人工水草技术的试验研究及十五里河生态修复探讨

合肥工业大学

硕士学位论文

人工水草技术的试验研究及十五里河生态修复探讨

姓名：潘怡

申请学位级别：硕士

专业：环境科学

指导教师：许建;汪家权

20100401

人工水草技术的试验研究及十五里河生态修复探讨

摘

随着经济高速发展和城市的快速扩张，要城市周围的中小河流受到不同程度的污染，河流生态系统严重受损。目前，河流污染的治理技术主要有物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。污染严重的城市河流普遍存在低透明度、低溶解氧和高悬浮物含量等问题，使得水生动植物修复技术的应用受到严重限制。人工水草技术是一种具有不受水体透明度，悬浮杂质及不可预见污染负荷冲击等因子限制的新兴生物强化修复技术，它具有低投资、见效快、无二次污染等特点。

本文针对重度或中度污染的城市中小河流，构建一种新型人工水草填料栅应用于污染治理，并探讨制定人工水草技术与其他生物修复技术相结合的生态修复城市污染河流的可行性方案。

通过静态试验，选取出人工水草填料的材料及其构型，水草地毯填料在静态试验中对ＣＯＤ、氨氮、总磷的平均去除率分别为８７．６％、６９．６％、５８．９％，分别高出空白３１．５％、２１．７％、２７．８％；对水体中藻类的生长有抑制作用。进一步确定该填料处理水体的最佳面积为处理７０Ｌ水体的最佳面积为５２５０ｃｍ２。在对模拟河道生物反应器的动态试验过程中，所构建的人工水草栅，经过２０ｄ的挂膜启动后对去除水中ＣＯＤ、氨氮、总磷分别平均达到６８．７％、５０．３％，和１８．９％的效果。根据合肥市十五里河的污染现状，探讨了人工水草技术、植物修复技术及充氧技术相结合的生态修复工程方案，提出促进当地生态、社会、经济三方面协调发展的河流治理防治对策。关键词：城市河流污染、人工水草技术、生态修复

ＴｈｅＰｉｌｏｔＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＰｌａｎｔｓａｎｄｔｈｅＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｏｆＳｈｉＷｕＬｉＲｉｖｅｒ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈ

ｒｉｖｅｒｓｔｈｅｒａｐｉｄｅｃｏｎｏｍｉｃｔｈｅｃｉｔｙａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｒａｐｉｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｃｉｔｉｅｓ，ｓｍａｌｌａｒｏｕｎｄｓｕｂｊｅｃｔｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｖｅｌｓ

ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｒｉｖｅｒｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｓｅｒｉｏｕｓｌｙｄａｍａｇｅｄ．Ａｔａｒｅｍａｉｎｌｙ

ａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｈｅｍｉｃａｌｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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ａｑｕａｔｉｃｐｌａｎｔｓ

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ｂｙａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｌａｎｔｔｏｔｈｅＷｕＬｉｒｉｖｅｒ，ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｗａｓｍａｄｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｌａｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｍａｄｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｏｃａｌｅｃｏｌｏｇｙ，ｓｏｃｉｅｔｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｌａｎｔｓ；ｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ

插图清单

图１．１

图１．２

图１．３

图１．４

图１．５

图１．６

图１．７

图１．８

图１．９不同坡度的溢流堰…………………………………………………………………．４砾石坝结构示意图………………………………………………………………………４砾石充氧河床示意图…………………………………………………………………．．４细绳式人工水草………………………………………………………………………一７阿科蔓人工水草…………………………………………………………………………８仿臭轮藻式人工水草……………………………………………………………９生物飘带人工水草…………………………………………………………………．９圆环式人工水草………………………………………………………………………ｌＯ人工水草材料选择………………………………………………………１２

第一阶段污染水体净化效果……………………………………………………１８图１．１０人工水草栅小试试验技术路线…………………………………………．．１３图２．１

图２．２

图２．３

图２．４

图２．５

图２．６

图２．７

图２．８

图２．９污染水体净化……………………………．．：……………………………．．１８第二阶段污染水体净化效果………………………………………………………．１９污染水体净化效果………………………………………．．：……………………．２ｌ不同面积人工水草填料处理相同体积水体………………………………一２２不同面积人工水草填料对污染物的去除率…………………………一２２模拟河道原位修复反应装置……………………………………………………２３模拟河道反应器挂膜过程中氨氮去除情况………………………………２４模拟河道反应器挂膜过程中硝酸盐氮浓度变化………………………．２４图２．１０模拟河道反应器挂膜过程中ＣＯＤ去除情况…………………………．２５图２．１１模拟河道反应器挂膜过程中ＴＰ去除情况……………………………．２５图２．１２水温的变化对去除污染效果的影响……………………………………………．２６图２．１３模拟河道反应器ｐＨ值的变化…………………………………………．２７图２．１４ＣＯＤ／ＮＨ３．Ｎ对氨氮去除的影响…………………………………………………一２８图２．１５生物填料上生物膜的变化…………………………………………………………２９图３．１

