阶梯浮床在河道生态修复工艺中的探索

1硬质岸坡河道生态修复新工艺的探索上海市南洋模范中学陈嘉烨季正允成佳鑫指导老师吴国华张小凡黄洁玲张岳梅摘要城市中具有硬质岸坡的污染河道很多，其生态修复问题是一个世界性难题。这类污染河道内不存在生态系统故丧失了自净能力，目前在国内许多生态修复工程采用了浮床工艺技术，该技术缺点是维护成本高，而且此单项技术不可持续发展。本课题研究发明的《含阶梯浮床的生态修复工艺》探索解决这一重大难题，特点是利用阳光、微生物、植物的协同作用构成浮床作用区，在区内构建沉水植物作为先锋物种的水域，在潮汐河道条件下配合发明的《一种沉水植物作为先锋物种的生态修复工艺》，探索解决在污水潮汐冲刷下沉水植物难以固定、难以存活的难题。使生态修复工程在硬质岸坡条件下可持续发展。另外关于阳光、微生物在水体净化中的协同作用作了实践研究加以验证，对形成机理作了初步的探究。本课题为大量城市硬质岸坡河道的可持续发展生态修复探索了一种低成本的方法。区水务所准备在2011年扩大试点逐步推广。关键词浮床作用区沉水植物先锋物种微生物生态修复本文阐述的是我校特色——具有自主知识产权的“城市前置库工程”工艺系列发明的第七种模式：1．一种含阶梯浮床的生态修复工艺2．一种沉水植物作为先锋物种的生态修复工艺2目录1.研究背景………………………………………………………..………….32.在浮床工艺中的发明………………………………….……………….….42.1浮床工艺在河道生态修复中的运用……………………..………..….42.2阶梯透光浮床工艺的原理…………………………………………….52.4浮床的覆盖率与治理效果的关系……………………………..…..….63．微生物在浮床环境下对水质净化的规律性探究………………...……....83.1微生物对有机污染物的降解与转化………………………….....……83.2实验过程…………………………………………………......……..….83.3结果及讨论…………………………………………………….....……94．沉水植物作为先锋物种的工艺介绍….…………………………….……114.1沉水植物移植面临的难题………………………………………..……114.2沉水植物在生态修复中发挥的重要作用………………………….…114.3针对存活问题的应对措施………………………………………..…..124.4经济效益………………………………………………………………135．结论…………………………………..…………………………………...136.感谢………………………………………………………………………..157．参考文献……………………………...…………………………..………153硬质岸坡河道生态修复工艺中的探索1.研究背景校创新协会9年来一直在探索“城市前置库工程”，在污染河道水质净化治理方面有工艺、设施、设备三个系列的六十多项发明，生态修复工艺系列发明至今已发展到第七种模式。前六种“城市前置库工程”生态修复工艺模式种类年份地点工艺名称第一模式2003金家塘河浮床法、截污法、浮泵曝气法第二模式20052006漕溪河浮泵曝气法、本地微生物法、“人工滤床”法、浮床法、本地微生物法第三模式2006漕溪支河截污法、光电式反应器回流法、发明透光浮床、景观浮床等浮床系列设施浮床法、本地微生物法第四模式2007瑞金医院景观水膜处理器法第五模式2007，2008漕溪支河太阳能生态修复系统：浮床法、瀑布曝气回流法、构建水下、水面、水边、岸坡立体化可持续发展生态系统。第六模式2008，2009强生花苑景观水沉箱法、太阳能潜水轴流泵回流法、垄沟法、防鱼网栅栏法。我国与世界上的很多城市河道都以硬质岸坡为主，目的是防止在于放冲刷以稳固定堤坡。为了防止河岸塌方、土地沉降带来的工程问题，采用硬质岸坡有一定的必要性。而硬质岸坡阻断了河道与外界水体的关系，也阻断了自然生态的生物链，使之成为相对封闭的系统，丧失了自净能力。