景观水体下太阳能生态修复探究

第一章 研究目的、内容与意义

1.1研究目的
该课题主要通过减少水体中浮游植物密度，增加水中溶解氧，减少水体的腥臭味，控制水体中的 COD、TN、TP 等污染物含量，从而提高水体的透明度，保持水体清澈洁净。该课题利用太阳能水体修复技术，通过太阳能电池板将光能转化为电能来带动电机搅动水体，使景观水体在小范围内循环，同时采用紫外灯发射紫外线照射水体，抑制藻类生长为主要研究目的。

1.2研究内容
以深圳某人工湖为研究对象，对水体进行连续监测，对数据进行分析，湖水是否处于富营养化状态，为了确定人工湖的污染是内源污染还是外源污染，取湖水的底泥模拟底泥磷释放实验，并对底泥微生物的优势种群进行提取并分析。结合人工湖的实际情况，考虑到对环境的影响以及人工湖的美观效果，设计了治理湖水的太阳能生态修复装置，本研究拟采用了国际领先的 UVC 抑藻技术，同时结合了先进的太阳能水动力循环曝气技术。装置运行后，监测水质，分析装置的效果以及影响范围。

1.3研究意义
在当前城市生态化建设成为主流的背景下，城市景观水作为城市生态系统的重要组成部分，无疑在城市生态化建设中发挥着主力军作用，城市景观水体生态修复对于城市系统的和谐运作、城市的可持续发展和满足人们的生活需求都具有重要意义。该课题开展除藻的技术方法研究，解决景观水体富营养化，提高水体的景观效果，提高城市水环境质量，形成健康的水生态系统，从而为景观水体的水质改善和生态系统恢复提供技术支持。

第二章 实验方法和试验材料

2.1实验方法
近年来，随着现代分子生物技术的发展，关于微生物群落结构的研究已经成为国内外环境领域研究的热点，利用聚合酶链式反应-温度梯度凝胶电泳（PCR-TGGE）对不同环境中微生物的遗传多样性结构进行观察，对其中的主要优势菌群进行克隆测序并将测序结果在GenBank中进行比对和鉴定；揭示湖水中的生物群落结构以及优势菌群。于 2010 年 12 月在下游湖区采集了 4 个点的底泥，这 4 个点的位置分别为A(40,-15,-1.2)、B(9,8,-2.0)、C(9,36,-1.0)、D(32,12,-1.0)，采集的底泥于 4°冰箱储存。取1mL底泥于2mL灭菌离心管内，-4℃、9000×g下离心10min；弃去上清液，重新加入2mL灭菌蒸馏水并震荡混匀，离心10min；弃去上清液后，将所得的底泥沉淀用于基因组DNA的提取。底泥 DNA 提取方法采用柱式小量细菌基因组 DNA 抽提试剂盒提取 DNA，可以得到较完整且纯度较高的基因组 DNA，片段约为 200kb。提取产物在 1.0％的琼脂糖进行凝胶电泳检测，在 140V 电压下电泳 30min。基因组 DNA 的 PCR 扩增将提取到的基因组DNA作为模板进行PCR扩增。采用338-GC(引物3.3)和534(引物5.9)，pMD 19-T Vector为连接载体。PCR反应采用100μL的反应体系，其组分为：4μL模板，10μLEx Taq Buffer，8μL dNTP，3μL每种引物，1μL的Ex Taq，1μL BSA，无菌超纯水补足至100μL。将PCR扩增后的产物在1.0％的琼脂糖凝胶进行电泳检测。PCR 产物的 TGGE 分析采用 TGGE 系统对 PCR 产物进行温度梯度凝胶电泳分离，凝胶浓度为 8%，温度梯度为 25℃~60℃。等胶完全凝固后，将胶板放入电泳缓冲液的装置中，每个加样孔加入 4μL的 PCR 样品，进行电泳。电泳完毕后，将凝胶进行 AgNO3染色，并将图像拍下来。

2.2太阳能水体修复装置
总体设计思路该景观湖水修复技术的研究主要集中在抑藻技术和水动力循环技术两个方面。先进的抑藻技术可以在水质富营养化的情况下控制藻类的大量繁殖，防止水华的爆发；水动力循环技术可以在此基础上提高水体的活力，进一步强化修复效果。该设备以太阳能电池板为主体材料，中心下方装有直流曝气泵和紫外抑藻模块，太阳能电池板下面装泡沫式浮板，使整个设备漂浮于水面。设备的原理是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，带动直流曝气泵将水流于莲花中心鼓出水面，再沿太阳能电池板流回水体中，实现对水体的曝气复氧，同时，部分能量供应给紫外抑藻模块的紫外灯，实现太阳莲花的紫外抑藻功能。通过曝气复氧和紫外抑藻的复合作用，抑制水体富营养化，使水体恢复健康清澈。

第三章 水质与底泥研究............................................................................ 24
3.1 研究水域状况 .................................................................................. 24
3.2 湖泊水质监测 ............................................................................................ 24
3.2.1 监测布点与频率................................................................................ 24
3.2.2 结果与分析 .................................................................................... 25
3.3 泥底磷释放模拟实验结果与讨论 ........................................................... 30
3.4 底泥生物群落结果与讨论分析 ................................................................ 32
3.5 本章小结.............................................................................................. 35
第四章 太阳能水体修复装置研究....................................................................... 36
4.1 紫外抑藻模拟研究 ..................................................................................... 36
4.1.1 紫外抑藻装置....................................................................................... 36
4.1.2 紫外抑藻结果分析............................................................................... 36
4.2 现场中试............................................................................................... 39
4.2.1 水质监测布点和监测时间 ........................................................... 39
4.2.2 中试结果分析.............................................................................. 40

结论

本文对深圳某人工湖的湖水水质进行长期监测，并对底泥磷释放和底泥中的微生物群落进行了分析，通过水质分析和比较对该水体的富营养化程度和趋势进行了探讨。设计并制备了集推流曝气、紫外抑藻于一体的低碳生态修复太阳能装置。通过对紫外抑藻的条件进行实验室研究，确定紫外抑藻的效果，指导太阳能装置的实际运行，并对装置运行后的湖水水质进行了监测。主要得到以下结果：对湖水水质进行了长期监测，水质监测结果TP浓度为0.047mg/L，TN 为0.632mg/L，为中营养化水平，而叶绿素的含量为 30.1μg/L，为富营养化水平，人工湖已处于中富营养化状态，并有恶化的趋势。通过室内实验模拟法对采自人工湖不同位置的底泥中的磷在各种环境因子影响下的释放规律进行了研究。温度和 pH 的升高以及厌氧条件会促进底泥中磷的释放，溶解氧较高时底泥对水中的磷有吸收作用。扰动会促进底泥的磷释放，但属于短期效应。