图３．２

图３．３

图３－４

图３．５

图３．６

图３．７十五里河污染调查采样点布设…………………………………………３０十五里河道上漂浮的垃圾及水生植物状况……………………………３２生态修复工程方案示意图…………………………………………………………．．３３人工水草布设断面图…………………………………………………………………３４溢流坝梯形模型示意图…………………………………………………………．３５溢流堰及其邻近构筑物示意图…………………………………………３７水生植物配置示意图………………………………………………………………．．３７

表格清单

表２．１主要实验器材……………………………………………………………………………．１４表２．２主要分析项目及方法一览表……………………………………………………１４表２．３四组反应器运行效果……………………………………………………………．２０表２．４溶解氧的对去除污染效果的影响…………………………………………………２７表３．１十五里河流域主要污染物指标…………………………………………………３ｌ表３．２十五里河口底泥中ＴＮ、ＴＰ含量…………………………………………………３１表３．３方案中各修复内容的技术比较……………………………………………………．３８表３．４方案中各修复内容的投资比较…………………………………………………３９

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得金妲王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签字：洒）Ｊ－龟签字日期：．驯。年彩月２旷日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解金壁工些太蘸直差堡留！焦屡堂僮论塞的趣定：直拯堡留羞囱国塞直羞部［］壁扭堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金照王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：导师签名：

潘梅

签字日期：函Ｉ。年够月丛日斫童多＼签字日期：歹纠痧年幺月之少日学位论文作者毕业后去向：

工作单位：电话：邮编：通讯地址：

致谢

本论文是在尊敬的导师许建高工和汪家权教授两位老师的精心指导下完成的。从论文的选题、构思、写作直到最终完成，汪老师都给予了我悉心的指导，倾注了大量的心血。导师严谨的治学态度和活跃的学术思想，使我受益匪浅。在论文完成之际，向导师许教授和汪教授表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。

在实验阶段，曾得到资源与环境工程学院吕剑和武君老师及环境教研室其他老师的帮助，在此表示最诚挚的感谢；同时得到了李云霞老师和其他实验室老师的大力帮助，向他们表示衷心的感谢，在此还要感谢我的师妹吴慧群、郑琳琳；师弟潘拮、胡明明在试验过程中所给予的热情及时而有力的帮助，在此一并表示感谢。

感谢爸妈和好友们多年来给予我的精神上的鼓励和物质上的支持。在三年的学习期间，还得到了师兄、姐和师弟、妹们及同班很多同学的帮助，也向他们表示诚挚的谢意。

感谢所有帮助过我的老师和同学。感谢论文评审委员和答辩委员会委员对论文的批评和指正。

第一章绪论

１．１研究背景及意义

城市河流是指发源于城区或流经城市区域的河流或河流段，也包括历史上虽属人工开挖，但经多年演化具有自然河流特点的运河和渠系…。城市河流作为城市重要的自然资源和环境载体，具有防洪、排涝、灌溉、供水、航运、养殖等经济功能和提供生物栖息地、保护生物多样性、调节气候、净化环境、涵养水源、塑造景观等生态功能，对城市的兴衰以及城市社会、经济与环境的协调发展都有着重要的意义。

１．１．１城市河流污染现状

近年来，尽管我国的环境保护工作不断地取得新的进展，但是伴随着经济的高速发展和城市化、工业化进程的加快，全国地表水环境仍然均遭到程度不同度的污染，我国的河流污染依然严重。据中国环境状况报告中指出：２００６年，我国７４５个地表水监测断面中Ｉ～ＩＩＩ类，ＩＶ～Ｖ类，劣Ｖ类水质的断面比例分别为４０％、３２％和２８％１２】：２００７年，１９７条河流４０７个断面中Ｉ～ＩＩＩ类、ＩＶ～Ｖ类和劣Ｖ类水质的断面比例分别为４９．９％、２６．５％和２３．６％ｐ１；２００８年，２００条河流４０９个断面中Ｉ～ＩＩＩ类、ＩＶ～Ｖ类和劣Ｖ类水质的断面比例分别为５５．０％、２４．２％和２０．８％，七大水系水质总体中度污染，其中珠江、长江水质总体良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染１４ｊ。我国城市河流的水污染从污染类型到污染强度正在加大。云南省的１５个主要城市的３０个城市河流（水域）４５个监测断面中，达到Ｉ～ＩＩ类标准水质优断面占２８．９％；达到ＩＩＩ类标准水质良好占１７．８％；达到ＩＶ类标准水质轻度污染占６．７％；达到Ｖ类标准水质轻度污染占４．４％；劣Ｖ类标准水质重度污染占４２．２％。达到水功能要求的断面占４６．７％。城市河流总体水质为重度污染１５】。深圳市的河流普查结果表明１６ｊ，全市３１０条河流中，２１７条河流的水质受到不同程度的污染，占河流总数的７０％。武汉市１ｌ条主要河流里，水质符合ＩＩ类标准只有ｌ条沙河；水质符合ＩＩＩ类标准的有７条河流（长江武汉段、汉江武汉段、滠水、倒水、举水、金水河、青山港）；２条河流（东荆河、蚂蚁河）水质ＩＶ类；府河武汉段水质劣于Ｖ类【７】。重庆市全市５８条主要次级河流１２２个监测断面中，水质为Ｉ类、ＩＩ类、ＩＩＩ类、ＩＶ类、Ｖ类和劣Ｖ类的断面分别占１２．３％、２４．６％、３６．９％、１４．７％、２．５％和９．０％博Ｊ。２００８年巢湖流域水质状况，其主要３５条入湖河流中流经城市的河流均遭不同程度的污染，如流经巢湖市的双桥河、流经合肥市的南淝河、十五里河、派河为重度污染水质劣Ｖ类一Ｊ。

