专利名称：高新多功能模拟湖泊生态修复的装置和使用技术及应用技术
技术领域：
本发明属于生态工程技术领域，具体涉及一种多功能模拟湖泊生态修复的方法和 装置和使用方法及应用。
背景技术：
随着我国经济的快速发展与城乡建设的加快，沿河湖地区氮、磷、有机物等污染物 的排放逐年增加，湖泊及入湖河道水环境的污染问题日趋严重，主要表现为水面积锐减、湖 泊淤塞严重、湖泊及河道生态系统受损、湖泊富营养化加剧，其原因主要有沿湖地区工业 污水、生活污水、农业面源排放对湖泊水体的污染；湖泊围网养殖，破坏了湖泊水生态系统， 投放的饵料使湖泊的富营养化加速；环湖流域大气污染干湿沉降导致对湖泊水环境的影 响。水体富营养化是指湖泊等水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使藻类以及其他 水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化，从而使 湖泊生态系统和水功能受到阻碍和破坏的现象。湖泊富营养化已成为制约社会经济可持续 发展的限制因素之一。目前，湖泊水体的富营养化治理的研究的热点主要集中在对营养盐的控制技术 上，例如水生高等植物营养盐吸收修复、固定化微生物技术等。水生高等植物修复技术多采 用水生植物进行修复，包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物等(专利申请号03139848. 0，一种 富营养化水体的植物修复方法)，固定化微生物技术利用载体上富集的微生物去除水体污 染物(专利申请号200510038832. 3，高效氮循环细菌人工筛选及在水生态修复和水处理中 的应用)等。在水生高等植物修复技术中主要采用漂浮植物、挺水植物、及沉水植物等当地土 著物种，通过植物自身的生长代谢大量吸收氮、磷等水体中的营养物质、吸附悬浮颗粒物、 抑制藻类生长、富集重金属(专利申请号200410066162. 1，一种水生植物治理含铬废水的方 法)等。采用潜没式生态床技术(专利申请号200910034673. 8，一种净化富营养化水体的潜 没式生态悬床)可根据透明度及水质参数进行水深调整，利用沉水植物一水生微生物体系 联合作用在富营养化水体中去除水体营养盐。当今，湖泊科学家认为引发水体富营养化的限制因子主要是氮磷，湖泊生态修复 的主要目标之一就是控制湖泊营养盐水平，维持湖泊清水稳态。虽然许多学者已经对各种 湖泊生态修复进行了大量研究，但是目前的研究主要侧重于湖泊治理效果方面，对于生态 修复机理研究相对较少，如何优化组合不同生态修复手段才能使湖泊脱氮除磷能力最大 化，目前尚不明确。另一方面，能够模拟不同湖泊环境条件生态修复、对比不同湖泊生态修 复手段处理效果、探讨生态修复机理的方法和装置尚有待开发，阻碍了湖泊生态修复机理 的研究进展。目前对于湖泊生态修复模拟的方法和装置并不多见。有学者提出一种湿地微 生态模拟方法，旨在将野外采集的湿地底泥样品分别放置在PVC圆柱形容器内构成湿地柱，然后通过温控设备实现对模拟湿地生态系统进行温差范围控制和检测(专利申请号 200910098001. 3，一种湿地微生态模拟方法)；也有学者研发设备模拟湖泊沉积物-水土界 面环境，人为控制界面水动力扰动、界面光照、界面温度以及上覆水化学特性，研究水土界 面生化过程机理。(专利申请号200710133406. 7，一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究 的室内模拟系统)。虽然国内外学者已对湖泊水体富营养化生态修复模拟进行了一定的研究，并研发 了一系列技术，但是到目前为止，能够将原位湖泊沉积物、上覆水、沉水植物、氮循环菌等因 素整合到一个系统内进行研究的多功能生态修复模拟技术方法还未见报道。采用人工模拟 不同手段湖泊生态修复过程，进行包括沉积物、沉水植物、脱氮微生物、水温、光照及水质参 数等综合调控及优化，控制湖泊营养盐、研究湖泊生态修复机理的多功能模拟装置尚未有 开发。因此，研究此类技术和装置对富营养化湖泊水体治理具有积极意义。