（环境工程专业论文）广州市城区富营养化池塘水质变化规律及生物修复技术研究.pdf

l 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：建罕 日期：2 眇嘭年上月药日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南 理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在3 年解密后适用本授权书。 町不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单 位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 本人签名：兰耋笙 日期： 导师签名：上酝幺t 牡 日期： 6 。迭。 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 - 1 水体富营养化的研究1 1 1 1 富营养化的成因1 1 1 2 富营养化的研究3 1 1 3 富营养化的危害4 1 2 水体富营养化的治理技术5 1 2 1 营养盐控制5 1 2 2 生物修复5 1 2 3 生态工程与生态恢复8 1 - 3 城区景观水体面临的环境问题及处理技术8 1 4 本研究课题的来源和意义9 1 4 1 “风水塘 的特殊意义及面临的主要问题9 1 4 2 研究课题来源1 0 1 4 3 研究意义1 0 第二章材料和方法。1 1 2 1 实验材料、试剂和主要仪器1 1 2 1 1 实验材料1 1 2 1 2 试剂1 2 2 1 3 主要仪器1 2 2 2 实验方法1 2 2 2 1 样点布设12 2 2 2 水样采集与分析13 2 2 3 现场围隔实验15 2 2 4 实验室静态实验。17 第三章水质变化规律研究18 3 1 研究区域环境概况18 3 2 水质变化规律研究18 3 2 1 理化指标研究18 3 2 2 生物指标研究2 6 3 2 3 底质指标研究。2 9 3 3 水质评价2 9 华南理工大学硕士学位论文 3 3 1 单项指标评价 3 3 2 综合指标评价 3 3 3 富营养化状态评价。3l 3 4 水体富营养化主因子分析3 3 3 4 1 统计分析方法3 3 3 4 2 主因子分析及模型验证3 3 3 5 讨论3 6 3 5 1 藻类水华发生和总体特征分析3 6 3 5 2 溶氧过饱和及缺氧分析3 6 3 5 3 水下照度特征分析4 2 3 6 本章小结4 3 第四章水体生物修复技术研究4 4 4 1 技术方案4 4 4 2 多种生物修复技术研究4 5 4 2 1 实验设计4 5 4 2 2 结果分析4 5 4 2 3 讨论5 0 4 3 沉水植物实验室净化水质研究5 0 4 3 1 实验设计5 0 4 3 2 结果分析5 1 4 3 3 讨论。5 3 4 4 鱼类生物操纵机理研究5 4 4 4 1 实验设计5 4 4 4 2 结果分析5 4 4 4 3 讨论5 8 4 5 本章小结5 9 结论与展望。6 0 结论6 0 展望6 1 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表论文6 8 致谢6 9 摘要 摘要 普遍受到不同程度的污染，有的甚至呈现富营 养化。从2 0 0 4 年开始，本课题选取广州市黄埔区有代表性的两口池塘( 取名w 和e 塘) 。在近两年的时间里，较系统地研究了池塘水质的变化规律和污染特征； 同时，通过对w 塘水体的生物修复试验，证明了应用生物修复技术治理池塘的效 果。 本文主要研究成果包括： 1 水质调查、研究表明，w 、e 两口池塘冬、春季节的污染重于夏、秋季节， 且多项水质指标都超过了地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) v 类水质标准， 均为劣v 类水质；综合指标评价结果表明，w 塘水体为重污染型、e 塘水体为污 染型；富营养状态评价表明，w 、e 两口池塘都为重富营养化，富营养化指数分别 为7 9 6 和7 2 1 。 2 水体富营养化主因子分析表明，w 塘第一主成分为透明度、总磷、水温和 总氮；第二主成分为溶氧、叶绿素a 和氨氮；e 塘第一主成分为叶绿素a 、水温、 透明度和溶氧；第二主成分为总氮、氨氮和总磷。模型验证表明，w 塘为营养盐 磷限制型，e 塘为季节性限制型。 3 经过生物修复技术的围隔实验证明，鲢鱼和奥尼罗非鱼可以有效控制蓝藻 水华的爆发。鱼类围隔实验后藻类的优势种由蓝藻变为硅藻、褐藻和绿藻。鲢鱼 和罗非鱼围隔水体的透明度分别较池塘水体的透明度提高3 2 9 3 7 6 和 1 1 一1 8 2 。鲢鱼、罗非鱼围隔较池塘水体的s s 分别下降2 9 7 和1 8 6 ；叶绿 素a 分别下降2 6 6 和1 5 9 。氮磷的去除效果不显著。 4 沉水植物静态实验表明，金鱼藻对研究水体的水质有净化效果最好，对氮、 磷去除率分别达到了3 0 9 和3 8 ；黑藻，对氮、磷的去除率分别为o 8 和6 7 。 5 对w 塘水体中悬浮颗粒物粒度分析表明，池塘水体、鲢鱼和罗非鱼围隔水 体中 1 0 0 i l1 1 1 的颗粒物，5 0 1 0 0um 的颗粒物最少，仅占2 9 6 5 9 3 。 