CN104820080A - 一种利用生物膜网片改善富营养水体水质的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用生物膜网片改善富营养水质的模拟方法，该模拟方法包括水环境准备、网片布设、生态模拟和数据采集。其中网片的布设为实验桶中布设规格为20cm*40cm、材料为聚乙烯的网片，网片的网孔直径为1-2.5mm，网片数分别设置为高密度组（6片/桶）、低密度组（2片/桶）以及无网片的对照组（0片/桶）。本发明实现了对生物膜网片改善水质的精确模拟，获得了利用生物膜网片改善水质的方法，本方法具有安全、成本低等特点。

Description

一种利用生物膜网片改善富营养水体水质的模拟方法

技术领域

本发明涉及环保新技术领域，具体涉及一种利用生物膜网片改善富营养水体水质的模拟方法。

背景技术

由营养盐（主要是氮、磷）的过度输入而引起的水体富营养化是世界上最广泛关注的水环境问题之一。我国的滇池、太湖和巢湖等很多重要的大型湖泊也都面临着富营养化产生的环境问题。营养盐输入的增加，导致浮游藻类的异常增加，底栖藻类（或沉水植物）减少，生物多样性降低，生态系统的结构与功能严重退化，也大大降低了水体生态系统的服务价值。

为了修复富营养化湖泊水体，根据浅水湖泊的多稳态理论，重建水生植被、优化湖泊生态系统结构、改善水生生态系统功能是修复湖泊富营养水体的有效措施之一。在广东惠州西湖，由于采取了恢复沉水植物等生态修复措施，昔日混浊的水体现在已经清澈见底、水草茂盛，从以浮游藻类为主的混水系统成功转变为以沉水植被为主的清水系统，且系统稳定长达三年之久。同样，在太湖、巢湖、滇池等富营养化湖泊也进行了这方面的尝试，一些大型湖泊的局部水域已初步建立了以水生植物为主的清水系统，但系统常常不稳定，重建的沉水植物往往容易死亡。这启示人们可以利用仿生原理，在需要治理的富营养化水域放置类似于水生植物的人工介质，增加其附着藻类的数量，可以有效降低水柱中的营养盐负荷。

附着藻类在湖泊生态系统的营养盐循环中具有重要的作用。一方面附着藻类通过吸收水体中的营养流从而使营养流向底部沉积物转移，降低底部沉积物水界面平流传输营养流量，拦截水生植物及其残体中扩散的营养。另一方面，附着藻类光合作用制造生化反应条件便于氮、磷沉降，阻止底部沉积物扩散的营养，同时为水体中微粒和微生物提供停留场所进一步代谢来循环营养流。2004 年，J?bgen 等报道了利用人工附着基构建附着生物群落、去除富营养水体营养盐的技术研究。他们发现利用聚丙烯材料作为人工附着基，附着生物发展迅速，附着生物叶绿素可达100mg/m²，随着人工附着基从水体的移出，大量的氮、磷等营养盐被带出水体，从而削减了水体营养盐含量。类似的研究在国内刚刚起步。

因此，利用人工介质降低水体悬浮物、改善透明度，净化水质，为沉水植被恢复创造环境是富营养化水体生态修复的重要技术环节。

发明内容

本发明提供一种利用生物膜网片改善富营养水体水质的模拟方法，所述的模拟方法包括水环境准备、网片布设、生态模拟和数据采集。

进一步的，所述的模拟方法具体为：

（1）水环境的准备： 取规格一致的蓝色聚乙烯塑料桶，桶高56cm，上、下底直径分别为50、38cm，桶内铺设4cm厚的细沙；所述的桶内装满东太湖水，所述的东太湖水经过300目滤网过滤，模拟期间水温变化范围30-36℃；

（2）网片布设：在实验桶中布设规格为20cm*40cm、材料为聚乙烯的网片，所述网片的网孔直径为1-2.5mm；

（3）生态模拟和数据采集：模拟时间为期一个月，期间每天桶中添加氮、磷营养盐，氮盐为硝酸钾，磷盐为磷酸二氢钾，添加量为太湖外源营养盐负荷（磷为5μg·L^-1·d^-1，氮为130 μg·L^-1·d^-1）的1.5倍；每天用软毛刷轻刷桶壁，去除桶壁上的附着生物；整个实验期间每隔7天采一次样，共采集水样与附着生物样品4次；每次采样结束后及时补充水位至加满实验桶，以保证水量不变。