１．１．２城市河流污染危害

１．１．２．１破坏水生生态系统结构

城市河流是水生态环境的重要载体，是生物栖息与繁衍、实现生物多样性的重要场所。河流受到污染后，水体水质恶化，导致大批水生植物、生物死亡，食物链网中断，生物多样性下降，这一连串的反应导致水生生态系统物质循环终止、自净功能丧失、生态系统结构破坏。河流丧失资源功能和使用价值，直接表现就是水体黑臭、藻类疯长和透明度降低等。

１．１．２．２严重影响水体功能

城市河流生态系统为城市提供了供水、旅游休闲娱乐、城市景观形象、养殖、灌溉和航运等方面的人类服务功能ｌｍ ¨】。当水体受到污染后，这些功能将受到严重影响。如重庆桃花溪和广州许多河段因黑臭而丧失了景观功能，我国由于污染严重而丧失灌溉功能的河流约占２２．３％，水体富营养化引起的浮游植物大量生长，如凤眼莲、浮萍和水花生等，则容易造成航道堵塞、航运不畅等问题

１．１．２．３危害人类健康

被污染的城市河流主要通过对三条途径人类健康造成危害Ｉｌ副（１）河水异常颜色和浓烈臭味通过人类的感官引发人们不悦的心情；（２）污染河水被人类直接饮用或接触，其中的污染物质与人体发生反应，危害人体健康。如饮用含有三致（致突变、致癌、致畸形）物质和病原菌、病毒等的污染水体，会产生病变；合成洗涤剂经常与皮肤接触会引起皮肤炎。（３）污染物质通过食物链进入人体，危害人体健康。如重金属经食物链进入人体后，可在体内某些器官中积累，造成慢性中毒。

城市河流与人类的发展息息相关，其严重的污染问题将会直接影响城市的发展和人们正常的生产生活，因此，对于城市河流污染治理修复技术的研究是十分必要，而有意义的。

１．２城市河流修复技术研究现状

城市河流因靠近城市，成为各城市的排污专道及污水的长期滞留地而受到污染导致河流水质的急剧恶化，给城市水体景观和人民生活带来了严重危害。从污染特征来看，城市河流受有机污染较为严重，主要污染指标为高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、总磷和重金属等。直接表现为水质发黑发臭、透明度下降，同时呈现出水中溶解氧含量减少、营养物质增多、水生生物群落结构简单化、水温变幅加大、环境容量减小等河流生态系统退化的症状。城市河流水体具有生态系统复杂、污染类型齐全、污染源数量多、危害极为严重的特点。目前采用的河流修复技术根据处理原理的不同可分为三类：

１．２．１物理治理技术

采用物理机械的方法，通过工程措施，进行污水截排、引水稀释、底泥疏浚、机械除藻、人工曝气等，但由于物理修复技术存在暂时性、不稳定性以及治标不治本，不能够在修复水体的同时完善水生生态系统结构，提高水体自净的能力，只能作为对付突发性水体污染的应急措施。

１．２．１．１直接曝气技术

有机污染严重的城市河流由于有机物分解过量耗氧使河流处于缺氧或无氧状态，导致河流水质恶化，自净能力下降，正常的水生生态系统遭到严重破坏。当河水中的溶解氧耗尽出现无氧状态时，有机物的分解就从好氧分解转为厌氧分解，水质就会恶化，甚至出现黑臭现象。河道充氧可以增加水体的溶解氧浓度，加快水生微生物的对污染物的分解，帮助河流生态系统恢复正常，因此河流充氧对于污染河流的治理十分重要。