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是针对愈加严重的湖泊富营养化问题及现有装置难 以模拟不同湖泊生态修复手段，本发明提供一种模拟不同湖泊生态修复手段的方法和装 置，可以有效模拟不同湖泊生态修复手段，从而可以促进原位湖泊生态修复机理的研究。使 用该装置可以人工模拟不同湖泊生态修复环境，调控物理、化学、生物因素，研究各因素对 湖泊水体生态修复、脱氮除磷的影响，促进对不同组合生态修复手段控制湖泊营养盐、改善 湖泊水体生态环境条件的研究。本发明所述多功能湖泊生态修复模拟装置是一种圆柱形透明装置，每隔一定的距 离设置取样口，根据不同湖泊生态修复手段的要求采集原位底泥、添加脱氮微生物、水生植 物，调控水体一系列环境影响因子水体营养盐浓度、温度、光强；该模拟装置底部装填原 位采集的湖泊或河道底泥沉积物；添加不同水生植物模拟湖泊植物生态修复；添加不同配 比水生植物模拟湖泊植物生态修复；利用细孔网袋包裹的微生物载体在柱体内添加脱氮 微生物模拟微生物生态修复；添加植物与脱氮微生物模拟植物-微生物联用生态修复；还 可通过由加热水槽、内置温度温度探头及外联温度控制器组成的温度控制系统调控水体温 度；通过配有光强控制器的商素灯光源调节系统光照强度，模拟不同湖泊水体环境条件； 在该装置不同高度设置取样口采样，通过测定水体及孔隙水营养盐、pH、ORP、DO、N2、底泥反 硝化菌数量理化指标，研究水体营养盐去除能力及脱氮速率，从而有效模拟及对比研究不 同湖泊生态修复手段。装置附图见图16。本发明技术方案
一种模拟湖泊生态修复的装置，包括试验柱和位于试验柱顶部外的光源、与试验柱有 水管连接的加热水槽，试验柱顶部为透明盖，试验柱柱体外表面从上部往下依次设置培养 液进口、循环水出口，中间设置水质取样口，下部设置循环水的进口，沉积物孔隙水取样口， 底部设置可活动底塞。试验柱内部从上往下依次可选择性放置固定化氮循环菌、沉水植物、 浮游生物、底泥。所述顶盖和底部密封塞均可拆卸。加热水槽内装有温度探头，温度探头外联有温 度控制器。光源装有光强控制器，可以调节控制光强。反应柱外的培养液储槽通过培养液 进口与反应柱联接。
光照强度控制可以选择自然光照或者人工光照两种方式，试验柱装置采用卤素 灯光源8照射时，用光强计测量，采用光强控制器7调节光源控制光照强度，光强调节范围 OLidTIOOOOLUX ；原位光照强度通可过自动气象站监测获得实验数据。温度控制，试验柱采用恒温夹套由温度控制器3进行控制温度，控制培养液温度 在10 45 士 1 °C，原位温度可通过自动气象站监测获得数据。营养盐控制根据原位水体监测水质参数，配置模拟湖泊、河道水质的培养液，可 选择的经过高压锅121 ！高温灭菌30min，由培养液储罐通过增压泵按照一定流量，经培 养液入口注入试验柱。固定化微生物投放通过固定化微生物载体释放四种土著氮循环菌(氨化细菌、亚 硝化细菌、硝化细菌、及反硝化细菌)，用细孔网袋包覆载体，载体湿重50g/包，通过细线一 段固定于顶盖，将载体悬挂于试验柱上部水体，微生物载体更换时间为一周。一种多功能模拟湖泊生态修复装置的使用方法
(1)培养液和试验柱灭菌将配置好的培养液放入高压灭菌锅，在121°c进行高温灭菌 30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(2)采用柱状采样器采集原位底泥沉积物，将取自原位的湖泊底泥从试验柱底部装填 入柱底部，厚度达20cm，调节至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平，外测包 裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(3)挑选一定生物量长势茁壮的沉水植物，每株沉水植物长度约10cm，均勻种植在底 泥上；
(4)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对 底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(5)将富集四种氮循环菌的固定化载体以细孔网袋包裹的形式投放至水体中，向水体 和沉积物中释放氮循环菌。载体更换周期为一周；