进一步的，步骤（1）中所述的细沙平均粒径为0.25-0.35 mm，并用经过300目滤网过滤后的湖水洗净。

进一步的，所述步骤（1）中的实验桶放置在水深50cm的室外水泥池中。

进一步的，所述步骤（2）中还包括：为了采集附着生物样品，布设3cm×40cm的聚乙烯的网条，用铁丝固定，等距垂直悬挂在实验桶中，与网片等距间隔放置，互不遮挡光线。

进一步的，所述的网片数分别设置为高密度组（6片/桶）、低密度组（2片/桶）以及对照组（0片/桶）。

本发明实现了对生物膜网片对富营养水体净化的精确模拟，获得了一种利用生物膜片的选择和布设达到修复富营养化水体的方法，本方法具有安全、成本低等特点。

附图说明

图1附着基布设示意图。

图2 附着生物生物量及增长率(平均值±标准误)。

图3 附着生物生物量增长率(平均值±标准误)。

图4水体叶绿素a浓度的变化 (平均值±标准误)。

图5水体中TDN变化(平均值±标准误)。

图6 水体中NH₄ ⁺-N的变化(平均值±标准误)。

图7 水体中TDP浓度的变化(平均值±标准误)。

图8水体中PO₄ ^3--P浓度的变化(平均值±标准误)。

具体实施方式

实施例1 生物膜网片改善水体的模拟方法

实验于2013年7月21日-8月21日在东太湖实验基地进行。具体包括如下步骤：

（1）水环境的准备：4个规格一致的蓝色聚乙烯塑料（桶高56cm，上、下底直径分别为50、38cm），桶内铺设4cm厚用经过300目滤网过滤后的湖水洗净的细沙（平均粒径为0.25-0.35 mm，从市场上购买），将东太湖湖水经过300目滤网过滤后能装满每一个实验桶，然后将桶放置在水深50cm的室外水泥池中，以保持模拟期间水温的变化范围为30~36℃；

（2）附着基的布设：在上述桶中布设规格为20cm*40cm、材料为聚乙烯的网片，网片数为高密度网片组（6片/桶），为了每隔7天采集附着生物，并再布设3cm×40cm聚乙烯网条，用铁丝固定，等距垂直悬挂在实验桶中，与网片等距间隔放置，互不遮挡光线（图1）；

（3）生态模拟和数据采集：模拟时间为期一个月，期间每天桶中添加氮、磷营养盐，氮盐为硝酸钾，磷盐为磷酸二氢钾，添加量为太湖外源营养盐负荷（磷为5μg·L^-1·d^-1，氮为130 μg·L^-1·d^-1）的1.5倍。每天用软毛刷轻刷桶壁，去除桶壁上的附着生物。整个实验期间共采集水样与附着生物样品4次。每次采样结束后及时补充水位至加满实验桶，以保证水量不变。

实施例2 生物膜网片改善水体的模拟方法

本实施例具体步骤如实施例1，其中网片为低密度网片组（2片/桶），其他和实施例1相同。

结果显示模拟期间两组处理中网片上附着生物的生物量出现大幅度增加（图2和图3），实验结束时高密度网片组附着生物的生物量（（3.93±0.38）g）高于低密度网片组（（1.93±0.59）g）（p<0.05）。附着生物生物量的增长率在实验的第一周缓慢增加，第二周迅速增加，之后增长率逐步下降（图2），其中，低密度网片组的增长率变化较大，最高为（0.99±0.0）g·cm^-2·d^-1，高密度网片组相对较缓慢，增长率最高为（0.53±0.10）g·cm^-2·d^-1。

结果显示模拟期间各处理组水体中叶绿素a浓度均逐步升高（图4），实验结束时对照组、低密度网片组与高密度网片组的叶绿素a浓度分别为（66.32±5.06）μg·L^-1、（56.49±3.91）μg·L^-1与（32.67±2.98）μg·L^-1。统计分析表明，对照组与低密度网片组水体中的叶绿素a含量没有显著差异，而高密度网片组水体中的叶绿素a含量明显低于对照组与低密度网片组（P<0.05），高密度网片组对浮游植物的抑制率达到40%。可见，通过布设网片可以抑制水体中浮游植物的生长。