关键词：富营养化；池塘；生物修复；围隔实验 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eu r b a n i z a t i o nd e v e l o p m e n t , t h ep o n d si nc o m m u n i t yg e n e r a l l yh a v eb e e n p o l l u t e db yf a c t o r ya n dl i f ew a s t e ，e s p e c i a l l ys o m eo ft h e mb e c o m e se u t r o p h i c a t i o n t h i sp a p e r s e l e c t e dt w or e p r e s e n t a t i v ep o n d s ，w h i c hn a m e dp o n dwa n de ，w h i c hl i e si nt h en u a n g p u d i s t r i c to fg u a n g z h o uc i t yf r o m2 0 0 4t o2 0 0 6 ，a n ds t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h e i rw a t e rq u a l i t yr u l e a n dc o n t a m i n a t i v ec h a r a c t e r i s t i c a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rp r o v e dt h ee f f e c tt h r o u g hd o i n g d i f f e r e n te c o l o g yr e m e d i a t i o ne x p e r i m e n t si np o n dw ： t h e s t u d ym a i n l ya sf o l l o w i n g ： 1 i n v e s t i g a t i o na n ds t u d ya b o u tw a t e rq u a l i t yi n d i c a t e dt h a tw a t e rp o l l u t i o nd e g r e ei n w i n t e ra n ds p r i n gw a sw o r s et h a ni ns u m m e ra n da u t u m n , a n de x c e e d e ds t a n d a r dvo ft h e e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e ri np o n dwa n de i n t e g r a t e dw a t e rq u a l i t y i n d e xa s s e s s m e n ti n d i c a t e dp o n dw b e l o n g st oh y p e rp o l l u t i o n , p o n deb e l o n g st op o l l u t i o n a t l a s t , n u t r i e n ts t a t u sa s s e s s m e n ti n d i c a t e dt h a tt h e ya l lb e l o n g e dt oh y p e r 。e u t r o p h e rw a t e rb o d y , a n dt h e i rt s lw e r e7 9 6a n d7 2 1 ，r e s p e c t i v e l y 2 f a c t o ra n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h em a i nf a c t o r so fw p o n dw a st p , t n ，w ta n ds d ，t h e s e c o n dm a i nf a c t o r sw a sd o ，n h 3 - na n dc h l 一苟w h i l eep o n dw a sw t ，s da n dd o ，t h e nw a st n , t pa n dn h 3 - n m o d e li n d i c a t e dp o n dww a sp l i m i t e d ，w h i l ep o n de w a ss e a s o n a ll i m i t e d 3 t h er e s u l t so fm a n ye n c l o s u r ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a ts i l v e rc a r pa n dt i l a p i ac o u l d c o n t r o la l g a lb l o o m , d o m i n a n ts p e c i e sc h a n g e df r o mc y a n o p h y t at oe u g l e n o p h y t a 、c h l o r o p h y t a a n db a c i l l a r i o p