(6)在设定的生态修复手段及环境条件下，对湖泊生态修复模拟柱内各因素进行观察 分析，定期检测模拟装置水体中的pH、0RP、DO、TP、TN、NH4\NO”N02_、溶解性N2等，分析水 体营养盐去除效果和生态修复效果；
步骤(3)中沉水植物可以依据不同湖泊沉水植被特征选择典型沉水植物伊乐藻 (Elodea nuttallif)、黑餐 Qiydrilla verticil la) λ ^ ^ {Val lisneria、微齿目艮
子菜{P. maackianus)。本发明的有益效果是提供了一种模拟湖泊不同生态修复手段的方法和装置，综合 了底泥沉积物反硝化、沉水植物吸收、脱氮循环菌作用等修复手段。本发明装置可以模拟不 同湖泊生态修复手段，如植物、微生物、植物_微生物联用等手段，控制多种物理、化学、生 物因素，如温度、光照强度、氮磷浓度、沉水植物、氮循环菌生物量等，实验对比效果明显，可 有效模拟各种环境因素对湖泊生态修复机理的影响，从而为湖泊生态修复提供理论依据和 技术支持。本发明装置集成了不同生态修复手段，既可考察单一方法对湖泊水体的净化效果 及机理，也可对比不同方法之间，或者两种方法以上联合作用时的处理效率，研究各因素对 湖泊生态修复、氮磷脱除能力的影响大小。本发明装置结构简单，成本低，易操作，制作方便，功能多样，可以方便地进行不同生态修复手段的模拟对比研究。因此，该发明是模拟富营养化湖泊生态修复手段、研究生态 修复机理的有效装置。
图1、图2、图3、图4.实施例1小试试验氮素营养盐随时间变化趋势图，一■一 氨氮浓度(mg/L)，一·一硝态氮浓度(mg/L)，一▲一亚硝态氮浓度(mg/L)，一▼一总氮浓 度(mg/L)；
图5.实施例2小试试验反硝化菌数量随时间变化趋势，一 ■一沉积物柱 (X 105cells/g)，一 一沉积物+伊乐藻柱(X 105cells/g), 一▲一沉积物+伊乐藻+微 生物(X105cells/g)；
图6.实施例3野外试验不同温度条件对植物-微生物联用生态修复脱氮速率的影响 规律，1# :10°C，2# :18°C,3# :25°C，4# :35°C ；
图7.实施例4野外试验不同生态修复手段条件下水体溶解氧变化趋势，一■一沉 积物柱(umol/L)，一 一沉积物+黑藻柱(umol/L)，一▲一沉积物+黑藻+氮循环菌柱 (umol/L)；
图8.实施例4野外试验不同生态修复手段条件下水体pH变化趋势，一■一沉积物 柱，一 一沉积物+黑藻柱，一▲一沉积物+黑藻+氮循环菌柱；
图9.实施例5室内试验四种生态修复沉水植物TN去除率，一·一苦草(mg/L)，一 一伊乐藻(mg/L)，一▲一微齿眼子菜(mg/L)，一▼一黑藻(mg/L)；
图10 实施例6河道修复模拟试验植物_微生物联用营养盐随时间变化趋势，-■-总氮浓度(mg/L)，一 一总磷浓度(mg/L)，一▲一氨氮浓度(mg/L)，—T-COD (mg/L) 图11 实施例7室内试验不同光照条件下伊乐藻柱水体溶解氧浓度，一■一2000LUX (umol/L) , —·—3000Lux (umol/L), —▲—4000Lux (umol/L), —▼—6000Lux (umol/ L)；
图12.实施例8野外试验不同湖区沉积物氮循环菌增殖趋势，一■一梅梁湾疏浚区 (X105cells/g)，一參一贡湖湾(X105cells/g)，一▲一河道(X 105cells/g)，一▼一东 太湖(X105Cells/g)；
图13.实施例9室内试验沉水植物修复中孔隙水TN变化，一■一黑藻柱(mg/g干 重)，一 一对照样(mg/g干重)；
图14.实施例10野外试验植物-微生物联用对不同水质氨氮去除效果，一■一l#(mg/ L) ,—·—2# (mg/L), —▲—3# (mg/L), —▼—4# (mg/L)；
图15.实施例10野外试验植物-微生物联用对不同水质硝氮去除效果，一■一l#(mg/ L) ,—·—2# (mg/L), —▲—3# (mg/L), —▼—4# (mg/L)；
