CN100556829C - 利用深液流技术修复富营养化水体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用深液流(DFT)技术修复富营养化水体的方法。该方法依次包括种植槽、水阀、水槽、流量计和水泵，它们之间用PVC管连接。在DFT系统的种植槽中种植水蕹菜或黑麦草，用富营养化水作为营养液，利用DFT系统中水泵使水体的不断循环和通过水蕹菜或黑麦草发达的根系来大量吸收富营养化水体中的氮磷等营养盐，并向上运输到植物地上部，定期采收，将其移走作资源化二次利用；加之植物和水体中有机物所分泌抑藻物质，抑制藻类繁殖，从而使水质得到改善，实现了利用DFT技术来修复富营养化地表水的目的。该方法简便、投资少，操作和管理方便，且无二次污染，既有利于富营养化水体的资源化利用，还可产生一定的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及治理富营养化地表水的方法，尤其是利用深液流技术修复富营养化水体的方法。
背景技术
水体富营养化已成为世界性的环境问题。据国际湖泊环境委员会(ILEC)调查，世界大部分湖泊正遭受着不同程度的水体富营养化，亚太地区54％，欧洲53％，北美28％，南美41％的湖泊发生富营养化。据中国水利部2004年调查显示：对49个湖泊的营养状态进行评价，17个湖泊处于中营养状态，32个湖泊处于富营养状态；且在中国的五大淡水湖中，太湖、洪泽湖、巢湖均已达富营养程度，鄱阳湖、洞庭湖目前虽然维持中营养水平，但磷、氮含量偏高，正处于向富营养过渡的阶段。因此，湖泊、水库等地表水系富营养化业已成为我国的一个突出的环境问题。
水体富营养化是指氮、磷等无机营养物大量进入湖泊、海湾等相对封闭，水流缓慢的水体，从而引起藻类和其它水生植物大量繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，其它水生生物大量死亡的现象。其危害主要表现为原有水体生态系统结构的破坏；由于水质恶化造成的水质性缺水及水体中的一些有毒物质对人体健康的危害；水体中氮、磷等营养盐过多还对一些鲑鱼和两栖动物的幼体生长造成危害等。因此，水体富营养化的防止与治理问题受到世界各国的高度重视。目前，国内外防治水体富营养化的主要措施是在控制污染物排放总量的同时，辅以物理(底泥疏浚、引水冲刷、换水、充氧、机械捞藻等)、化学(化学杀藻等)、生物(微生物、植物等)等方法治理水体污染(特别氮、磷等污染)。一些物理、化学，微生物等方法不仅效果是短期的，而且耗资较大，还可能给水体造成二次污染。水生植物由于在生长过程中，需要吸收大量的氮、磷等营养元素，并当其从水生生态系统移出时，被吸收的营养物质随之被带走，从而使水体中的氮磷含量降低，减轻了水体富营养化程度。因此，富营养化水体的植物生态修复在国内外已经引起了学术界的高度重视。
近年来，利用薄层营养膜(NFT)技术来处理污水的研究在国内外已有报道[1-5]，但目前有关深液流(DFT)技术在污水处理上的应用则是一片空白。
1.泮进明，应义斌.营养液膜技术栽培牧草净化循环流水水产养殖废水的试验.水产学报，2005，29(5)：695-699.
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发明内容
本发明的目的是提供一种利用深液流技术修复富营养化水体的方法。
利用深液流技术修复富营养化水体的方法，包括以下步骤：
1)依次连接种植槽、水阀、水槽、流量计和水泵构成深液流循环系统；
2)将水蕹菜种子或黑麦草种子浸湿，于28～30℃温度下催芽，将发芽的种子点播到育苗盘上进行育苗，当苗长4cm后，把穴盘放到盛水的蓝框里，保持水分培养，苗长到7cm时，按每3-4棵苗用海绵围绑，移栽入预先打好孔的浮板的孔中，放到盛Hoagland营养液的深液流循环系统预培养一个星期；
3)将深液流循环系统中的Hoagland营养液换成需修复的富营养化水，预培养的水蕹菜苗或黑麦草苗置于种植槽中，通过水泵控制富营养化水体循环流动，流流量计控制种植槽的水位5-8cm，待水蕹菜生长到20～35cm高度时开始采收，以后每10～15天定期采收；黑麦草生长到80～100cm高度时连续收割其地上部2-4次；待水体的TN和TP指标达标后排放，重新向种植槽注入需修复的富营养化水。
水蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk)，空心菜属蔓生植物，根系分布浅，为须根系，再生能力强。茎蔓生，圆形而中空，柔软，绿色或淡紫色，茎粗1～2厘米。茎有节，每节除腋芽外，还可长出不定根。水蕹菜耐热，需水量大，适应性强，产量高，栽培技术粗放，病害少，生长期长，生产成本低，既可利用低洼水田种植，又可利用河、湖、池塘水面浮植，是我国南方夏秋生产的重要绿叶蔬菜和堵缺补淡蔬菜。此外，水蕹菜在提高水体光能利用，改善养殖水体生态系统环境，扩大饲料来源，绿化水面和消浪护堤等方面亦有很大的作用。因此，发展水蕹菜生产将有利于蔬菜、畜禽和渔业生产，优化环境，提高综合经济效益和生态效益。
上述的黑麦草可以是多年生黑麦草和多花(一年生)黑麦草。
由于黑麦草的生产潜力很大，对氮磷营养盐的需求量也很大，而引起富营养化的主要因子就是水体里氮磷过剩，因此水上种植黑麦草可以高效吸收水体里过剩的氮磷。同时由于冬季气温过低等不利于植物生长的因素的存在，导致冬季水体的富营养化程度相对高温季节更加严重，而黑麦草的生长旺季又主要集中在冬春季节，因此水上种植黑麦草可以有效防治初冬早春富营养化的发生.
