植物净化槽处理城市黑臭河水的效果、机理及工程示范

论文摘要

在城市污染河道治理与生态修复中,生物-生态法已越来越受到人们的高度重视。其中,水生植物技术以其良好的净化效果、独特的经济效益、能耗低、简单易行以及有利于重建和恢复良好的水生生态系统等特点,正日益受到人们的关注。本论文以复合型严重污染的黑臭河水为对象,构建植物净化槽（栽植两种不同植株密度的水生植物:挺水植物梭鱼草Pontederia cordataL.;浮叶植物睡莲Nymphaea tetragona）,开展水生植物净化黑臭河水的试验及工程示范研究,分析植物净化黑臭河水的效果、植物-微生物协同作用机制以及多级原位组合生物技术治理黑臭河道的工程示范效益,探讨黑臭河道水质生物净化的机理,旨为治理工程的技术设计、系统集成及运行调控提供科学依据。测定了8个水培有睡莲（N.tetragona）、梭鱼草（P.cordata）的净化槽（栽植密度:k1/4=5、k1/2=10、k1/1=20;曝气、非曝气）的植物根组织过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT活性与叶片可溶性蛋白（SP）、叶绿素（Chl）含量及对应水质的日变化,测定了不同净化槽中植物的形态大小、分蘖数、根密度、生物量、氮磷积累量,探讨了植物生理状况日变化与黑臭河水水质的相关性及植物栽植密度对其生理特性及河水净化效果的影响,研究了长期连续曝气下两种植物的生理响应及净化效果,比较了两种植物的生理特性及脱氮除磷效果,运用ERIC-PCR分子标记技术分析了植物根区微生物的群落结构动态与根区泌氧及河水净化效果三者之间的内在关联,另设空白槽对照（CK）。通过工程示范,长期跟踪考察了人工曝气与植物浮床及填料挂膜三者复合的治理技术对城市黑臭河水的净化效果。结果表明:植物根组织POD、CAT活性、叶片Chla、Chlb、SP含量与净化槽中溶P、NH4+-N去除率间呈正相关;植物栽植密度较高的净化槽,植物的根、茎、叶较长,分蘖数、根密度较大,植株生物量、氮磷积累量较高,叶片Chla、Chlb、SP含量与净化槽的溶解性P、NH4+-N去除率较高,而根组织POD、CAT活性较弱;随着光照增强,植物根组织POD、CAT活性增强,叶片SP、Chla、Chlb含量及净化槽中溶解性P、NH4+-N去除率升高;夏季,由于光合午休影响,植物叶片SP含量及净化槽中DO浓度日变化呈双峰型,峰值约在12:00pm与14:00pm左右,在13:00pm左右,植物叶片SP含量及净化槽中DO浓度下降;在10:00am-14:00pm时段,植物根组织CAT、POD活性、叶片Chla、Chlb、SP含量及净化槽中溶解性P、NH4+-N去除率高于其他时段。长期曝气影响植物的生理特性及黑臭河水的净化效果;梭鱼草对曝气影响的耐性比睡莲强;曝气槽中植物的根、茎、叶长度比非曝气槽中植物短,叶片Chla、Chlb、SP含量比非曝气槽中植物低,而根组织POD、CAT活性比非曝气槽中植物高;曝气槽中植株的氮磷积累量、生物量比非曝气槽中植物低;曝气槽中梭鱼草的分蘖数、根密度高于非曝气槽中梭鱼草,而睡莲则相反;梭鱼草曝气槽中BOD5、COD、NH4+-N去除效率比梭鱼草非曝气槽高（如夏季,分别高5.97%、7.12%、6.29%）,而TP、溶解性P去除率比非曝气槽明显低（如夏季,分别低38.18%、43.79%）;春、夏季,睡莲曝气槽中BOD5、COD、NH4+-N去除率比睡莲非曝气槽高,而TP、溶解性P去除率比睡莲非曝气槽低,但是,秋季睡莲曝气槽中BOD5、COD、NH4+-N、TP、溶解性P去除率分别比睡莲非曝气槽低5.71%、5.99%、6.06%、12.36%、9.95%。梭鱼草的除磷效果比睡莲明显,但两者的脱氮效果差异不明显;梭鱼草的耐污性较睡莲强,但睡莲在黑臭河水胁迫下的生命期比梭鱼草长;两种植物根组织的POD活性、叶片Chla、SP含量差异显著,而根组织Chlb、CAT活性差异不显著;睡莲根组织POD、CAT活性比梭鱼草高（如春季,分别高0.0961 U/（g·min）、1.4206 mg/（g·min））,而叶片Chla、Chlb、SP含量比梭鱼草低（如春季,分别低0.0010 mg/g、0.0231 mg/g、24.91 mg/g）;睡莲的根比梭鱼草长,而茎、叶略短;睡莲的分蘖数、根密度、生物量、氮磷积累量比梭鱼草低;睡莲槽中TP、溶解性P去除率比梭鱼草槽低,而两净化槽中NH4+-N去除效果差异不明显。睡莲、梭鱼草的根区泌氧与黑臭河水的净化效果及植物根区微生物种群结构动态三者之间存在关联性。在10:00am-14:00pm时段,由于光照较强,植物根区泌氧量升高,根区微生物的种群丰度较高,导致较好的净水效果;随着植物栽植密度递增,根区泌氧量升高,使河水DO浓度升高,导致根区微生物的种群丰度升高,有较明显的净水效果;随着植物生长状况的季节性变化（春季,生长初期;夏季,生长旺盛期;秋季,衰老期）,植物根区泌氧增氧出现相应变化,导致植物根区微生物的种群丰度及河水的净化效果发生相应变化。示范工程区的水质跟踪监测结果表明,植物浮床与人工曝气及填料挂膜三者结合的治理技术,能够有效净化城区黑臭河水;人工曝气影响黑臭河水的TP、溶解性P去除效果。论文取得的创新成果:（1）从生理生化角度对水生植物净化黑臭河水的机理进行研究,探讨了河水的处理效果与植物生理状况的关联性,并对两者之间的内在联系进行了定量分析;（2）对植物根区微生物种群结构动态进行研究,探讨了植物的生理状况变化引起根区微生物生境的改变进而影响根区微生物种群结构的机理;（3）通过现场试验发现具有较高观赏价值的睡莲在黑臭河水中生长良好,生命期比梭鱼草长,且具有较好的除氮效果,在实践城区重污染河道的治理与生态修复工程中有较好的应用前景;（4）初步探讨了长期曝气对水生植物生理状况的影响,发现不同植物对曝气影响的耐受性不同,且这种耐受性与植物生长状况的季节性变化相关,此为在实践污染河道生态修复工程中,针对植物种类不同及植物生长状况的季节性变化而进行植物优化布局和曝气方式调节提供了理论依据;（5）综合净化槽中黑臭河水的处理效果、植物生理状况及植物根区微生物种群结构动态三方面的内在联系,为今后植物净化装置应用于污染河水的修复提供了的理论依据,具有较高的理论意义与应用价值。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 我国城市黑臭河道治理现状及存在的问题