图16.多功能生态修复模拟装置结构示意图，加热水槽1，温度探头2，温度控制器3， 增压泵4，循环水进口 5，循环水出口 6，光强控制器7，卤素灯光源8，培养液进口 9，脱氮微 生物载体10，试验柱11，水体取样口 12，沉水植物(伊乐藻)13，底泥孔隙水取样口 14，沉积 物15，顶盖16，封口膜17，培养液储槽18，底塞19。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明 实施例1
室内小试(考察沉积物、植物、微生物在湖泊生态修复中对营养盐去除效果) 模拟生态修复的装置包括增压泵4，培养液进口 9，脱氮微生物载体10，试验柱11，水体 取样口 12，沉水植物(伊乐藻)13，沉积物15，封口膜17，培养液储槽18和底塞19。由于本 小试使用自然光照且只需满足不同试验柱为室温的条件，加热水槽1、温度探头2、温度控 制器3、循环水进口 5、循环水出口 6、光强控制器7、卤素灯光源8在此实施例不设置。试验 柱11柱体外表面取样口 12距离底部的距离分别为25Cm、37Cm、45Cm。脱氮微生物载体湿重 50g，用细孔网袋固定在试验柱内部离液面IOcm处。培养液配制加入以硫酸铵和硝酸钠，使得培养液中的氨氮浓度和硝态氮浓度分别 达到2. Omg/L和1. Omg/L左右，并在培养液中补充适量碳源，模拟富营养污染水质。实验方法步骤
(1)用特定培养基进行四种氮循环菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌将配置好的IOL培养液放入高压灭菌锅，在121°C进行高温 灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使 水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均勻种植在底泥上；
(5)将(1)中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能 对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)将富集四种氮循环菌的固定化载体以细孔网袋包裹的形式投放至水体中，向水体 和沉积物中释放氮循环菌。载体更换周期为一周；
(7)对湖泊生态修复模拟柱内各因素进行观察分析，定期检测模拟装置水体中的pH、 ORP> DO、NH4\ NO” NO2-等水质参数，分析水体营养盐去除效果和生态修复效果；
1#试验柱(仅添加沉积物)步骤(2)、(3)、(5)、(7) 2#试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(7) 3#试验柱(沉积物+微生物)步骤(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(7) 4#试验柱(沉积物+微生物+伊乐藻)步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7) 预培养时间为一个月，微生物载体更换和培养液更换周期均为一星期，观察试验柱内 植物生长情况，待植物根系长成、微生物充分扩散到水体与沉积物中后，预培养结束。然后 更换新培养液，在培养液储罐中自进水之日起每天取水样，检测其中的TN、NH4+-N、NO2–N, Ν03_-Ν等水质指标，实验结果如图1，图2，图3，图4所示。8d后，四种不同生态修复手段(对 应1#、2#、3#、4#生态修复试验柱)对氨氮、硝态氮、总氮的去除率分别为 1#试验柱(仅添加沉积物)27. 4%,41. 8%,32. 2%。2# 试验柱(沉积物 + 伊乐藻)89· 5%,79. 6%,87. 1%。3#试验柱(沉积物+氮循环菌)83. 3%,72. 3%,79. 1 %。4#试验柱(沉积物+微生物+伊乐藻)93. 2%,81. 4%,89. 1%。由实验结果可以看出，当采用沉水植物与氮循环菌联用修复手段时，水体营养盐去除效率最高。对比而言，仅存在湖泊沉积物的试验柱对水体营养盐的去除效率不佳。
表1.四种氮循环菌增殖培养基配方
权利要求