h y t a , a n ds e e c h id i s cd e p t hc o u l db ei m p r o v e db y3 2 9 t o3 7 6 a n d11 t o 18 2 i nt h ee n c l o s u r e st h a np o n dw a t e rr e s p e c t i v e l y t h ec a p a c i t yo fs sc o u l d b ed e c r e a s e db y 2 9 7 a n d18 6 i nt h es i l v e rc a r pa n dt i l a p i ae n c l o s u r e st h a np o n dw a t e rr e s p e c t i v e l y , a n dt h e c a p a c i t yo f c h l - ac a n b ed e c r e a s e d2 6 6 a n d1 5 9 ，r e s p e c t i v e l y 4 t h er e s u l t si nt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ts h o w e dt h a tc e r a t o p h y l l u md e m e r s u ma n d h y d r i l l av e r t i c i l l a t ag r o w nq u i t ew e l l ，a n dt h e yh a v eb e t t e re f f e c t so nd e c r e a s i n gn i t r o g e n & p h o s p h o r u si nt h ee u t r o p h i c a t i o nw a t e r , t h ee f f e c to fc e r a t o p h y l l u md e m e r s u mi st h eb e s ta m o n g o f t h e m , t n & t pw e r er e d u c e db y3 0 9 a n d3 8 ，t h es e c o n di sh y d r i l l av e r t i c i l l a t at n & t p w e r er e d u c e db yo 8 a n d6 7 5 t h ea n a l y s i so fa q u a t i cp a r t i c u l a t eg r a i ns i z ei np o n dws h o w e dt h a tt h et 臣e q u e n c yo fo 10 0 1 x m , t h e i i a b s t r a c t l e a s tp a r t i c u l a t ei s5 0 秋季 冬季 春季。 w 塘相对水位最低值出现在1 月，最高值出现在4 月；e 塘相对水位最低值出现在 1 月，最高值出现在6 月。从监测结果看出，3 8 月雨量较多的季节，相对水位 呈正值，池塘蓄水多；1 0 月2 月雨水少的季节，相对水位呈负值，池塘蓄水少。 w 塘、e 塘月间最大水位差分别为2 6 6 c m 和2 9 o c m 。 2 2 5 o 5 0 5 0 5 o 一 1 q 吨 第三章水质变化规律研究 3 2 1 5 p h 值 水体p h 值指标的重要性不仅在于指示水体自身受污染的严重程度，而且水 体的p h 条件可改变污染物的降解反应和污染物的存在形态。图3 - 9 列出了采样点 上不同月份p h 平均值。 7 月8 月9 月1 0 月1 1 月3 月4 月5 月6 月7 月 月份 图3 - 9 两口池塘p h 值 f i g 3 9m o n t h l y m e a no fp hi np o n dwa n dp o n de e 塘p h 在6 8 0 8 5 2 之间，除4 月p h = 8 5 2 外，其余数据在6 8 0 7 9 2 之 间，平均p h = 7 3 3 ，p h 变幅不大；w 塘p h 在7 2 1 1 0 3 6 之间，最大值出现在1 0 月，均值p h = 8 3 8 。总的来说，有大面积荷花生长的e 塘水的p h 相对稳定；w 塘 由于大量藻类的生长提高了水体的p h 值，且变幅较大。 3 2 1 6 氧化还原点位 氧化还原电位( o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l ：o r p ) 为现场测定。其测 定仪器为去极化法氧化一还原电位仪，计算式te 。= e ；。+ e 州( 式中：e o 一水样的氧 化还原电位( m v ) ；e i , d 一测得的氧化还原电位( m v ) ；e ，。广测定温度下的饱和甘 汞电极的电极电位( m v ) ) 2 0 0 4 年秋冬季节( 9 月1 1 月) 测定的两个池塘的氧化还原电位，e 塘的氧 化还原电位高于w 塘，w 塘的平均电位值为4 2 1 6 m y ，e 塘为5 4 9 7 m y 。相比较w 塘，e 塘的氧化还原电位受天气波动的影响更大些。 3 2 1 7 总磷 如图3 1 0 所示，两个池塘呈现了几乎相同的变化趋势。水体富营养化判断标 准是总氮0 2 m g l ，总磷为0 0 2 m g l 。