传统的机械曝气采用固定式充氧站和移动式充氧平台形式，固定式充氧站即是在河岸上设置鼓风机房或液氧站，通过管道将空气或氧气引入河道水体中，达到河道增氧的目的。移动式曝气船即是通过载有供氧装置的船只在污染河道中的灵活运行，达到向污染水体中供氧的目的。１９９８年上海市苏州河支流新泾港三个断面各设一个曝气点进行水体曝气富氧的修复试验，结果表明：水体曝气可以显著的提高河道的溶解氧水平，从而刺激有机物降解和好氧土著菌的生长繁殖，水体中ＣＯＤ和ＢＯＤ５明显下降，水体色泽和底泥颜色由黑色变为乳白色，表明沉积物中微生物由厌氧菌占优势转变为兼性菌增多并出现了好氧菌Ｉｌ３｜。东莞运河在下游莞城段，人工曝气后，河流末段还原物质浓度下降了２．４９２ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ５浓度下降了１．２１７ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４＋．Ｎ浓度下降了０．３２２ｍｇ／ＬＩＨｊ。机械曝气虽然可在较短的时间内达到向污染水体供氧的目的，但是需要耗费大量电力，运行成本高。

１．２．１．２生态充氧技术

在自然条件因地制宜，充分利用天然急弯和跌水河道可增加水流的紊动，从而增进氧的传递和扩散对河道进行充氧，与传统的机械曝气相比其占地面积相对较小，投资省、运行成本低，对周围环境无不良影响，可实现环境效益与经济效益的统一。生态充氧技术包括有溢流堰、砾石坝、砾石床、薄层流充氧等多样化途径。

（１）溢流堰法利用河流在流动过程中本身蕴涵的巨大能量，通过特殊的水利建筑物，使大气中的氧气更多地进入水体中（图１．１）。水流流经溢流堰曝气后，水体中的溶解氧浓度升高，河道水体有机物的降解速率加快，氨氮也有一定的去除，堰体过水水质得到改善。同时，溢流堰可有效降低河道水流速度，促进河水中ＳＳ的沉降，增加河水水力停留时间，提高过水透明度。溢流堰坡度、堰体形态均会影响堰体对过流河水的处理效果。该法是一种理想的恢复水体水

质的方法。

图１．１不同坡度的溢流堰

Ｆｉｇｕｒｅ１－１Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｏｐｅｏｆｏｖｅｒｆｌｏｗｗｅｉｒ

（２）砾石坝（图ｌ－２）另一种通过人工构筑水利建筑物（透水坝），借助坝前河道的容积贮存一次或多次地表径流水量，通过控制透水坝的渗流量，实现地表径流的拦蓄，使得径流在设计时间内流过透水坝，同时抬高坝前水位，当水位太高到一定高度时，部分水流将漫流至原先并不经过的河漫滩，增加了河道面积。

坝顶

图１．２砾石坝结构示意图

Ｆｉｇｕｒｅ１－２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｇｒａｖｅｌｄａｍ

（３）砾石床充氧法的原理是在窄河道中放置大量大块砾石，使河水形成强烈紊流，水石相互碰撞激起大量水珠，增大河水与空气的有效接触面积，从而达到河流强化充氧的过程（图ｌ－３）。

图１．３砾石充氧河床示意图

Ｆｉｇｕｒｅ１－３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｇｒａｖｅｌｂｅｄ

（４）薄层流方法是通过有效增加河道面积，以增大空气与河水的有效接触面积，强化氧气向河水中的传质过程。薄层流法与砾石床法这两种方法因其建设简单、管理方便而在景观水体及小河流治理中经常采用。

１．２．２化学治理技术

采用化学手段，通过添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、ｐＨ、吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质，使水体中污染物得以去除。如加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮、投加除藻剂可抑制藻类大量繁殖等。王曙光ｌｌ副等人在对深：０１１４条污染河水进行处理的试验中，采用聚氯化铁作混凝剂，在氯化钙投加量为９０ｍｇ／Ｌ，聚氯化铁投加量为５０ｍｇ／Ｌ的条件下，处理后的河水水质达到国家地表水水质标准。但化学治理的成本较为昂贵，同时所加入的化学药剂在治理时易造成二次污染，对水体的整个生态环境也会有一定的影响。化学法治理通常不具有可持续性，也没有解决问题的根本。

１．２．３生物治理技术

采用人工措施利用植物、微生物的生命活动，对水中污染物进行降解或转化成无害物质的水体净化技术，该技术克服了物理、化学修复技术的缺点，具有处理效果好；费用低廉；不需耗能或低耗能等优点，最重要的是该技术可以使污染水体的自净能力逐渐恢复是实现人与自然和谐相处的治污途径ｌｌ引。１．２．３．１水生植物治理技术

在污染水体中种植对污染物吸收能力强且耐受性好的植物，通过植物发达的根系吸附、吸收、富集和降解去除水中的污染物，同时植物根系为微生物创造了良好的栖息场所并提供丰富的营养物质，根系微生物在功能上的协同效应加速了水体的净化，从而实现水体修复的目的Ｉｌ¨。