1.一种多功能湖泊生态修复模拟装置，其特征是一种圆柱形透明装置，每隔一定的距 离设置取样口，根据不同湖泊生态修复手段的要求采集原位底泥、添加脱氮微生物、水生植 物，调控水体一系列环境影响因子水体营养盐浓度、温度、光强；该模拟装置底部装填原 位采集的湖泊或河道底泥沉积物；添加不同水生植物模拟湖泊植物生态修复；添加不同配 比水生植物模拟湖泊植物生态修复；利用细孔网袋包裹的微生物载体在柱体内添加脱氮微 生物模拟微生物生态修复；添加植物与脱氮微生物模拟植物-微生物联用生态修复；还可 通过由加热水槽、内置温度探头及外联温度控制器组成的温度控制系统调控水体温度；通 过配有光强控制器的卤素灯光源调节系统光照强度，模拟不同湖泊水体环境条件；在该装 置不同高度设置取样口采样，通过测定水体及孔隙水营养盐、pH、ORP、DO、N2、底泥反硝化菌 数量理化指标，研究水体营养盐去除能力及脱氮速率，从而有效模拟及对比研究不同湖泊 生态修复手段。
2.根据权利要求1所述的多功能湖泊生态修复模拟装置，其特征在于卤素灯光照强度 控制范围0 lOOOOLux，培养液温度10 45士 1°C。
3.根据权利要求1所述的多功能湖泊生态修复模拟装置，其特征在于位于试验柱外的 培养液储槽通过增压泵和培养液进口与实验柱上部连接。
4.根据权利要求1所述的多功能湖泊生态修复模拟装置的使用方法，其特征是由以下 步骤构成(1)培养液和试验柱灭菌将配置好的培养液放入高压灭菌锅，在121°C进行高温灭 菌30分钟左右，试验柱采用紫外辐射法灭菌；(2)采用柱状采样器采集原位底泥沉积物，将湖泊或河道底泥从试验柱底部按原貌装 填入柱底部，外测包裹铝箔纸使底泥侧面遮光；(3)挑选不同种沉水植物，每株沉水植物长度约10cm，将沉水植物均勻的种植在底泥上；(4)将(1)中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能 对底泥不产生较大扰动；(5)将富集四种氮循环菌的固定化载体以细孔网袋包裹的形式投放至水体中，向水体 和沉积物中释放氮循环菌；(6)在设定的生态修复手段及环境条件下，对湖泊或河道生态修复模拟柱内各因素进 行观察分析，定期取样分析。
5.根据权利要求4所述的模拟湖泊不同生态修复手段的方法，其特征在于培养液化学 因素浓度的可调性氨氮浓度0. 1 10mg/L、硝氮浓度0. 1 5mg/L、氮磷比1 50、C0D5 40mg/L,也可以自由选择人工配水或是天然水作为培养液。
6.根据权利要求4所述的模拟湖泊不同生态修复手段的方法，其特征在于步骤(3)生 态修复选用的典型沉水植物为伊乐藻^Voifea nuttallii、WMHydriUa verticilla、苦草 Vallisneria na tans、微齿目艮子菜 P. maackianus。
7.根据权利要求4所述的模拟湖泊不同生态修复手段的方法，其特征在于氮循环菌为 氨氧化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌。
8.根据权利要求4所述的模拟湖泊不同生态修复手段的方法，在原位湖泊或河道沉积 物或沉水植物或氮循环菌的生态修复中的应用。
全文摘要
本发明属于生态工程技术领域，具体涉及一种多功能模拟湖泊生态修复的方法和装置和使用方法及应用。本装置包括多功能生态修复模拟试验柱体，试验柱顶部外的光源控制系统、水温控制系统，反应柱外表面设置顶盖、培养液进口、循环水出口，中间设置水体取样口，下部设置循环水的进口，底泥孔隙水取样口和底塞，试验柱内部包括氮循环菌载体、沉水植物、沉积物。本发明能进行包括沉积物、沉水植物、脱氮微生物、水温、光照及水质参数等综合调控及优化，模拟并控制湖泊、入湖河道营养盐，研究湖泊生态修复机理。本发明装置结构简单，易操作，可移动性强，室内外均可使用，生态修复模拟功能多样，制作方便，成本低。
文档编号C02F3/32GK102101725SQ20111000450
公开日2011年6月22日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者冯露露, 吴凯, 吴宁梅, 周涛, 周莉, 李正魁, 潘静赟, 王易超, 王月明, 范念文, 赵琳, 陈祈春 申请人:南京大学
