h o u l db eh a r v e s t e di ne a r l yn o v e m b e r a c t u a l l y , t h eh a r v e s tt i m eo f d i f f e r e n tp l a n t sm a yb ea d j u s t e dd u et ot h e i rt o l e r a n c et ol o w t e m p e r a t u r e a n a l y s i so fd g g em a ps h o w e dt h a tt h ed i v e r s i t yi n d e xw a s1 9 3 2 6 5 ， p r o v i d i n ga b u n d a n tm i c r o b i a li n f o r m a t i o n t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h em i c r o b i a l c o m m u n i t ys t r u c t u r e sw e r es i m i l a rb e t w e e nd i f f e r e n tp l a n t ss y s t e m s ，a n dt h es e a s o n a l v a r i a t i o na f f e c t e dt h e ms i g n i f i c a n t l y 4 6 2 o ft h em i c r o o r g a n i s m si nt h es y s t e m b e l o n g e dt op r o t e o b a c t e r i a ，f o l l o w e db yu n c u l t u r e db a c t e r i a t h e r ew e r el o t so f n i t r o g e n f i x i n ga n dn i t r a t e d e g r a d a t i o nb a c t e r i aa m o n gt h e m , w h i c hh a di m p o r t a n t m e a n i n gt ot h en i t r o g e nr e m o v a lf r o m t h ep o l l u t e dw a t e r b a s e d0 1 1t h es t u d ya b o v e ，t h ed e m o n s t r a t ep r o j e c to fb i o l o g i c a li s l a n d 舒dw a s b u i l ti nx i a o s h ar i v e r t h ep r o j e c th a de f f e c t i v ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y ；t h ee f f l u e n t w a t e rq u a l i t yc o u l dr e a c ht h es t a n d a r d o ft h eg r o u n d w a t e r m e a n w h i l e ，t h e l o n g - t i m er u no ft h i sp r o j e c tb r o u g h tr e m a r k a b l es o c i a l ，o r n a m e n t a la n de c o n o m i c b e n e f i t s k e y w o r d ：b i o l o g i c a li s l a n dg r i d ：p o l l u t e dr i v e r ；e u t r o p h i cw a t e r ；m i c r o b i a lm e c h a n i s m ； p r o c e s so p t i m i z a t i o n i v 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 近年来，由于社会经济的快速发展，地球环境发生了严重的恶化，我国面临 的水环境危机也越来越严重，诸如水体污染、水生态环境失衡和水资源严重短缺 等一系列突出问题。 2 0 1 0 年中国环境状况公报显示全国地表水污染依然较重， 七大水系总体为轻度污染，其中湖泊( 水库) 富营养化问题依然突出，在监测营养 状态的2 6 个湖泊( 水库) 中，富营养化状态的占4 2 3 ，2 0 4 条河流4 0 9 个国控断 面中，i 至i 类、至v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和 1 6 4 ，长江、珠江总体水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中 度污染，海河为重度污梨。水环境的严重恶化不仅影响工农业的稳定发展，且 对饮用水安全和生态环境构成了严重的威胁，更加剧了水资源的供需矛盾【2 】。 