水生植物根系发达，能吸收水体中有效态氮、磷的营养物质以满足植物体本身的生长发育需要。王超【ｌ８】等通过现场试验分析证明挺水植物（芦苇等）对氨氮具有很强的削减作用，氨氮通过河道两岸的芦苇带时浓度显著降低，模拟模型的衰减系数是无芦苇生长的混凝土护坡河段的３倍左右，氨氮的削减量也为无芦苇生长河段的２倍左右。马立珊【１９】等通过在浮床上种植香根草考察其对氮、磷元素的去除效果。结果表明，植物生长６０天后，秦淮河、金ＪＩＩ河及玄武湖水体中ＴＮ去除率分别达到７７．９％、７９．１％、８２．１％；ＴＰ的去除率分别可达８３．３％、８４．４％、８２．１０％。李睿华１２０】等利用２种混合植物带（香根草十沉水植物、湿生植物十香蒲＋芦苇）对受污染河水进行中试研究，结果表明，混合植物带对污染物的降解效果优于无植物空白带，其中香根草十沉水植物带效果最好，它在整个运行期间对ＣＯＤ、氨氮和总磷的去除率分别为４３．５％、７１．１％和６９．３％。对出水溶解氧及水温比无植物带的稳定，且在夏季水温低于无植物带水域的水温。对于富营养化的水体，可以采取种植经济植物来净化水体，既美化环境，又增加了经济效益。宋祥甫【２１】采用浮床种植水稻法，可以降低Ｎ、Ｐ元素，并获经济效益。由

文辉【２：】以水蕹菜、水芹菜净化污水，水蕹菜对ＴＮ、ＴＰ的去除率为８１．３２％、７１．３４％，水芹菜对ＴＮ、ＴＰ的去除率为８２．７７％、９４．７７％。

大型水生植物还可抑制藻类生长：一方面植物生长会大量吸收水体中的氮、磷营养物质，使水体中氮、磷浓度减少，藻类缺少营养源而大量死亡，同时植物根系可以分泌抑藻物质，破坏藻类正常的生理代谢功能，迫使藻类死亡。何池全【２３ｌ等认为石营蒲茎叶的遮光作用和根及根状茎的分泌物在抑藻过程中是同时起作用的，其相对贡献随覆盖面积的大小而异，但遮光作用不是主要原因，根系分泌物对藻类生长的影响具有浓度效应，分泌物在一定低浓度下表现为促进作用，而当浓度达到一定闭值后，则产生抑制作用。

采用水生植物是治理河流污染的常用措施。水生植物对水体中氮、磷及其它污染物的净化具有良好的效果，对有害藻类产生有一定的抑制，但是利用水生植物修复却存在许多不利的因素。很多水生植物生长都有季节性变化，在低温条件下，生长代谢变慢，净化能力也降低，有些甚至可能死亡，残体在水体中分解，原来吸收固定在体内的氮、磷及有机物质被释放出水体，引起水体氮、磷和ＣＯＤ的浓度增大。对于受污染严重的城市河流，某些河段的水质十分恶化，通过种植水生植物已经不能实现治理污染的目标。

１．２．３．２人工水草治理技术

人工水草技术是在重建健康的河流生态系统基础上，用具有耐污、耐腐蚀、弹性、韧性和柔性很强的材料仿照河流生态系统中的水草设计而成的仿生水草填料，以河道中原有的天然生物菌群作为种源，在其表面经过生物的自然富集形成生物膜，通过微生物的生命活动从而有效降解水中有机污染物和去除氮磷等营养物质，对水中ＳＳ也有较好的去除效果。对于城市河流某些污染严重的河段，水生植物已无法生长，人工水草即替代天然水草安置在河道内，提供细菌栖息生长的场所形成生物膜，培养河道自身的生物环境（包括水体本身的生物环境和河道底泥和两岸的生物环境），并充分利用此生物环境对污染水体中的污染物进行降解，从而达到净化污水目的的一种生物强化修复。

人工水草作为提供微生物栖息的重要场所其性能直接影响着处理效果和投资费用。人工水草多是以高分子聚合物为材料，根据实际的需要，构建成各种形状，并可具有不同的表面性质，以便最好地满足生物特征的需要，它实质上就是属于一类新型的生物填料。

（１）日本于上世纪９０年代研究了一种细绳状的人工水草，该人工水草是由聚氯乙烯叉、聚丙烯和维尼纶等人工合成材料制成的环状小丝体群，以细绳为中心，其丝条呈立体状态向四周辐射的细绳状构造物，具有一定的刚性和柔性，相对质量一般为Ｏ．９１．１．７６之间，直径为４５．６０ｍｍ，表面积０．５５．２．１０ｍ２／ｍ。该水草具有平面型、大叶藻型和架台型三种（图１．４）【２剞。１９９１年５月，在日本爱知县武丰镇六贯山使用了细绳状生物填料的平面型设置，净化宽２ｍ，经三面衬砌的

