城市黑臭河道生境改善與生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)研究：技術(shù)耦合效應(yīng)及機(jī)制.pdf

1、城市河道的黑臭現(xiàn)象不僅阻礙著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(lái)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(diǎn)。本論文以國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2009ZX07317-006)《城市黑臭河道外源阻斷、工程修復(fù)與原位多級(jí)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(duì)象，開(kāi)展利用生態(tài)技術(shù)處理黑臭河水的實(shí)驗(yàn)及工程示范研究，分析了多種生態(tài)技術(shù)組合對(duì)黑臭河道生境改善和生態(tài)重建的

2、耦合效應(yīng)、機(jī)制以及工程示范效益，旨在為我國(guó)中心城區(qū)水環(huán)境的治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
　　 本文通過(guò)靜態(tài)吸附和解吸實(shí)驗(yàn)研究了新型填料蜂巢石對(duì)氨氮的吸附行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)蜂巢石對(duì)氨氮的吸附體現(xiàn)出“快速吸附、動(dòng)態(tài)平衡、難以解吸”的特點(diǎn)，吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)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(guò)高的初始濃度（＞535mg/L）也會(huì)抑制吸附的發(fā)生；(3)溫度影響蜂巢石

3、對(duì)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(guò)高(＞313K)時(shí)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等溫式擬合，其RL值和1/n值表現(xiàn)為優(yōu)先吸附。
　　 本文以黑臭河道現(xiàn)場(chǎng)水培生長(zhǎng)的克隆植物為研究對(duì)象，測(cè)試了四種植物在生長(zhǎng)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(zhǎng)度）以及葉片中葉綠素(chla、chlb)的動(dòng)態(tài)變化，利用相關(guān)性分析克

4、隆植物在環(huán)境高營(yíng)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(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)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(duì)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(duì)于葉綠素含量而言，睡蓮和輪葉狐尾藻與硝氮濃度成顯著負(fù)相關(guān)性，梭魚(yú)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

5、態(tài)氮對(duì)4種克隆植物全株?duì)I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(yú)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(guò)構(gòu)建生物柵-復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)來(lái)強(qiáng)化處理黑臭河水，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷0.80m3/(m2·d)，裝置穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)對(duì)主要污染物去除

6、效果較好。CODcr去除率57.20-75.00％，TN去除率平均58.14％，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(duì)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(kù)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(shì)菌群為Acinetobacter sp（不動(dòng)桿菌屬）、Flavobacteriaceae bacterium（黃桿菌屬）、P

7、seudomonas putida（假單胞菌屬）和Uncultured Alphaproteobacteria（變形菌屬）。
　　 本文通過(guò)模擬水生植物在天然水體中的生態(tài)位分布，設(shè)計(jì)了一套逐級(jí)下沉式梯級(jí)浮床系統(tǒng)來(lái)現(xiàn)場(chǎng)處理黑臭河水，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間8h，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行6個(gè)月，結(jié)果表明：(1)梯級(jí)生態(tài)浮床系統(tǒng)在傳統(tǒng)浮床技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇不同生態(tài)位植物種類，采用逐級(jí)下沉的運(yùn)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～

8、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(shí)，F(xiàn)e2+的氧化能促進(jìn)磷的沉淀，提高系統(tǒng)的除磷效果；(2)對(duì)氨氮去除率為40.06％～95.90％，平均71.90％，系統(tǒng)對(duì)總無(wú)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(kù)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化菌，總無(wú)機(jī)氮的去除途徑包括厭氧氨氧化；(3)相鄰

9、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(guò)渡到以好氧菌和兼性厭氧菌為主；(4)系統(tǒng)通過(guò)水質(zhì)改善、植物遮蔽作用等途徑，對(duì)水體中浮游藻類物種多樣性指數(shù)有顯著影響。
　　 本文在上述研究的基礎(chǔ)上，利用梯級(jí)生態(tài)浮床系統(tǒng)在上海市虹橋交通樞紐新角浦300m長(zhǎng)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(gè)生態(tài)浮床單元的立體生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)水面覆蓋率22％。定期跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，與對(duì)照區(qū)相比，示范區(qū)內(nèi)DO濃度上升，