在此情况下，对此类河道开展生态修复工程非常困难。情况分析如下图，将河床分为三个区域—A,B,C，划分依据如图所示。4河床横截面区域示意图其中B片区为挺水植物生存的区域。在硬质岸坡河道中，B片区已被水泥等材质所取代，挺水植物无法存活。A区为岸边区域，C区为河床底部。针对硬质岸坡河道的修复难题，应该采用怎样的工艺来进行治理？浮床技术的运用在国内比较普遍。而此技术有一些比较大的缺陷，工程的实施和维护成本都比较高，并且存在不可持续性。而采用沉水植物作为先锋物种进行净化则可以弥补这些缺陷，将二者结合，便可达到较好的综合治理效果。但在硬质岸坡尤其存在潮汐并存在污染的河道内，沉水植物的成活是一个很大的难题。针对此问题，首先通过浮床作用区创造能够让沉水成活的水环境，再对于移植工艺进行进一步探究。在调查资料的过程中我们还有两个发现。据文汇报登载：2006年9月，中国科学家代表团访问美国时，美国国家重点实验室展示了这样一个发现：阳光与微生物共同作用能裂变水中氧原子。2007年《中国环境报》登载了中科院地理与湖泊研究所的发现：阳光中的紫外线能使湖泊水质得到净化。2.在浮床工艺中的发明2.1浮床工艺在河道生态修复中的运用在污染严重的硬质岸坡河道中进行生态修复是一个世界性的难题。在硬质岸坡河道中，两岸岸坡没有土壤，挺水植物难以生存，沉水植物无法在污染严重水域中存活。因而无法快速形成一个有自净能力的生态系统。对此，市农科院环科所最早在上海使用浮床，在水体中引入耐污能力较强的挺水植5物，陆生植物，使快速生态修复成为可能。我校发明竹子、透光、景观等浮床系列。右图世博会水域采用的浮床工艺图。2.2含阶梯透光浮床生态修复工艺的原理为了解决传统浮床的对生态系统修复具不可持续性的缺点，我们发明了一种含阶梯浮床的生态修复工艺。在同一个浮床上，由不同高度的植物构成阶梯层次；在河床截面呈水上、水面、水下、河底形成织物阶梯。作为透光浮床系列中的新品种，浮床的遮光面积很小，可使阳光照射到浮床植物的根部。工艺流程：1．构建阶梯浮床作用区2．构建生物膜作用区3．构建沉水植物作用区4．在沉水植物向河道中心扩展时，修整浮床作用区，移走浮叶类浮床植物。5．发展具有生物多样性的生态系统。阶梯浮床修复工艺是在河道中构建浮床作用区，包括根部聚集区，扩散区，一直扩散至底泥都有作用，另外通过挂膜减缓水流并强化吸引微生物栖息。当经过一定时间后，通过浮床植物与根系下微生物的作用初步净化水质之后，为沉水植物的成活创造条件，使之成为先锋物种。阳光可通过阶梯浮6床射入水下，使沉水植物存活、大量生长，而且在经过工艺的第四步骤后，它们能够穿越浮床覆盖的水面，慢慢向河道中央生长，逐步形成一片水下森林，形成不断发展的沉水植物的作用区。依靠浮床能加速河床低泥的沉积作用，进而在整个浮床作用区内形成由挺水植物、浮水植物、其它沉水植物及多种动物的生物多样性的生态环境。整个浮床作用区在浮床植物及微生物的协同作用下，水质得以净化。使生态工程具有可持续发展、河水具有自净能力的特征。2.3浮床的覆盖率与治理效果的关系传统的浮床工艺有一个“经典理论”，即由上海农科院环境生态研究所研究的结果表明，当浮床在水面分别覆盖15%、30%、60%时，覆盖率为30%时净化效果最佳，覆盖率在60%时，水体COD净化效果略低于前者。以下是由政府环保监测部门——徐汇区环境监测站测量的水质数据：7月水质数据地点：东上澳塘总磷（TP）氨氮（NH3-N）悬浮物CODBOD5不透光浮床0.6523.917359阶梯浮床0.2762.18782078月水质数据地点：东上澳塘总磷（TP）氨氮（NH3-N）悬浮物CODBOD5不透光浮床0.58615444阶梯浮床0.484.93145659月水质数据地点：东上澳塘7总磷（TP）氨氮（NH3-N）悬浮物CODBOD5不透光浮床0.595.5631306阶梯浮床0.584.253926410月水质数据地点：东上澳塘总磷（TP）氨氮（NH3-N）悬浮物CODBOD5不透光浮床0.34.147258阶梯浮床0.55.55822611月水质数据地点：东上澳塘总磷（TP）氨氮（NH3-N）悬浮物CODBOD5不透光浮床0.55164.443110阶梯浮床0.45165.083257阶梯浮床与传统不透光浮床植物量、覆盖率分析表。