同时，黑麦草作为一种优质饲草，具有生长快、产量高、适应性强、适口性好的特点，其体内富含蛋白质、矿物质、维生素及铁锌等微量元素，干草粗蛋白含量可高达20％以上，是饲养各种家畜和草食性鱼类的优良饲草。因此水上种植黑麦草不仅可以防治富营养化，还可以有效解决畜禽初冬早春缺乏青饲料的难题，因此这一技术在富营养化地表水的植物修复中不仅有重要的环境意义，也有很好的经济价值，值得推广。
利用深液流(DFT)技术种植蔬菜作物-水蕹菜或黑麦草，富营养化水入水槽后，用流量计控制水的流量，由水泵把水槽中的水送到种植槽里，由水阀控制出水流回到水槽中，水槽的水再由水泵输送到种植槽里，最后种植槽中的水由水阀流回到水槽，这样水体来回地不断循环；种植槽中的植物根系不断地吸收富营养化水中的氮磷等营养盐，吸附、固定一些有机物和悬浮物质，最终通过系统的多次循环和植物的吸收、吸附、固定的作用，实现富营养化水体氮磷等营养盐的去除目的。同时，水体中的氮磷等营养盐被水蕹菜发达的根系所吸收，并向上运输到植物地上部，通过定期或视水蕹菜或黑麦草的生长高度进行采收，还可生产出大量的水蕹菜，带来一定经济效益，节省栽培水蕹菜所需营养液成本。
本发明的有益效果在于：
设施建造容易、具有投资少，维护成本低，管理技术要求不高等优点；利用水蕹菜或黑麦草吸收水体中的氮、磷等营养盐，加之植物和水体中有机物所分泌抑藻物质，抑制藻类繁殖，从而使水质得到改善，本发明在实现富营养化水体的生物原位修复，提高水质的同时，修复治理后的水蕹菜或黑麦草可作绿肥，也可作青饲料，可以带来一定的经济效益。而且不产生二次污染，对净化水质、美化景观环境均具有良好效果。
附图说明
图1是利用深液流技术修复富营养化水体的示意图；图中：I表示深液流循环系统示意图；II表示种植槽内栽培植物的横向截面图。
图2是本发明方法在处理72小时后，富营养化水体中TP、可溶性磷(DP)、COD、BOD、SS和Chla的浓度变化；(●)表示DFT系统中有植物，(○)表示DFT系统中无植物；A，B，C，D，E，F分别表示TP，DP、COD、BOD、SS和Chla浓度的变化。
图3是本发明方法在处理72小时后，富营养化水体中NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N和TN的浓度变化；(●)表示DFT系统中有植物，(○)表示DFT系统中无植物；A，B，C，D分别表示NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N和TN的浓度变化。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
利用深液流技术修复富营养化水体的方法，包括以下步骤：
1)构建深液流(DFT)循环系统：用PVC管6依次连接种植槽1、水阀2、水槽3、流量计4和水泵5构成深液流循环系统(见图1中I)；
2)水蕹菜或黑麦草预培养：将水蕹菜种子或黑麦草种子浸24小时，期间换水至少5次。经浸种的水蕹菜或黑麦草种子，再置于30℃培养箱中催芽，当种子发芽率达到85％以上时，再把已发芽的种子点播到育苗盘上进行育苗(每穴3-4粒种子)。当苗长4cm后，再把穴盘放到盛水的蓝框里，保持水分进行培养，等苗长到7cm时，按每3-4棵苗用海绵围绑，移栽入预先打好孔的浮板的孔中，放到盛Hoagland营养液的循环液流系统预培养一个星期；