结果显示模拟期间水体中TDN和NH₄ ⁺-N浓度的变化趋势见图5和图6。随着实验时间的延长，各处理组水体中TDN浓度呈增加趋势，而且对照组与网片组的差距越来越大，有网片组水体中TDN浓度明显低于对照组（P<0.05）。实验结束时，对照组、低密度网片组与高密度网片组水体中TDN浓度分别为（0.88±0.03）mg·L^-1、（0.56±0.03）mg·L^-1与（0.55±0.02）mg·L^-1 ，有网片组水体TDN浓度比对照组低约30%。各处理组水体中NH₄ ⁺-N浓度的变化规律较一致，除了在第7天浓度比较高外，其他时间比较稳定，第四周略有下降。实验结束时，对照组、低密度网片组与高密度网片组水体中NH₄ ⁺-N 浓度分别为（0.15±0.01）mg·L^-1、（0.117±0.01）mg·L^-1与（0.093±0.001）mg·L^-1，高密度网片组和低密度网片组水体中NH₄ ⁺-N 浓度明显低于对照组（P<0.05）。可见，通过布设网片可以降低水体氮浓度。

结果显示模拟期间各处理组水体中磷浓度的变化趋势见图7和图8。各处理组水体中TDP的浓度在第一周迅速下降，第二、三周缓慢下降，第四周逐步上升,实验结束时对照组、低密度网片组与高密度网片组水体中TDP浓度分别为（77.59±3.30）μg·L^-1、（75.39±2.26）μg·L^-1与（68.27±2.30）μg·L^-1，各处理间没有显著差异。与TDP浓度的变化不同，各处理组水体中PO₄ ^3--P浓度在第一周迅速下降，之后维持在一定营养盐水平，实验结束时对照组、低密度网片组与高密度网片组水体中PO₄ ^3--P的浓度分别为（28.32±1.85）μg·L^-1、（29.22±2.5）μg·L^-1 与（28.45±3.46）μg·L^-1 ，各处理间差异不显著。

由本发明的模拟方法可得，高密度网片对水质的净化效果明显，如对浮游植物的抑制率达到40%，对氮的去除率达到30%，但对磷的去除效果不明显。高密度网片组换算成单位水面面积的网片则为：每平方米水面布设网片2.5平方米。因此，本专利要求聚乙烯网片的布设面积为每平方米水面布设网片2.5平方米以上。考虑到成本因素以及净化效果，本专利要求聚乙烯网片的布设密度最大为每平方米水面布设网片5.0平方米。

实施例3 湖泊富营养水体修复中的应用

在无锡长广溪的河道生态修复示范工程中，示范工程面积2000平方米，2014年5月开始施工，6月份布设聚乙烯生物膜网片，其中生物膜网片的布设方式的为：布设密度为每平方米水面布设网片2.5-5.0平方米，布设时将网剪裁为宽50cm的网片，垂直放入水体中，布设在水面下0-50cm；8月份工程完成后，水体透明度从原来的30厘米改善到60厘米以上，水体清澈，水质良好。

Claims (6)

1.一种利用生物膜网片改善富营养水体水质的模拟方法，其特征在于，所述的模拟方法包括水环境准备、网片布设、生态模拟和数据采集。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述的模拟方法具体为：

（1）水环境的准备： 取规格一致的蓝色聚乙烯塑料桶，桶高56cm，上下底直径分别为50、38cm，桶内铺设4cm厚的细沙；所述的桶内装满东太湖水，所述的东太湖水经过300目滤网过滤，模拟期间水温变化范围30-36℃；

（2）网片布设：在桶中布设规格为20cm*40cm、材料为聚乙烯的网片，所述网片的网孔直径为1-2.5mm；

（3）生态模拟和数据采集：模拟时间为期一个月，期间每天桶中添加氮、磷营养盐，氮盐为硝酸钾，磷盐为磷酸二氢钾，添加量为太湖外源营养盐负荷（磷为5μg·L^-1·d^-1，氮为130 μg·L^-1·d^-1）的1.5倍；每天用软毛刷轻涮桶壁，去除桶壁上的附着生物；整个实验期间每隔7天采一次样，共采集水样与附着生物样品4次；每次采样结束后及时补充水位至加满实验桶，以保证水量不变。

3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，步骤（1）中所述的细沙平均粒径为0.25-0.35 mm，并用经过300目滤网过滤后的湖水洗净。

4.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤（1）中的桶放置在水深50cm的室外水泥池中。

5.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤（2）中还包括布设3cm×40cm的聚乙烯网条，用铁丝固定，等距垂直悬挂在实验桶中，与网片等距间隔放置，互不遮挡光线。

6.根据权利要去5所述的模拟方法，其特征在于，所述的网片数分别设置为高密度组（6片/桶）、低密度组（2片/桶）以及对照组（0片/桶）。