CN104897866A - 一种利用生物膜网片对重富营养水体净化的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用生物膜网片对重富营养水体净化的模拟方法，该模拟方法包括水体准备、网片布设、生态模拟和数据采集。其中网片的布设为将网片卷曲成螺旋式螺旋，螺旋面之间互不挡光，布设于每个桶中，其下部插入沉积物中2-3cm，保证网片固定在沉积物中；网片的规格为40*600cm，孔径大小为2.5mm；网片选用聚乙烯网片或尼龙网或玻璃纤维网。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，获得了利用生物膜网片对富营养水体净化的方法，本方法具有安全、成本低等特点。

Description

一种利用生物膜网片对重富营养水体净化的模拟方法

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对重富营养水体净化的模拟方法。

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，Jöbgen 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。

附着基的材质对附着藻类的生长以及水质净化效果有极大影响。选择附着基时，应优先选择对藻类无毒害作用、吸附能力强、稳定性好、吸附负载大的载体。附着基材料应具备操作简单、成本低廉、可以反复使用等特点。污水处理中常用的附着基材料主要是软性填料、半软性填料以及波纹板等，如纤维素薄膜和高分子聚合物泡沫等。在自然水体中，国内常用的附着基材料为网片，如聚乙烯网、尼龙网以及玻璃纤维网等，选择水质净化能力强、强耐用性、价格低廉的网片材料并采用适当的布设方法乃当务之急。

发明内容

本发明目的是提供一种利用生物膜网片对重富营养水体的净化模拟方法，所述的模拟方法包括水体准备、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）水体的准备：备上、下底直径分别为80、90 cm，高70 cm的白色聚乙烯塑料桶4只，桶内装入沉积物，厚度为5cm；所述的沉积物来自太湖；取太湖湖水加满每一个塑料桶，所述的太湖水取经过60目不锈钢圆形筛网过滤；

（2）生物膜网片的布设：将网片卷曲成螺旋式螺旋，螺旋面之间互不挡光，布设于每个桶中，所述的网片下部插入沉积物中2-3 cm，保证网片固定在沉积物中；

（3）生态模拟和数据采集：实验共25天，实验期间每天向桶内添加营养盐，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）的两倍；每次采样后用软毛刷轻刷桶壁，去除桶壁上的附着生物。实验期间桶内水温变化范围为29-31℃。

进一步的，所述的步骤（2）还包括：布设6条与网片具有同样材质的网条，用铁丝固定，使其保持垂直状态；所述的网条与网片间隔放置，互不挡光，以采集附着生物。

进一步的，所述的网片的规格为40*600 cm，孔径大小为2.5 mm；所述的网条的规格是3*40 cm。

进一步的，所述步骤（2）中的网片为具有平面结构、孔径为菱形的聚乙烯网片。

进一步的，所述步骤（2）中的网片为具有编织结构，孔径为正方形的尼龙网。

进一步的，所述的步骤（2）中的网片为玻璃纤维网片。

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生物膜网片的布设示意图。

图2 附着生物生物量(平均值±标准误)。

图3 附着生物生物量的增长率(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TN的变化(平均值±标准误)。

图6水体中TP的变化(平均值±标准误)。

具体实施方式

实施例1本发明生物膜网片（聚乙烯网组）对重富营养水体的净化模拟方法

本发明的生物膜网片对重富营养水体的净化模拟方法，具体包括如下步骤：

（1）水体的准备：备上、下底直径分别为80、90 cm，高70 cm的白色聚乙烯塑料桶4只，桶内沉积物来自太湖，厚度为5cm，取经过60目不锈钢圆形筛网过滤的太湖湖水，加满每一个实验桶；

（2）网片的布设：采用孔径为菱形，具有平面结构的聚乙烯网，将40*600 cm的聚乙烯网片（孔径大小为2.5 mm）卷曲成螺旋式螺旋，螺旋面之间互不挡光，每个桶中布设，其下部插入沉积物中2-3 cm，保证网片固定在沉积物中。同时布设6条3*40 cm具有平面结构、孔径为菱形的聚乙烯网条，用铁丝固定，使其保持垂直状态。网条与网片间隔放置，互不挡光，以采集附着生物（见图1）；

（3）生态模拟和数据采集：模拟实验共25天，期间每天向桶内添加营养盐，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）的两倍；每次采样后用软毛刷轻刷桶壁，去除桶壁上的附着生物。实验期间桶内水温变化范围为29-31℃。