从监测结果看，w 塘总磷含量范围为0 2 2 0 一- - 1 7 6 3 m g l ，超过富营养化标准的1 l 8 8 倍，全年检测均高于0 2 m g l ( v 类水 2 3 l 0 9 8 7 6 1 1 掣| a 华南理工大学硕士学位论文 体总p 值) ，总磷负荷极其严重；e 塘总磷含量范围为0 2 7 2 1 4 3 6 m g l ，超过富 营养化标准的1 3 6 , - - 7 1 8 倍，全年检测均高于0 2 m g l ( v 类水体总p 值) ，总 磷负荷严重。1 2 - 1 月，降雨减少、气温降低、挺水植物枯萎死亡、藻类水华爆发， 总磷的浓度显著升高；2 0 0 5 年6 月份，广州连降暴雨，稀释了水体中的污染物质， 总磷浓度最低。 j 吕 v 趟 蠖 山 b 1 0 o 8 0 6 0 4 o 2 0 o 7 月8 b9 月1 0 月1 i n1 2 月1 月2 月3 月4 月5 月 月份 图3 1 0 两口池塘总磷浓度月均值 f i g 3 - 10m o n t h l ym e a no ft o t a lp h o s p h o r u si np o n dwa n dp o n de 总的来看，w 塘的总磷浓度要高于e 塘，夏秋季节水体的总磷浓度低于冬春 季节。由于挺水植物荷花的生长，e 塘总磷的变化相对平稳一些，除1 2 月外，多 数月份在0 3 0 8 m g l 的范围内变化。两个池塘的总磷浓度均高于地表水v 类水 质标准( t p 值为0 2 m g l ) ，为劣v 水质，超标严重。 3 2 1 8 总氮 从监测结果看( 图3 11 ) ，w 塘总氮含量范围为1 9 5 3 1 2 6 3 8 m g l ，超过富 营养化标准的9 8 6 3 倍。全年检测除8 月1 9 5 3 m g l 外，均高于2 m g l ( v 类水 体总n 值) ，总氮负荷极其严重；e 塘总氮含量范围为2 1 5 9 1 1 9 4 7 m g l ，超过 富营养化标准的1 0 8 - 5 9 7 倍。全年检测除均高于2 m g l ( v 类水体总n 值) ，总 氮负荷严重。两个池塘总氮的变化趋势与所不同，除1 2 月外，w 塘总氮含量相对 稳定在4 8 4 7 6 3 7 7 m g l 范围内；e 塘波动略显剧烈，总氮含量在 2 1 5 9 5 3 5 9 m g l 范围内；造成上述原因，主要是e 塘的大型水生植物荷花在夏 季生长茂盛，吸收大量的营养物质，在冬春季节枯萎后腐败，向水体中提供了营 养物质，所以变化波动较大：w 塘没有大面积的水生植物生长，相对影响较小。 2 4 第三章水质变化规律研究 7 n 8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月1 月2 月 3 月4 月5 月 月份 图3 - 1 1 两口池塘总氮浓度月均值 f i g 3 - 1 1m o n t h l ym e a no f t o t a ln i t r o g e ni np o n dwa n dp o n de 3 2 1 9 氨氮 从图3 - 1 2 看，w 塘氨氮含量范围为1 0 2 1 - 7 9 6 5 m g l ，全年检测除6 月、9 月1 1 月低于2 m g l 外，其它月均高于2 m g l ( v 类水体氨氮值) ；e 塘总氮含量 范围为0 5 1 3 8 4 2 5 m g l ，全年检测除7 月、9 月1 1 月外均高于2 m g l ( v 类水 体氨氮值) 。e 塘的氨氮污染较w 塘严重。分析原因是植物在生长发育过程中，易 吸收硝氮和亚硝氮，致使水体中的氨氮较高。 7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月1 月2 月3 月4 月5 月6 月 月份 图3 - 1 2 两口池塘氨氮浓度月均值 f i g 3 - 1 2m o n t h l ym e a no f a m m o n i an i t r o g e ni np o n dwa n dp o n de 3 1 9 7 5 3 1 1m)憾矮豚硇 9 8 7 6 5 4 3 2 l o 一13憾蛏鞲搋 华南理工大学硕士学位论文 3 2 1 1 0 化学需氧量和生化需氧量 我们选择多雨的季节对生化需氧量进行测定( 2 0 0 4 年7 8 月，2 0 0 5 年1 月、 3 6 月) 。其中，1 月份两口池塘的c o d c r 值最高，分别为2 9 1 6 6 m g l 、1 7 3 6 1 m g l ， 主要原因是1 月2 月为少雨、低温的季节，水体中的有机物负荷增加，氧化还原 的速率降低，所以导致高的c o d c r 值；随着春季的结束和夏季的来临，水交换能 力和氧化还原作用增强，c o d c r 值降低。e 塘c o d c r 值范围为3 2 0 7 1 7 3 6 1 m g l ， 除3 月末为v 类外( c o d c r 4 0 m g l ) ，其他均为劣v 类；w 塘c o d c r 值范围为 4 0 0 8 2 9 1 6 6 m g l ，全部到达劣v 类水质标准的c o d c r 值。 e 塘、w 塘水体的b o d 。均值分别达2 2 9 9 m g l 、5 0 4 4 m g l ，有机污染w 塘较 e 塘严重。 