为了缓解我国北方水资源严重短缺局面，改善饮水质量，国家提出实施了南 水北调重大战略性工程，其中东线工程是从长江下游扬州抽引长江水，利用 京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、 骆马湖、南四湖、东平湖。然而，作为重要输水通道和调蓄湖泊的南四湖，由 于多年来高消耗、高污染的粗放型经济增长方式，水环境遭到了严重破坏，流域 内结构性污染严重，生态系统的功能也受到了极大的影响【3 】。多年来，南四湖流 域出现了水质污染严重、湿地面积减小、调蓄能力减弱、洪旱灾害频繁等一系列 问题，这严重阻碍了南水北调东线工程的建设【4 】。据公报显示2 0 1 0 年南四 湖为v 类水质，处于轻度富营养化状态，与上年相比水质变差【l j ，与南水北调 东线工程治污规划实施意见中要求达到的地表类水水质标准还有差距【5 】。 因此，如何对入湖河水进行深度水质净化，降低入湖污染物总量，进而使流域内 水质满足地表类水要求，恢复水环境的生态多样性和稳定性，保障输水工程水 质是当前亟待解决的关键问题。 针对南四湖流域河流存在的c o d ( 化学需氧量) 、氨氮浓度较高、河流结构 和功能受损、水体自净能力低下等问题，课题组提出了对入湖河流进行生态修复 的方案，以提高河流的自净能力，改善南四湖水质。与传统的物理化学水质净化 方法相比，利用微生物、植物及动物等单一或者共同作用的生态修复技术可以自 然、原位地进行，其工程投资仅为化学法、物理法修复的3 0 - - 5 0 ，具有安全 性、经济性、实用性、系统性等诸多优点 6 1 ，尤其适用于富营养化水体，不仅能 够削减污染物总量，改善流域内水体质量，保障南水北调工程的顺利进行，还具 有较高的生态、经济、环境价值，能推动当地生态系统的可持续发展。 1 2 河流水质净化技术概述 河流生态系统是自然界最重要的生态系统之一，直接关系到地球生命尤其是 人类的可持续发展【刀，是人类赖以生存的环境基础。因此，河流水质净化和生态 系统修复的根本目标是恢复河流生态系统的多样性，并实现人类活动与河流生态 的长期和谐共存。 河流污染治理与修复是一项复杂的系统工程，涉及到污染源控制、水质净化、 生态修复技术及管理等多方面的内容嗍。根据污染物净化的原理和特点，通常可 以把现有的各种技术分为物理法、化学法和生物生态技术三大类，它们有各自 的优缺点、适用性，详见表1 1 。 表1 1 河流污染治理技术分类及其适用范围8 1 2 山东大学硕士学位论文 物理技术短期效果明显，但通常会需要特定的设备，因此适用于小型河流 净化、景观价值较高的城市河流或突发性河道污染事故。人工曝气技术主要是一 种过渡性措施，设备简单、易于操作，已被许多国家优先选用1 9 , 1 0 。底泥疏浚技 术较适用于解决河流内源污染，但对改善河流水质的效果并不明显，在应用时需 按实际情况慎重选择【l i 1 2 】。调水稀释是通过调入清洁水，利用稀释作用改善污染 水质，这种方法并不能减少河道内污染物总量，还会对下游造成污梨1 3 j ，因此该 技术不能用于大型湖泊或者淡水资源缺乏的地区。削减截流污染源技术是通过减 少工业污染源或将工业污水厂内处理减以及推行生态农业等方法来直接减少进 入水体的污染物数量【1 4 】，该方法实施难度大，在移动的工厂无适宜安放地点时更 不能采用，面源污染较多时，截污也是不可能完全做到的【1 5 1 。 化学方法具有操作简单、见效快、用量少等优势，通常可以作为一种应急方 案，用来解决突发的污染问题，但它需要向水体内投加杀藻剂、混凝剂、石灰石、 天然矿物等各种人工化学药剂【1 6 1 7 1 ，据估算这些药剂的成本能达到生态修复的3 倍【1 8 】。在治理的同时自身也会成为污染物而产生二次污染，且易对水体内生物产 生毒害，对整个水生态环境产生一定的影响。此外，这类方法通常不能解决污染 的根本问题，不具有可持续性，只能适用于封闭或缓流水域。因此，物理或化学 技术在实际应用中有许多限制。 生物生态水体修复技术具有管理方便、运行成本低、可以原位净化等优点， 不会产生二次污染，还可以增加水体的自净能力，恢复水体的生态结构和生物多 样性，有一定的景观价值，所以这类技术近年来受到越来越广泛的应用。其原理 主要是利用微生物、动物及植物等单一或者共同的作用，吸收、迁移或者降解水 中的污染物，从而达到净化效果，同时恢复水体生态系统。目前应用比较广泛的 技术有微生物强化、滞留塘、人工湿地、生物浮岛和多自然河流构建等。 ( 1 ) 微生物强化技术：光合细菌、硝化菌和有机污染物高效降解菌等是主 要用于河流净化的微生物【1 9 , 2 0 。微生物的降解是河流中有机污染物降解的主要途 径，它们能将一些有害的有机污染物、植物营养物n 、p 等加以吸收和转化【2 1 1 ， 因此直接将污染物降解菌接种到污染水体中，随着它们的迅速增殖，有害微生物 的生长受到抑制，使有机污染物得到降解和消除。 ( 2 ) 滞留塘技术：是一种利用水体的自净能力，直接在河床上建堰拦水， 3 通过重力沉降、植物吸收和微生物降解等作用对水质进行净化，主要是用于控制 暴雨径流污染f 2 2 】。用于河水处理的滞留塘可建于河边的洼地，也可直接在河道上 筑坝拦水，可以在一条河流上建设一级或者多级滞留塘，以提高河流自净能力。 该技术在国外已有一定的应用【2 3 洲。 ( 3 ) 人工湿地技术：该技术主要是利用土壤和人工介质的吸附过滤作用和 植物、微生物的吸收同化作用来去除水体中的污染物，具有成本低、易于管理、 污水净化效果明显等优点，并且能够带来一定的经济效益和景观价值等，因此得 到了越来越广泛的应用，在国内外污水处理方面均受到重视【2 5 2 6 】。人工湿地技术 尤其适用于富营养化水体的污染治理。 ( 4 ) 生物膜技术：其实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化， 把天然过程变为了天然过程和人工过程的结合体【2 7 1 。它根据天然水体内生物膜的 净化和过滤作用，人工填充卵石等填料或载体，供细菌生长，利用物理吸附、过 滤等作用及其表面附着微生物摄取有机污染物的作用净化河水。生物膜技术适合 于城市中小河流的直接净化【2 引，但需要提前进行清淤，水质污染严重时，该技术 作用甚微。 ( 5 ) 生物浮岛技术：生物浮岛技术是模仿自然界植物生长规律，在以富营 养化为主体的污染水面种植各种适宜的植物，利用浮岛上的植物根部吸附和吸收 作用，削减、富集水体中氮、磷及有机物质，从而达到净化水质的效果，同时又 可收获农产品，美化水域景观【2 9 】，还可利于增加水体生物多样性，促进生态恢复。 该技术工程量小，成本投资低，处理效果良好，管理维护简单，并具有一定的经 济效益和自然景观效应，主要适用于富营养化及有机污染的河流【3 0 l 。图1 1 所示 为近年来应用较广泛的几种不同的生物浮岛技术。 针对于南四湖入湖河流污染严重，尤其是c o d 、氨氮等浓度较高，水量、 水质季节波动大，但河道漫滩较宽，有较大的可利用闲置空间等特点，在综合考 虑各类污染河水净化技术的优缺点和适用性的基础上，生物浮岛技术在南四湖入 湖河流水质净化和生态修复工程中可以优先选择应用。在汛期来临时，还可以随 时拆除系统，不会影响防汛工作的进行。 4 山东大学硕士学位论文 图1 1 生物浮岛系统类型 1 3 生物浮岛水质净化技术 传统生物浮岛能有效去除水体中的c o d 等有机污染物和氮、磷等营养类污 染物，但是植物的生长率和生物量阻碍了传统浮岛的净化效果【3 们，且漂浮的浮岛 植物只能利用表层水体，因此很多研究尝试为微生物的生长提供更多的附着面积 来提高净化效率【3 1 1 。生物岛栅就是在生物浮岛系统基础上发展而来的一种新型生 态水净化技术。 1 3 1 生物浮岛净化机理 生物浮岛模拟的是自然环境中植物的生长规律，其净化机理包括多个部分的 作用。首先，设置在水体中的浮岛上的植物根系会吸附和吸收水中的氮、磷等物 质以维持自身生长，这些营养成分贮存在植物细胞中，经过同化后成为植物体的 组成成分，在植物收割后就从系统中除去了。 同时，浮岛上植物根系能为水中微生物的生长提供良好的固着载体，起到“生 物膜载体的作用，利于微生物的生长繁殖；植物上也寄居了稠密的光合自养型 藻类，这些微生物和藻类的新陈代谢能大大加速周围的有机物和悬浮物的分解。 另外，许多浮岛植物如水花生、水蕹菜p 2 1 、满江红、芦苇p 3 1 等在生长过程 中都能够分泌克藻化学物质，再加上浮岛及植物都能阻挡阳光直接照射在水面 上，降低了水体内藻类的光合作用，从而有效抑制了藻类的生长繁列3 4 】。 此外，浮岛还有一定的消波作用，即浮岛的存在可以减小水中的风浪扰动， 降低水流速度，这能为悬浮固体的沉淀去除创造更好的条件，并减少了固体重新 悬浮的可能性f 3 5 】。上述多个因素的整体作用使得生物浮岛系统具有良好的净污效 果，尤其是对于营养类污染物的去除，因此该技术特别适用于富营养化水体的净 化。 1 3 2 生物浮岛组成 生物浮岛基本的设计原则是环保美观，不能产生二次污染；耐老化、耐腐蚀、 抗风浪，以保证能长期使用。系统一般由浮体框架、浮岛植物和栽种植物的基质 三部分组成。浮岛的框架一般选用较轻的浮体材料，比如木材、竹子、塑料管或 废旧轮胎等，随着科技进步，一些高分子合成材料也被选作框架材料。这些材料 有不同的适用性，塑料管或废旧轮胎等容易引起二次污染，新材料类成本比较高， 木材、竹子等浸泡时间长后容易腐烂，因此需要根据实际的情况合理选择。 为植物提供生长点的是基质，目前应用较多的材料包括海绵、椰丝纤维、泡 沫塑料板等。但椰丝纤维较易被腐蚀，泡沫容易破碎成小块，无法被生物降解， 都能造成二次污染。此外，一旦遇到雨雪天或大风浪，洞眼中的营养类污染物可 能被冲洗返回水体中，造成水体污染物浓度升耐3 4 】。 植物是生物浮岛最重要的主体，因此选择适宜的植物品种不仅能提高对水体 的净化效果，还可以带来更多的社会、经济、景观价值。首先，植物要适应待净 化水体的水质条件和气候条件；其次，要有较强的繁殖能力，根系发达、易成活、 生长快；此外最好能具有一定的观赏价值或者经济效益 2 9 1 ，并最好选择本地物种。 国内外研究结果中可以看出，芦苇、香蒲、美人蕉、水芹菜、鸢尾、水蕹菜等几 十种植物均可以用来种植与生物浮岛，并且具有良好的净化效果。考虑到芦苇和 香蒲植株太高抗倒伏较差以及满足更高的社会价值等原因，本研究选择了适宜南 四湖流域生长的水芹菜和黄花鸢尾作为岛栅植物，它们分别有很高的经济价值和 景观价值。此外，前期实验中已考察过传统植物芦苇、香蒲的净化效果，本实验 研究新类型的植物可以为以后开发植物组合配置方式提供更详实的数据。 水芹菜( o e n a n t h ej a v a n i c a ) 是一种耐寒的多年生匍匐水生植物，以嫩茎和叶柄