城市黑臭河道生境改善及生態(tài)重建實驗研究：技術(shù)耦合效應(yīng)及機(jī)制

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1、城市黑臭河道生境改善與生態(tài)重建實驗研究：技術(shù)耦合效應(yīng)及機(jī)制城市黑臭河道生境改善與生態(tài)重建實驗研究：技術(shù)耦合效應(yīng)及機(jī)制【摘要】：城市河道的黑臭現(xiàn)象不僅阻礙著經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展,還嚴(yán)重影響了沿岸居民的健康和生活。利用生態(tài)技術(shù)來治理黑臭河道,具有穩(wěn)定有效、安全持久、耗能少、管理方便等優(yōu)點。本論文以國家科技重大專項(2009ZX07317-006)《城市黑臭河道外源阻斷、工程修復(fù)與原位多級生態(tài)凈化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》為依托,以上海市中心城區(qū)嚴(yán)重污染的河道水體為對象,開展利用生態(tài)技術(shù)處理黑臭河水的實驗及工程示范研究,分析了多種生態(tài)技術(shù)組合對黑臭河道生境改善和生態(tài)重建的耦合效應(yīng)、機(jī)制以及工程

2、示范效益,旨在為我國中心城區(qū)水環(huán)境的治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。本論文通過靜態(tài)吸附和解吸實驗研究了新型填料蜂巢石對氨氮的吸附行為,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)蜂巢石對氨氮的吸附體現(xiàn)出“快速吸附、動態(tài)平衡、難以解吸”的特點,吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級反應(yīng)模型。(2)NH4+-N初始濃度增加,蜂巢石平衡吸附量也隨之上升,Langmuir方程擬合結(jié)果表明,過高的初始濃度(535mg/L)也會抑制吸附的發(fā)生；(3)溫度影響蜂巢石對氨氮的吸附表現(xiàn)出兩重性：平衡吸附量隨溫度(313K)的增加而增加,溫度過高(313K)時反而下降,這與蜂巢石的化學(xué)吸附作用有關(guān)；(4)吸附等溫線可用Langmuir和Fredulich

3、等溫式擬合,其RL值和1/n值表現(xiàn)為優(yōu)先吸附。本論文以黑臭河道現(xiàn)場水培生長的克隆植物為研究對象,測試了四種植物在生長期間形態(tài)學(xué)指標(biāo)(株高、莖徑、葉面積、分株數(shù)、間隔子長度)以及葉片中葉綠素(chla、chlb)的動態(tài)變化,利用相關(guān)性分析克隆植物在環(huán)境高營養(yǎng)鹽水平且氮磷比例不斷變化下的響應(yīng)水平和策略,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)比較外源氮、磷營養(yǎng)鹽對4種克隆植物的表形可塑性的影響,氮的影響顯著,而磷的影響不顯著；(2)外源不同形態(tài)氮對4種克隆植物表形可塑性的影響具有明顯差異性：就形態(tài)學(xué)特征而言,4種植物均與氨氮濃度成顯著負(fù)相關(guān)性,而與硝態(tài)氮濃度成顯著正相關(guān)性；對于葉綠素含量而言,睡蓮和輪葉狐尾藻

4、與硝氮濃度成顯著負(fù)相關(guān)性,梭魚草與氨氮成顯著正相關(guān)性,香菇草則變化不明顯；(3)外源不同形態(tài)氮對4種克隆植物全株營養(yǎng)物質(zhì)的分配的影響不明顯,但在不同器官有顯著差異：梭魚草根氮磷比與亞硝氮濃度顯著正相關(guān),睡蓮塊莖氮磷比與氨氮顯著正相關(guān),輪葉狐尾藻根氮磷比與總氮濃度成顯著正相關(guān),而香菇草則與總氮濃度成顯著負(fù)相關(guān)性；本論文在上述預(yù)研究的基礎(chǔ)上,以蜂巢石和軟性填料為基質(zhì),通過構(gòu)建生物柵-復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)來強(qiáng)化處理黑臭河水,設(shè)計水力負(fù)荷0.80m3/(m2·d),裝置穩(wěn)定運行6個月,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)對主要污染物去除效果較好。CODCr去除率57.20-75.00%,TN去除率平均58.

5、14%,TP去除率為58.13-83.25%；(2)比較軟性填料和蜂巢石生物膜功能酶活特征,發(fā)現(xiàn)前者磷酸酶和脲酶活性更高,對含氮有機(jī)物的降解能力優(yōu)于蜂巢石填料,但后者除磷效果更好；(3)利用基因文庫技術(shù)解析填料生物膜菌群結(jié)構(gòu),表明生物膜中的優(yōu)勢菌群為Acinetobactersp(不動桿菌屬)、Flavobacteriaceaebacterium(黃桿菌屬)、Pseudomonasputida(假單胞菌屬)和UnculturedAlphaproteobacteria(變形菌屬)。本論文通過模擬水生植物在天然水體中的生態(tài)位分布,設(shè)計了一套逐級下沉式梯級浮床系統(tǒng)來現(xiàn)場處理黑臭河水,設(shè)計

6、水力停留時間8h,實驗運行6個月,結(jié)果表明：(1)梯級生態(tài)浮床系統(tǒng)在傳統(tǒng)浮床技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過選擇不同生態(tài)位植物種類,采用逐級下沉的運行方式,水體DO濃度沿水流方向逐漸提高,出水濃度提升了0.38-3.38mg/L,平均值1.51mg/L。系統(tǒng)的好氧環(huán)境能促進(jìn)黑臭水體中Fe2+、S2-的氧化固定,同時,Fe2+的氧化能促進(jìn)磷的沉淀,提高系統(tǒng)的除磷效果；(2)對氨氮去除率為40.06%-95.90%,平均71.90%,系統(tǒng)對總無機(jī)氮平均去除率為45%,且主要發(fā)生在挺水植物單元。利用基因文庫技術(shù)進(jìn)行分子解析,發(fā)現(xiàn)挺水植物單元生物膜菌群物種多樣性指數(shù)高于其它凈化單元,生物膜中存在厭氧氨氧

7、化菌,總無機(jī)氮的去除途徑包括厭氧氨氧化；(3)相鄰的凈化單元菌群結(jié)構(gòu)差異明顯,沿水流方向依次由兼性厭氧菌為主過渡到以好氧菌和兼性厭氧菌為主；(4)系統(tǒng)通過水質(zhì)改善、植物遮蔽作用等途徑,對水體中浮游藻類物種多樣性指數(shù)有顯著影響。在上述研究的基礎(chǔ)上,利用梯級生態(tài)浮床系統(tǒng)在上海市虹橋交通樞紐新角浦300m長的河段進(jìn)行工程示范,以樞紐水系四類河道斷面為參照,構(gòu)建40個生態(tài)浮床單元的立體生態(tài)系統(tǒng),設(shè)計水面覆蓋率22%。定期跟蹤監(jiān)測結(jié)果表明,與對照區(qū)相比,示范區(qū)內(nèi)DO濃度上升,為