3 2 1 12 总悬浮颗粒物 不同月两口池塘的s s 值如图3 - 1 3 ，e 塘、w 塘s s 平均值分别为7 2 8 m g l 和1 0 7 9 m g l 。两池塘最大值均出现在4 月中旬，分别为2 4 0 m g l 和1 8 2 m g l ，分 析原因主要为雨季的雨水和地表径流挟带大量的尘土注入池塘所致。 3 0 0 j 管2 5 0 摆2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 7 , 月1 8 日8 月2 3 日3 月2 9 日 4 月2 3 日 7 月2 9 日9 月6 日 _ _ o _ _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 0 0 4 年时间 2 0 0 5 年 图3 1 3 两口池塘总悬浮颗粒物浓度平均值 f i g 3 1 3m e a nv a l u e so fs si np o n dw a n dp o n de 3 2 2 生物指标研究 3 2 2 1 浮游藻类群落种类组成 w 塘和e 塘共鉴别出浮游藻类1 0 2 种6 5 属7 科，其中绿藻门、蓝藻门和硅藻 门分别占6 3 7 、8 8 、11 8 ( 表3 - 1 ) ，四季监测来看，蓝、绿藻为优势种。 2 6 第三章水质变化规律研究 表3 - 1 藻类种类组成 藻类 we 藻类we 蓝藻一平裂藻属m e r i s m o p e d i a 4 - 微芒藻属m i c r a c t i n i u m 4 - 微囊藻属m i c r o c y s t i s +4- 镰形纤维藻a n k i s t r o d e s m u sf a l c a t u s 4-4- 颤藻属一小颤藻o s c i l l a t o r i at e n u i s + 针形纤维藻a a c i c u l a r i s 似b 力k o r s c h 4-4- 念珠藻属n o s t o c + 狭形纤维藻a a n g u s t u s 4 -+ 水生集胞藻s y n e c h o c y s t i sa q u e t i l i s + 螺旋纤维藻a s p p a l i s 4 - 煤黑厚皮藻p l e u r o c a p s af u l i g i n o s a + 细丝藻u l o t h r i xt e n e n ，f m a - i -+ 湖泊鞘丝藻l y n g b y al i m n e t i c 4 - 二角盘星藻p e d i a s t r u m d u p l e xd u p l e x 4-4- 钝顶螺旋藻s p i m l i n ap l a t e n s i s + 二角盘星藻变种pd u p l e xv a t g r a c i l l i m u m 为首螺旋藻s p r i n c e s + 双射盘星藻户b i r a d i a t u mm e y e n +4- 硅藻一直链藻属m e o s i m 4-4- 四足十字藻c r u c i g e n i at e t r a p e d i a 4 - 星形冠盘藻s t e p h a n o d i s u sa s t r a e a 4-4- 十字藻c m c i g e n i aa p i c u l a t a - i - 梅尼小环藻c y c l o t e l l am e n e g h i n i a n a +4- 华美十字藻c 1 a u t e r b o m i e i 4 - 短线脆杆藻f r a g i l a r i ab r e v i s t r i a t a 4 -+ 四角角星鼓藻s t a u r a s t r u mt e t r a c e r u m 4 - 近缘针杆藻s y n e d r aa f f i n i s 4-4- 波吉卵囊藻p r a s i n o p h y c e a et e t r a s e l m i s 4-4- 羽纹藻属p i n n u l a r i a + 双对栅藻s c e n e d e s m u sb g u g a 4 - 尖形舟形藻n a v i c u l ac u s p i d a t e + 弯曲栅藻s a r c u a t u s 4 - 针杆藻属s y n e d r a 4 - 巴西栅藻s b r a s i l i e n s i s 4 - 菱形藻属n i t z s c h i a +4- 二形栅藻s d i m o r p h u s 4 - + 普通肋缝藻f r u s t u l i av u l g a r i s 4 - 爪哇栅藻s j a v a e n s i s 4 - 微细异极藻g o m p h o n e m ap a r v u l u m 4 - 形栅藻s d i m o r p h u s 4-4- 菱形肋缝藻fr h o m b o i d s 斜生栅藻s o b i l i a u u s 4 - 绿藻一疏刺多芒藻g o l e n k i n i a 4 - 尖细栅藻s a c u m m a m s 4-4- p a u c i s p i n a 微芒藻m i c r a c t i n i u mp u s i l l u m 4 - 齿牙栅藻s d e n t i c u l a t u s + 微茫藻