城市黑臭河道生境改善与生态重建实验研究技术耦合效应及机制

城市黑臭河道生境改善与生态重建实验研究：技术耦合效应及机制【摘要】：城市河道的黑臭现象不仅阻碍着经济社会的可持续发展,还严重影响了沿岸居民的健康和生活。利用生态技术来治理黑臭河道,具有稳定有效、安全持久、耗能少、管理方便等优点。本论文以国家科技重大专项(2009ZX07317-006)《城市黑臭河道外源阻断、工程修复与原位多级生态净化关键技术研究与示范》为依托,以上海市中心城区严重污染的河道水体为对象,开展利用生态技术处理黑臭河水的实验及工程示范研究,分析了多种生态技术组合对黑臭河道生境改善和生态重建的耦合效应、机制以及工程示范效益,旨在为我国中心城区水环境的治理与修复提供科学依据。本论文通过静态吸附和解吸实验研究了新型填料蜂巢石对氨氮的吸附行为,结果发现：(1)蜂巢石对氨氮的吸附体现出“快速吸附、动态平衡、难以解吸”的特点,吸附动力学符合准二级反应模型。(2)NH4+-N初始浓度增加,蜂巢石平衡吸附量也随之上升,Langmuir方程拟合结果表明,过高的初始浓度(535mg/L)也会抑制吸附的发生；(3)温度影响蜂巢石对氨氮的吸附表现出两重性：平衡吸附量随温度(313K)的增加而增加,温度过高(313K)时反而下降,这与蜂巢石的化学吸附作用有关；(4)吸附等温线可用Langmuir和Fredulich等温式拟合,其RL值和1/n值表现为优先吸附。本论文以黑臭河道现场水培生长的克隆植物为研究对象,测试了四种植物在生长期间形态学指标(株高、茎径、叶面积、分株数、间隔子长度)以及叶片中叶绿素(chla、chlb)的动态变化,利用相关性分析克隆植物在环境高营养盐水平且氮磷比例不断变化下的响应水平和策略,结果发现：(1)比较外源氮、磷营养盐对4种克隆植物的表形可塑性的影响,氮的影响显著,而磷的影响不显著；(2)外源不同形态氮对4种克隆植物表形可塑性的影响具有明显差异性：就形态学特征而言,4种植物均与氨氮浓度成显著负相关性,而与硝态氮浓度成显著正相关性；对于叶绿素含量而言,睡莲和轮叶狐尾藻与硝氮浓度成显著负相关性,梭鱼草与氨氮成显著正相关性,香菇草则变化不明显；(3)外源不同形态氮对4种克隆植物全株营养物质的分配的影响不明显,但在不同器官有显著差异：梭鱼草根氮磷比与亚硝氮浓度显著正相关,睡莲块茎氮磷比与氨氮显著正相关,轮叶狐尾藻根氮磷比与总氮浓度成显著正相关,而香菇草则与总氮浓度成显著负相关性；本论文在上述预研究的基础上,以蜂巢石和软性填料为基质,通过构建生物栅-复合垂直流人工湿地系统来强化处理黑臭河水,设计水力负荷0.80m3/(m2·d),装置稳定运行6个月,结果发现：(1)对主要污染物去除效果较好。CODCr去除率57.20-75.00%,TN去除率平均58.14%,TP去除率为58.13-83.25%；(2)比较软性填料和蜂巢石生物膜功能酶活特征,发现前者磷酸酶和脲酶活性更高,对含氮有机物的降解能力优于蜂巢石填料,但后者除磷效果更好；(3)利用基因文库技术解析填料生物膜菌群结构,表明生物膜中的优势菌群为Acinetobactersp(不动杆菌属)、Flavobacteriaceaebacterium(黄杆菌属)、Pseudomonasputida(假单胞菌属)和UnculturedAlphaproteobacteria(变形菌属)。本论文通过模拟水生植物在天然水体中的生态位分布,设计了一套逐级下沉式梯级浮床系统来现场处理黑臭河水,设计水力停留时间8h,实验运行6个月,结果表明：(1)梯级生态浮床系统在传统浮床技术的基础上,通过选择不同生态位植物种类,采用逐级下沉的运行方式,水体DO浓度沿水流方向逐渐提高,出水浓度提升了0.38-3.38mg/L,平均值1.51mg/L。系统的好氧环境能促进黑臭水体中Fe2+、S2-的氧化固定,同时,Fe2+的氧化能促进磷的沉淀,提高系统的除磷效果；(2)对氨氮去除率为40.06%-95.90%,平均71.90%,系统对总无机氮平均去除率为45%,且主要发生在挺水植物单元。利用基因文库技术进行分子解析,发现挺水植物单元生物膜菌群物种多样性指数高于其它净化单元,生物膜中存在厌氧氨氧化菌,总无机氮的去除途径包括厌氧氨氧化；(3)相邻的净化单元菌群结构差异明显,沿水流方向依次由兼性厌氧菌为主过渡到以好氧菌和兼性厌氧菌为主；(4)系统通过水质改善、植物遮蔽作用等途径,对水体中浮游藻类物种多样性指数有显著影响。在上述研究的基础上,利用梯级生态浮床系统在上海市虹桥交通枢纽新角浦300m长的河段进行工程示范,以枢纽水系四类河道断面为参照,构建40个生态浮床单元的立体生态系统,设计水面覆盖率22%。定期跟踪监测结果表明,与对照区相比,示范区内DO浓度上升,为2.16-11.08mg/L,透明度增加22.22%,对PO43--P的去除效率高,峰值为92.50%。示范区浮游藻类生物密度和物种丰富度指数明显低于对照段(p0.05)本论文利用新型填料蜂巢石,组合优化两种新工艺：生物栅-复合垂直流人工湿地系统和梯级生态浮床系统来处理黑臭河水,并对多种技术的耦合效应机制进行了探讨,为其可靠的应用提供了理论基础和技术支撑。