同时设4组无网对照组。

实施2本发明生物膜网片（玻璃纤维网组）对重富营养水体的净化模拟方法

本发明的具体步骤同实施例1，其中网片为玻璃纤维网，其他同实施例1。

实施例3本发明生物膜网片（尼龙网组）对重富营养水体的净化模拟方法

本发明的具体步骤同实施例1，其中网片为有编织结构，孔径为正方形的尼龙网片，其他同实施例1。

模拟结果表明，不同附着基附着生物生长差异显著（p<0.01）（见图2和图3）。尼龙网附着生物的生物量显著高于玻璃纤维网和聚乙烯网（p<0.01），玻璃纤维网和聚乙烯网附着生物生物量没有显著差异（p>0.05）。同时，三种附着基附着生物到达峰值的时间、峰值的大小以及增长率具有显著差异。玻璃纤维网和聚乙烯网附着生物第20天到达峰值，生物量分别0.6472 mg/cm^-2、1.4172 mg/cm^-2，实验结束时，聚乙烯网附着生物生物量为0.8393 mg/cm^-2，但不能确定是否为峰值；玻璃纤维网附着生物增长率在第10天最高，为0.0714 mg/cm^-2.d^-1，尼龙网附着生物增长率在第 15天最高，为0.0942 mg/cm^-2.d^-1，聚乙烯网附着生物增长率在第20天最高，为0.0443 mg/cm^-2.d^-1。可见，不同材料和结构的附着基附着生物生长不同。

模拟结果表明附着基对水体中叶绿素a浓度有显著影响（p<0.01）（见图3）。实验结束时，玻璃纤维网组、尼龙网组和聚乙烯网组叶绿素a浓度分别为7.8120 µg/l、10.4904µg/l和 22.9896µg/l，较之于对照组叶绿素a浓度（118.5800 µg/l）分别下降93.41%、91.15%和80.61%，三种附着基之间无显著差异。由此可见，在水体中布设人工附着基可以降低水体叶绿素a的浓度。

模拟结果表明附着基显著降低了水体中TN的浓度（p<0.01）（见图4）。实验结束时，玻璃纤维网组、尼龙网组和聚乙烯网组水体中的TN浓度分别为3.8010 mg/l、3.7526 mg/l和3.2494 mg/l，显著低于对照组（4.7206 mg/l）（p<0.01），并且尼龙网组、聚乙烯网组水体中TN浓度明显低于玻璃纤维网组（p<0.05），而尼龙网组与聚乙烯网组差异并不显著。由此可见，不同材料的附着基对富营养水体中TN的去除效果不同。

模拟结果附着基显著降低了水体中TP的浓度（p<0.01）（见图5）。实验结束时，玻璃纤维网组、尼龙网组和聚乙烯网组水体中的TP浓度分别为0.0614 mg/l、0.0581 mg/l和0.0542mg/l，显著低于对照组（0.1628 mg/l）（p<0.01），并且聚乙烯网组水体中TP浓度明显低于尼龙网组和玻璃纤维网组（p<0.05），而尼龙网组与玻璃纤维网组差异并不显著。由此可见，不同材料和结构的附着基对富营养水体中TP的去除效果不同。

选择附着基需要从附着基改善水体水质的效果、附着基的稳定性及价格综合分析，从而遴选出合适的附着基。从改善水体水质效果来分析，三种附着基可以有效的抑制浮游植物的生长繁殖，三者之间没有明显差异，但聚乙烯网对营养盐的去除效果明显高于尼龙网和玻璃纤维网。从稳定性来分析，玻璃纤维网性脆，耐磨性较差；尼龙为编织结构，不牢固；聚乙烯冷固加工而成，形态牢固，性质稳定。从价格来分析，聚乙烯网价格更加经济，容易获取。所以聚乙烯网是一种比较理想、可以大规模实际应用的生物膜网片。

实施例4 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，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 (7)

1.一种利用生物膜网片对重富营养水体净化的模拟方法，其特征在于，所述的模拟方法包括水体准备、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）水体的准备：备上、下底直径分别为80、90 cm，高70 cm的白色聚乙烯塑料桶4只，桶内装入沉积物，厚度为5cm；所述的沉积物来自太湖；取太湖湖水加满每一个塑料桶，所述的太湖水取经过60目不锈钢圆形筛网过滤；

（2）生物膜网片的布设：将网片卷曲成螺旋式螺旋，螺旋面之间互不挡光，布设于每个桶中，所述的网片下部插入沉积物中2-3 cm，保证网片固定在沉积物中；

（3）生态模拟和数据采集：模拟实验共25天，实验期间每天向桶内添加营养盐，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）的两倍；每次采样后用软毛刷轻刷桶壁，去除桶壁上的附着生物；实验期间桶内水温变化范围为29-31℃。

3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述的步骤（2）还包括：布设6条与网片具有同样材质的网条，用铁丝固定，使其保持垂直状态；所述的网条与网片间隔放置，互不挡光，以采集附着生物。

4.根据权利要求3所述的模拟方法，其特征在于，网片的规格为40*600 cm，孔径大小为2.5 mm；所述的网条的规格是3*40 cm。

5.根据权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤（2）中的网片为具有平面结构、孔径为菱形的聚乙烯网片。

6.如权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤（2）中的网片为具有编织结构，孔径为正方形的尼龙网。

7.如权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述的步骤（2）中的网片为玻璃纤维网片。