1.2 国内外城市河道治理技术及发展概况

1.2.1 城市河流治理方法及发展方向

1.2.2 城市河道水质净化技术及发展方向

1.3 本文研究目的与意义

1.4 本文研究内容与研究方法

1.4.1 植物净化槽处理城市黑臭河水的现场中试试验

1.4.2 工程示范

1.5 技术路线

1.5.1 现场中试试验技术路线

1.5.2 工程示范试验技术路线

1.5.3 论文研究总技术路线

第二章处理黑臭河水过程中梭鱼草、睡莲的生理状况日变化与水质的关系及植物栽植密度的影响

2.1 研究背景

2.2 研究目的与内容

2.2.1 研究目的

2.2.2 研究内容

2.3 材料与方法

2.3.1 装置构建与植物培养

2.3.2 供试植物样及水质监测

2.3.3 叶绿素含量的测定

2.3.4 酶液提取

2.3.5 可溶性蛋白含量及酶活测定

2.3.6 植株的氮磷积累量及生物量测定

2.3.7 数据统计分析

2.4 结果与分析

2.4.1 植物生理状况日变化及栽植密度的影响

2.4.2 净化槽水质日变化及植物栽植密度的影响

2.5 本章小结

第三章处理黑臭河水过程中长期曝气对睡莲、梭鱼草的形态、生理状况及净化效果的影响

3.1 研究背景

3.2 研究目的与内容

3.2.1 研究目的

3.2.2 研究内容

3.3 材料与方法

3.4 结果与分析

3.4.1 长期连续曝气对植物形态、生理特性的影响

3.4.2 长期连续曝气对净化槽中水质的影响

3.5 本章小结

第四章处理黑臭河水过程中睡莲与梭鱼草的形态、生理特性及净化效果的比较

4.1 研究背景

4.2 研究目的与内容

4.2.1 研究目的

4.2.2 研究内容

4.3 材料与方法

4.4 结果与分析

4.4.1 睡莲与梭鱼草的形态、生理特性比较

4.4.2 两个净化槽的水质比较

4.5 本章小结

第五章植物根区微生物群落结构动态的ERIC-PCR分析

5.1 研究背景

5.2 研究目的与内容

5.2.1 研究目的

5.2.2 研究内容

5.3 材料与方法

5.3.1 装置构建与采样

5.3.2 DNA的提取、纯化及测序鉴定

5.3.3 ERIC-PCR指纹图谱分析

5.3.4 微生物群落的ERIC-PCR遗传指纹图分析

5.4 结果与分析

5.4.1 不同季节梭鱼草根区微生物群落结构的ERIC-PCR遗传指纹图分析

5.4.2 秋季梭鱼草根区微生物群落结构日变化的ERIC-PCR遗传指纹图分析

5.4.3 夏季不同净化槽中梭鱼草根区微生物群落结构的ERIC-PCR遗传指纹图分析

5.5 本章小结

第六章工程示范-以工业河支流张泾河的治理为例

6.1 研究背景

6.2 研究目的与内容

6.2.1 研究目的

6.2.2 研究内容

6.3 试验材料与现场施工及采样分析

6.4 结果与分析

6.5 本章小结

第七章结论与展望

7.1 论文结论

7.2 论文创新

7.3 研究展望

附录一英文缩写说明

附录二博士期间学术成果

参考文献

后记:致谢

植物净化槽处理城市黑臭河水的效果、机理及工程示范

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