3)通过种植水蕹菜或黑麦草，利用深液流技术治理污水：将循环液流系统中的Hoagland营养液换成需修复的富营养化水，预培养水蕹菜苗或黑麦草苗置于种植槽中(见图1中II)，通过水泵控制富营养化水体循环流动，流流量计控制种植槽的水位5-8cm，待水蕹菜生长到20～35cm高度时开始采收，以后每10～15天定期采收。或待黑麦草生长到80～100cm高度时连续收割其地上部2-4次；水蕹菜或黑麦草通过吸收富营养化水体中的氮磷等营养盐来维持自身的生长与代谢，通过分泌一些抑藻物质来抑制水体中的藻类生长，加之水体的不断循环使有机物得以分解和被植物根系所吸附，最终水体中的氮磷等营养盐浓度降低，有机物和藻类含量减少，水质得到改善，待水体的TN和TP等指标达到国家规定的标淮后排放，重新向种植槽注入需修复的富营养化水。
实施例1：
处理污水水质初始值参考表1。将经预培养后生长至12cm的水蕹菜在富营养污水中继续种植，三次重复，一个不设植物的空白对照。DFT系统中的富营养化水每72小时换一次，水质监测分别在处理0、24、48和72小时取样进行监测，每个处理重复三次。试验还对富营养化水体中水蕹菜的品质与Hoagland营养液中水蕹菜的品质进行了评价，所得结果见表2，3。试验进行约30天左右，水质有明显改善，在处理48小时后，进水口与出水口的营养盐的去除效果见表4：有植物的DFT系统中出水口的TN去除75.5％，TP去除40.6％。而无植物的DFT系统中对TN和TP去除率也分别为32.2％，去除24.7％(见图2，3)。水蕹菜体内的重金属和有害物质的水平也都在可允许食用的范围之内。
表1富营养化水体和霍格兰营养液中营养盐的初始值
*表示6次平均值；/表示没有监测.
表2DFT系统中用富营养化水体和霍格兰营养液培养的水蕹菜某些特性的比较
表3DFT系统中用富营养化水体和霍格兰营养液培养的水蕹菜植物体内重金属和有害物质的含量
表4无水蕹菜和有水蕹菜的DFT系统在48小时后对TN、TP、COD、BOD5、SS和叶绿素a的去除率
平均值+标准偏差；n＝10.
实施例2：
处理污水取自水产养殖系统的废水；在DFT系统培育出的生长年龄达40d多年生黑麦草移至四个DFT处理系统中，每个处理重复三次，设置一个对照，每7d取样一次。试验进行40天。7d循环灌溉处理后，NO3-N、TN、TP、COD的去除率分别达96.1％、86.2％、90.5％、88.7％，pH从6.4升高至8.4，而水体积只消耗29.7％。试验结束时收获鲜草582.9g·m-2，烘干后得到干草102.5g·m-2，干湿比0.176。
Claims (1)
1.利用深液流技术修复富营养化水体的方法，其特征是包括以下步骤：
1)依次连接种植槽(1)、水阀(2)、水槽(3)、流量计(4)和水泵(5)构成深液流循环系统；
2)将水蕹菜种子或黑麦草种子浸湿，于28～30℃温度下催芽，将发芽的种子点播到育苗盘上进行育苗，当苗长4cm后，把穴盘放到盛水的篮框里，保持水分培养，苗长到7cm时，按每3-4棵苗用海绵围绑，移栽入预先打好孔的浮板的孔中，放到盛Hoagland营养液的深液流循环系统预培养一个星期；
3)将深液流循环系统中的Hoagland营养液换成需修复的富营养化水，预培养的水蕹菜苗或黑麦草苗置于种植槽中，通过水泵控制富营养化水体循环流动，流量计控制种植槽的水位5-8cm，待水蕹菜生长到20～35cm高度时开始采收，以后每10～15天定期采收；黑麦草生长到80～100cm高度时连续收割其地上部2-4次；待水体的TN和TP指标达标后排放，重新向种植槽注入需修复的富营养化水。
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| 利用人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水体的研究. 刘淑媛等.北京大学学报（自然科学版），第35卷第4期. 1999 * |
| 猪场污水漂浮栽培植物修复系统的组成及净化效果研究. 刘士哲等.华南农业大学学报，第26卷第1期. 2005 * |
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