【关键词】：黑臭河道蜂巢石生物栅-复合垂直流人工湿地系统梯级生态浮床系统基因文库技术厌氧氨氧化磷酸酶脲酶生境改善生态重建【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：X703【目录】：摘要6-9ABSTRACT9-16第一章绪论16-231.1研究背景16-201.1.1生态技术的常见类型16-191.1.2生态技术的基本要素19-201.2研究目的与意义201.3研究内容与研究方法20-221.3.1新型填料对氨氮的吸附行为研究201.3.2营养盐胁迫下四种克隆植物可塑性研究20-211.3.3生物栅(BiofilmGrid,BFG)-复合垂直流人工湿地(IntegratedVertical-flowConstructedWetlands,IVCWs)系统处理黑臭河水的效果及机理研究211.3.4梯级生态浮床系统(StagedFloatingTreatmentWetlands,SFTWs)对黑臭河水的净化效果和生态效应研究211.3.5河道生境改善与生态重建工程示范研究21-221.4技术路线22-23第二章蜂巢石对氨氮吸附行为研究23-452.1前言23-242.2研究目的与内容24-252.2.1研究目的24-252.2.2研究内容252.3材料与方法25-282.3.1实验仪器与试剂252.3.2样品预处理252.3.3蜂巢石表面孔隙结构扫描电镜观察实验252.3.4蜂巢石化学元素分析实验252.3.5蜂巢石比表面积测定实验25-262.3.6蜂巢石对氨氮的静态吸附和解吸实验26-282.3.7数据处理282.4结果与讨论28-432.4.1蜂巢石表面孔隙结构的扫描电镜(SEM)观察28-292.4.2蜂巢石化学成分分析29-302.4.3蜂巢石比表面积30-312.4.4蜂巢石静态吸附氨氮实验研究31-432.5本章小结43-45第三章营养盐胁迫下四种克隆植物的响应研究45-773.1前言45-493.1.1克隆植物的定义及特征概述45-463.1.2克隆植物应用于黑臭河道生态修复的研究进展46-493.2研究目的与内容493.2.1研究目的493.2.2研究内容493.3材料与方法49-533.3.1材料49-523.3.2实验装置构建与运行管理523.3.3样品采集523.3.4水质分析指标及方法52-533.3.5植物叶绿素测定方法533.3.6植物N、P含量测定方法533.3.7植物形态学指标测定方法533.4结果与讨论53-763.4.1水质理化指标分析53-553.4.2四种克隆植物表形可塑性响应水平与水体氮磷水平动态变化的相关性研究55-683.4.3四种克隆植物生理整合能力与水体氮磷水平动态变化的相关性研究68-763.5本章小结76-77第四章生物栅(BiofilmGrid,BFG)-复合垂直流人工湿地(IntegratedVertical-flowConstructedWetlands,IVCWs)系统处理黑臭河水的效果及机理研究77-1184.1前言77-784.2研究目的与内容784.2.1研究目的784.2.2研究内容784.3材料与方法78-854.3.1实验材料78-794.3.2实验装置与运行管理79-804.3.3实验方法80-854.3.4数据处理854.4结果与讨论85-1164.4.1两种填料生物膜挂膜性能比较研究86-904.4.2BFG-IVCWs系统对河水中污染物的净化及水质改善效果90-1034.4.3BFG-IVCWs系统脲酶和磷酸酶活性研究103-1064.4.4两种填料生物膜微生物群落结构研究106-1164.5本章小结116-118第五章梯级生态浮床系统(StagedFloatingTreatmentWetlands,SFTWs)对黑臭河水的净化效果和生态效应118-1635.1前言118-1225.1.1组合生态浮床的研究和应用进展118-1195.1.2生态浮床应用中亟需解决的主要问题119-1225.2研究目的与内容1225.2.1研究目的1225.2.2研究内容1225.3材料与方法122-1255.3.1实验材料122-1245.3.3实验方法124-1255.3.4数据分析1255.4结果与讨论125-1625.4.1梯级生态浮床系统对黑臭河水的净化效果研究125-1415.4.2植物吸收作用与系统水质净化效果的相关性分析141-1455.4.3梯级生态浮床系统生物降解机制研究145-1575.4.4梯级生态浮床系统对浮游植物的影响研究157-1625.5本章小结162-163第六章虹桥交通枢纽新角浦河段水体生态修复示范工程163-1806.1前言1636.2示范区域概况163-1656.3工程示范河段本底调查165-1686.3.1污染源调查1656.3.2驳岸调查165-1666.3.3水质理化指标分析166-1686.4示范工程的方案设计与工程建设168-1726.4.1设计目标1686.4.2设计方案168-1716.4.3工程建设171-1726.5示范效果与分析讨论172-1776.5.1采样及分析方法1726.5.2水质分析结果172-1776.6示范区浮游藻类的生态学特征177-1796.6.1浮游藻类物种多样性的研究方法1776.6.2结果分析177-1796.7本章小结179-180第七章结论与展望180-1877.1论文结论180-1817.2论文创新181-1827.3研究展望182-187参考文献187-194博士期间学术成果194-195致谢195-196本论文购买请联系页眉网站。