排水沟，设置长度为１００ｍ；进水的ＢＯＤ的平均值为６８７ｍｇ／Ｌ，ＳＳ的平均值为４７４

３１ｍｇ／Ｌ。设置好后．经过４年（１９９１８５－１９９５２）的观测，ＢＯＤ的平均去除率为８％，ＳＳ的平均去除率为１５％。１９９３年，利用细绳状生物填料的架台式设置净化广岛县福山市排水榘。该排水渠宽度３５ｍ，水深约６５ｃｍ；进水ＢＯＤ值为２８－８１ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤ７５—１０８ｍｇ／Ｌ，ＳＳ为７０－ｌ９０ｍｇ／Ｌ；流量为２３２８ １０３６８ｍ３／ｄ。采用６段式设置，共延长３２ｍ。该设置经４４年的远行，其ＢＯＤ的去除率为１１％．４６％：ＣＯＤ的去除率为２％一３２％：ＳＳ去除率为１６％一５３％，进一步提高了捧水渠的水质。１９９６年，在净化木曾川水系２级河川的境』１１支流中使用了细绳状生物填料。境川支流的河宽为６０ｍ，水深约７０ｃｍ，河床为自然型，设置长度为１０４ｍ；进水的ＢＯＤ为２０ｍｇ／Ｌ一１００ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤ为２９－１０８ｍｇ／Ｌ，ＳＳ为８０ １２０ｍｇ／Ｌ，流量为８３３３—１１６０６４ｍ３／ｄ。大叶藻型净化设施设置后，在１９９６年４月到１９９６年９Ｙｑ期间．经过４次监测，得到ＢＯＤ的平均去除率为２０％，ＣＯＤ约为ｌ３％，ＳＳ约为ＩＯ％。鬟㈣＿赢…………Ｌ

Ｓｔｒｉｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｗａｔｅｒｐｌａｎｔｓ

（２）美国ＲｏｄｅｒｉｃｋＪＭｃｎｅｉｌｔ博士研发的阿科蔓生态基人造聚合物惰性材料的人工水草，该水草有用于微污染治理的ＢＤＦ型与用于污水治理的ＳＤＦ型。阿科蔓具有高生物附着表面积，每平方米生态基可提供约２５０平方米的生物附着表面积：适宜的孔结构，为异养生物（如异养型细菌）设计了微孔（１～５“ｍ），为自养生物（如藻类）设计了大孔（８０～３５０ｕｍ）；采用超级两面编织技术，一面编织较为密实，另一面编织较为疏松并且水草的外观，封闭式泡沫的核心使阿科蔓可保持浮力，完整的固定底座使阿科蔓能够被放置在水体中适当的位置：纯惰性材质，亲和于生态环境，在水中刁；会分解，使用寿命不低于１４年，对自然环境无任何危害（罔１—５）。阿科蔓在美国密苏里河ＣａｎｙｏｎＦｅｒｒｙ水库治理中得以应用，治理一年后，湖水能见度从１２ｍ增加到７ｍ，总磷从４１ｍｇ／Ｌ降到０．６ｍｇ／Ｌ，亚磷酸盐含量下降了９２％，蓝藻问题基本解决【２５１。国内阿科蔓应用在广州市大金钟湖水质综合治理实施Ｔ程后．湖水水质和感舰得到明显改善，水质主要控制指

标氨氨下降９８８％，总氯２０４％，总磷９７％，氨氮７７％，高锰酸盐指数７４％；透明度从０６３ｍ增加到１２２ｍ，接近两倍：ＣＯＤ、溶解氧达到了国家地表环境质量标准Ｉ类，高锰酸盐指数、氨氯、总磷１１类，总体达到了国家地衷水环境质量标准ＩＩ类，大金钟湖水质及水生态环境将得到有效的改善１２６，２”。在嘉湾湖、流花湖水体污染治理中应用，放置六个月后，湖水变清。已无浮游藻类，腥臭味消失””。武汉塔于湖采用阿科蔓生态基治理后，水质大大改善，其氨氮、ＣＯＤ的平均去除率分别为９７５％、１６１％：郑州ＣＢＤ景观湖、广州华南新城景观湖等水体的修复治理及生态维护也取得了较好的效果””。

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（３）河海大学王超、出伟君等人仿照水生臭轮藻的外形特征设计而成一种人工水草。臭轮藻是天然河流中常见的沉水生长藻类其高可达６０ｃｍ¨…它的存在使得水生动植物群落中太部分的细菌和真菌类粘附在臭轮藻的茎和叶上，此外其茎极具柔性和韧性能随水流流动而来回摆动对水流的阻力较小。该人工水草就是强调臭轮藻的茎的柔性和韧性枝和叶的可附着性，以填料的支杆仿照茎杆，中心扣环仿照轮藻的节，填料丝仿照叶片，研制而成（图１—６）。在宣兴市大浦镇林庄港的一条河流治理中应用了规格为：填料片的直径１５０ｒａｍ，相邻填料片的间距９０ｍｍ．支杆的直径４ｒａｍ的该人工水革，将其直接布设河道内。对氨氯的去除效果最好．它在整个运行期间对高锰酸钾指数的平均净去除率为５４％，其中最高为９９％；氨氨净去除率在５３５％－３９９１％，总磷的净去除率最高也达到了２８６％。同时细菌学检验结果表明．高锰酸钾指数的去除率与附着在填料丝上的异养菌的数量存在正比关系；而亚硝酸菌和硝酸菌的数量也与氨氮的去除率变化相匹配ｌⅢ１３１。