类型数量棵湿重kg实际覆盖率%不透光浮床214821.4阶梯浮床83217.1根据“经典理论”，如果覆盖率30%是一个峰值（据农科院环科所论文），那么水质指标与覆盖率在30%以下时可以根据正态分布逻辑作推理。从以上数据可以发现，阶梯浮床区域的主要水质指标COD优于传统浮床区域，富营养化指标总磷和氨氮在温度最高的7~9月，阶梯浮床区域优于8传统浮床。（加图表）据中科院水环境分会科研论文的理论，浮床覆盖率30%时，COD值显示为最低谷，水质最好。覆盖率低于或高于30%时水质都会下降。本课题试验突破了了这一结论。当覆盖率为17.1%时，半年来的数据表明，阶梯浮床水域水质优于不透光浮床水域，低于30%的覆盖率可以使水质更好。阶梯浮床的覆盖率低于传统浮床，水质指标却普遍优于传统浮床。这与之前的推断产生矛盾。上图为阶梯浮床与传统浮床对比。根据前文研究背景的两个发现，可推测：从第一个发现中得知阳光与微生物产生氧原子，使水体含氧量增加，促使好氧微生物增加、从而促进了水质净化。从第二个发现中可以推断：如果紫外线不能直接转化富营养化物质，那一定有间接转化功能，大量有害微生物被杀灭导致有益微生物增加，水体水质净化。总之，微生物起到了十分重要的作用。需要对微生物作用的规律进行一系列的探究。3.微生物在浮床环境下对水质净化的规律性探究通过资料查询与实践，我们得知微生物在水质处理中的作用如下：3.1微生物对有机污染物的降解与转化微生物在好氧条件下能将有机污染物彻底氧化，分解成CO2、H2O、SO42-、P043-、NO2-、NO3-等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸，CH4等。因此，微生物是生物净化中污染物降解的主力军。絮凝作用。可以将水体中的有机碎屑结合成絮状体，使重金属离子沉淀。消解污泥。使有机污泥同时消解，24小时可消解污泥0.7mm。总之，浮床作用区的植物根部集聚了大量的有益菌种，对有害的导致水质腐败的菌种有化感作用。3．2实验过程3.2.1样品的采集与处理植物根系样品分别取自透光浮床与不透光浮床，水样取自浮床附近离水面cm（通常10～15cm的深9层）。样品处理按以下方式进行：将植物样本切碎，各取一克放入100mL无菌水中于水浴摇床中培养两个小时。3.2.2培养基制备根据配方配制培养基，（具体配方见附件二）培养基灭菌在121℃条件灭菌15分钟。3.2.3实验过程样品稀释与接种培养待冷却后在无菌操作台上将培养基倒入培养皿制成平板固体培养基。将培养两个小时后的样品分别稀释一千倍及一万倍两个浓度梯度后，涂布于细菌总数计数固体培养基上，而涂布于亚硝化菌培养基以及硝化菌培养基上的菌液浓度梯度取稀释十倍和不稀释。每个稀释度分别有二个平行。将涂有待测样品的平板固体培养置于培养箱内，30度培养48小时。3.3结果及讨论3.3.1两种浮床根系的细菌总数比较将两个样品分别稀释一千倍及一万倍两个浓度梯度后，涂布于细菌总数计数固体培养基，在30℃条件下，培养48小时后，各浓度条件下生长的菌落数如下表所示。表4各浓度条件下生长的菌落数水样大聚草根系浓度梯度透光不透光透光不透光10-321189522811由于检样中采用30/35℃有氧条件下培养，因而并不是样品中实际的总活菌数，一些特殊营养要求的细菌、厌氧菌、微需氧菌、以及非嗜中温细菌，均难以反映出来。10八月份的数据表明，浮床植物根系附着的微生物明显高于水中的微生物，可见浮床作用区内适宜微生物的生长。另外可以看出，透光浮床下的微生物总数高于不透光浮床下的微生物数量，可以验证阳光在其中起到的作用。3.3.2两种浮床根系的硝化细菌总数比较另外，亚硝化菌将水中的氨氧化成亚硝酸根离子，硝化菌将亚硝酸离子氧化成硝酸根离子，