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ａ轮藻ｂ新型仿生填科

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（４）生物飘带一种具有特殊微观结构和功能的人工水草，以飘带为载体，由大量的微生物固着在飘带上形成生物膜而构成。固着在飘带上的生物膜结构分为二层：内层紧靠飘带固着体，形成厌氧层；外层形成好氧层，为生物苗的厌氧反应和好氧反应提供了良好的微生态环境。生物飘带底部通过支架固定在河床上，生物飘带近似垂壹的漂浮在水中，在支架之问设有曝气管和反冲洗管，克服了支架对池体规模和结构的限制，可以因地制宜，根据现场实际情况调整布设方式，大大增加了生物填料与水体的接触面积，提高了应用范围和处理能力（图１．７）。深圳市在对新洲河进行综合治理时，采用生物飘带处理系统运行状况良好。河水水质得到较好改善，ＣＯＤ由进水水质５４６ｍｇ／Ｌ减至３４ｍｇ／Ｌ，ＢＯＤ由进水水质２５８ｍｇ／Ｌ减至１７ｍｇ／Ｌ”…。

Ｆｉｇｕｒｅ１．７Ｂｉ图０１１０—９７ｉｃ生ａｌ物ｒｉｂ飘ｂｏ带ｎ人ａｆｌ工ｉｆｌ水ｃｉ草ａｌｗａ忙ｒ。ｌａｎｔｓ

（５）中国科学院水生生物研究所吴永红等人研究的人工水草以醛化纤纶为基本材料，模拟天然水草形态加工而成，由浮球、圆形载体、固定配重物组合而成，外形为多环串连，其中圆形载体直径为８ｅｒａ，其顶端的塑料浮球在水中产生浮力，将填料拉紧使其在水中漂浮（图１．８）。人工水草在改善富营养水体武汉市汉阳区月湖水水质的静态试验中ＣＯＤＭ＂ＴＰ、ＴＮ和氨氮的削减率依次为９２．８９％、４９２５％、９４９７％和７０１５％，该人工水草可以抑制藻类的生长、繁殖”“。

挣球

连接绳

圆形载体

圆形载体

固定配重物

图１．８圆环式人工水草

Ｆｉｇｕｒｅ１—８Ｒｉｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｌａｎｔｓ

（６）东南大学吕锡武等人研究的一种组合介质的人工水草。该人工水草由中心盘（骨架）、四周醛化维纶丝穿结、中心绳、空隔套管等组合。中心盘（塑料片体）经特殊加工，四周纤维均匀分布在片体周围，使纤维的有效面积充分利用，具有表面积大、不易结团、寿命长、老化生物膜易脱落等特点。该人工水草应用在太湖梅梁湾水质改善技术的中试试验中，表明该填料对水体中的有机物１３５１、氮磷营养物质１３６Ｊ、藻类１３７Ｊ均有较好的去除效果。可改善太湖梅梁湾水源地的水质，当ＨＲＴ＝７ｄ，介质填充率为２６．８％时，对ＴＯＣ、ＣＯＤＭｎ、Ｃｈｌ—ａ、ＴＭＣ的平均去除率分别为４２．１％、２２．５％、７１．９％、６７．９％ｔ鲻Ｊ。

人工水草技术可以克服水生植物对于污染严重的水体难以修复的缺点，近年来开始逐步应用于城市河流的污染治理。该技术可实现以下功能：抑制藻类水华发生，增加水体透明度；降低水体ＣＯＤ、总氮和总磷。同时具有不影响河流的航运和泄洪等功能；不破坏河流生态系统，适合河流复杂多变的水流条件；化学与生物稳定性强，不溶出有害物质；成本低廉，施工简单，使用寿命长，不难管理和维护等特点。因此非常适合于城市中小河流的直接净化。

１．３城市河流修复发展趋势

生态修复是在生态学原理指导下，以生物修复为基础，结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施，通过优化组合，使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的污染环境修复方法【３９１。１９３８年，德国的Ｓｅｉｆｅｒｔ首先强调：河流治理需植物化和生命化，创造河流的生态多样性来修复受损伤的水体，恢复动植物良好的生存环境来重建健康的系统以满足人类对河流利用的要求。大自然在发展变化的长期过程中，本身已经具备了自我净化、完善的强大能力，使得自然界得以持续有序地运行。城市河流修复就是要按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌，强化自然界自身的自净能力去治理污染水体，这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，是一条创新的技术路线，也是城市河流修复的发展

趋势。我国在河流生态修复方面的研究工作起步较晚，尚处于学习引进国外先进经验的阶段，近年来，城市河流生态修复将成为我国河流治理领域研究和应用推广热点。

１．４研究内容、方法及技术路线

１．４．１研究内容

本课题拟构造一种新型人工水草填料栅应用于无法进行水生植物修复及修复效果差的重度或中度污染的城市河流，并模拟重度污染河段的水体情况进行人工水草填料栅挂膜后的综合处理，探讨该水草栅对于污染物的去除效果及其影响因素，开发出符合我国城市河流污染特征的人工水草强化净化水体技术。此外，单一的修复技术无法实现对城市河流重度污染水体的全面修复，本课题以十五里河为研究对象试探讨以人工水草技术为核心并结合其他河流修复技术的优势组合，以此提出对城市河流进行修复的可行性方案。主要研究内容包括有：

（１）人工水草填料的材料及构型选择；

（２）人工水草填料栅处理效果试验研究；

（３）十五里河生态修复工程设案。

１．４．２研究方法

本论文拟采用国内外相关资料收集、室内模拟试验、现场调查观测、理论分析、示范区确定、方案评价分析的方法进行综合研究。具体的研究方法如下：

（１）国内外相关资料的收集、分析；（２）试验测定与分析；（３）研究对象的现场调查与监测；（４）河流生态修复系统的整体分析。

１．４．３技术路线

研究首先从国内外已用于工程实践的人工水草技术入手，综合分析各种人工水草的优缺点，并结合我国城市河流的水力特征及污染现状，确定适合我国污染河流的人工水草，通过室内试验确定人工水草材料及构型、人工水草最佳的处理面积、处理效果；然后综合河流动力学、环境工程学、河流生态学的有关理论，制定污染河流的修复方案并对方案进行评价分析。从而为应用于我国城市河流污染的人工水草技术提供科学依据。其研究内容的具有技术路线如下：

（１）人工水草材料及构型选择

目前较成熟并已应用于实际工程的人工水草主要是以人造聚合物为原材料的阿科蔓生态基。尽管处理效果较理想但成本高昂，国内的各项专利产品也面临着同样成本较高的难点。基于此，通过对比阿科蔓对实验水体的处理效果（如选择不同材料仿阿科蔓生态基构型进行相应实验，研究不同材料的人工水草对ＣＯＤ去除率、氨氮去除率、总磷去除率、叶绿素去除率、水体透明度增加），污染水体的处理效果，筛选出处理效果最好的材料。此外，依据不同材料的特

卜～二二二二二］三二二二二］ｌ对污染水体处理效秉ｉ［翌翌！！圈；ｉ［！！四ｌ，；

图１．９人工水草材料选择

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（２）人工水草填料栅处理效果模拟研究

通过实验初步确定人工水草的材料后，进行实验室条件下的模拟修复水体污染的小试研究。采用模拟河道反应器，将人工水草填料以串接形式间隔一定距离并以最适合的密度竖直固定在反应器空间内进一步研究水质及环境因素发生变化状态下人工水草填料栅的处理效果。人工调控反应器中的水温、溶解氧浓度、有机污染物浓度等因素，研究在不同因素影响下，人工水草填料栅对污染水体ＣＯＤ、氨氮、ＴＰ的去除效果以及对水体透明度的改善效果；人工水草填料栅表面挂膜时间和持续发挥处理功能时间长短。通过小试研究，初步探讨人工水草栅去除各类污染物质的机理，人工水草填料栅对不同外界环境的处理响应，寻找使人工水草栅发挥最大处理能力的条件。具体实验流程如下图所示：

图１．１０人工水草栅小试试验技术路线

Ｆｉｇｕｒｅ１—１ＯＴｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｏｕｔｅｏｆｓｍａｌｌｐｉｌｏｔｔｅｓｔｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｗａｔｅｒｐｌａｎｔｇａｔｅ

（３）十五里河生态修复工程设案

通过对十五里河的实地现状调查，了解①河流物理结构特性，包括河流类型、大小、连接性以及河流廊道的连接性；②河道植物群落的历史和现状；③河流水体污染状况及成因。确定水质净化与生态修复的具体目标，优选适用技术并集成适用技术制定综合技术方案并进行论证，确定生态修复技术的方案。

第二章人工水草技术的试验研究

２．１试验的主要设备器材、测定方法及试剂

２．１．１试验设备器材

主要试验器材见表２．１

表２ １主要实验器材

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名称型号备注

２．２．２试验测定项目及分析方法

试验过程中不同运行时间分别采样测定ＣＯＤ（化学需氧量）、ＣＯＤＭｎ（高锰酸盐指数）、ＴＮ（总氮）、ＴＰ（总磷）、ＮＨ４＋－Ｎ（氨氮）、Ｎ０３＂＿Ｎ（］ｉｆｉ酸盐氮）、Ｎ０２＂＿Ｎ（亚硝酸盐氮）、ＤＯ（溶解氧）、Ｔ（温度）、Ｃｈｌａ（叶绿素ａ）等指标。主要分析方法见表２ １。

表２－２主要分析项目及方法一览表

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分析项目方法

叶绿素ａ测定方法简略如下：

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