湖泊富营养化水体生态修复技术国内外研究进展.doc

湖泊富营养化水体生态修复技术国内外研究进展()摘要：湖泊富营养化是指氮、磷等营养物质大量进入水体并致使水体的溶解氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼类及其他生物大量死亡的现象。富营养化水体治理技术按照治理手段可分为化学处理、物理处理和生态修复处理方法等。化学方法处理污染水体主要是添加化学药剂改变水体中氧化还原电位去除水体中悬浮物质和有机质。物理治理技术措施包括人工曝气、调水冲污、河道疏浚等措施。水体生态修复技术包括生物膜法处理技术、微生物制剂技术、人工湿地处理及生物栅修复等。本文阐述了当前国内外水体生态修复技术的相关研究进展并比较了各方法的优缺点，并对未来富营养化水体生态修复技术做了展望。关键词：富营养化；生态修复技术Research of water ecological restoration technology about lake eutrophication()Abstract: Lake eutrophication refers that nutrients of nitrogen and phosphorus are into the water, bringing the phenomenon that clarity and dissolved oxygen drop causing deterioration of water quality and death of fishes and other creatures. Treatments of eutrophic water include chemical treatment, physical treatment and ecological restoration. Chemical method are that adding chemicals into water changs redox potential to remove suspended substances. Physical treatments include artificial aeration, flushing and river dredging. Ecological restoration technologies include the biological membrane, microbial preparation, artificial floating island and biological grid restoration. This paper describes the progress research of ecological remediation technologies for the present and compares the advantages and disadvantages, and makes forecast for the future ecological restoration technologies of eutrophic water. Keywords: eutrophication; Ecological restoration technologies前言我国是一个多湖泊的国家，全国湖泊共有2759个，总面积达91019km2，占国土面积的0.95%(王苏民，1998)，由于这些湖泊地处东南沿海或长江中下游平原地区，人口稠密、经济发达，加上近年来欠适宜的人类活动方式，极大地改变了自然湖泊生源要素的循环规律，这些湖泊多数已经富营养化或正在富营养化中；据调查，2006年27个国控重点湖泊中，满足类水质有2个，占7%；类水质的湖泊6个，占22%； 水质的湖泊1个，占4%；类水质的湖泊5个，占19%，劣类水质湖泊13个，占48%(国家环保总局，2006)；故湖泊富营养化的治理成了当务之急。湖泊富营养化是指氮、磷等营养物质大量进入水体，浮游植物建立优势导致水生态系统的结构破坏和功能异化的过程，它导致水体的溶氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼类及其他生物大量死亡；湖泊富营养化所表现出来的水色浑浊、蓝藻水华频发，实际上是生态系统功能退化的表现，表明水生态系统结构发生了本质变化，因此，要实施湖泊生态恢复，首先要充分了解湖泊的生态功能和系统结构，分析其功能退化或受损的原因，根据目标和功能来确定如何调整生态系统结构，从而有针对性地实施生态恢复或修复工作。近年来，富营养化水体治理技术按照治理手段可分为化学处理、物理处理和生态恢复处理方法等。水体生态修复技术包括生物膜法处理技术、微生物制剂技术、人工浮岛技术、人工湿地处理、生物修复等。而生态修复措施具有原位净化水质，同时也可以恢复水体中的水生生态结构、运行成本低、增加水体自净能力的特点，对环境造成的二次污染较小，故水体生态修复技术在近几年迅速发展起来。1 富营养化水体生态修复技术的基本介绍水生态系统修复，是指通过一系列的保护措施将已经退化的水生生态系统恢复或修复到使其能够长久保持稳定的水平，即补救已经退化的水生生态系统，减轻其影响，使水生生态系统具有更高的生态忍受性(Allan R J,1997)；水生生态系统修复的最终目的是通过模仿一个自然的、可以自我调节的并与所在区域完全整合的系统，从而最大限度地减缓水生生态系统的退化，使系统恢复或修复到可以接受的、能长期 自我维持的、稳定的状态水平。2 富营养化水体生态修复技术的种类2.1 生物膜法处理技术根据天然河床上附着生物膜的过滤及净化作用，人工填充滤料和载体，微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状，通过与污水接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养吸收并加以同化，同时利用滤料和载体比表面积大，附着生物种类多、数量大的特点，从而使河流的自净能力成倍增长(刘雨，2000)。生物膜技术因其降解能力强、接触时间短、占地面积小以及投资少等特点而得到了长足的发展与应用。近几年，在我国生物膜处理技术得到广泛的应用。张永明等采用蜂窝陶瓷为载体形成生物膜反应器对城市受污染的河道水体进行缺氧生物修复，在此过程中，水中的氨氮去除率为40%-60%，总氮的去除率达到40%-45%，即氨氮和总氮得到同步去除，且没有亚硝酸盐积累(张永明，2009)。为了提高微污染水体生物膜修复系统中生物量和效果，各种新型的生物载体不断得到开发，如竹丝填料、淀粉基可生物降解载体等；这些新型生物载体的特点是：生物亲和性好、亲水性基团多、二次污染低等(M. Dakiky, 2002)；如苏刘选等利用竹丝生物膜反应器处理低污染景观水体研究了反应器对原水浊度、氨氮、高锰酸盐指数的去除效果等，试验结果表明：竹丝生物膜反应器对景观水体中的浊度、氨氮、高锰酸盐指数的去除率分别为19.99-100%、15.9-59%和10.60-74.34%，说明竹丝生物膜反应器很适合低污染景观水体的修复(Li Chun,2004)。2.2 微生物制剂技术选育高效菌株制成为微生物复合制剂处理污染水体，其过程以酶促反应为基础，通过生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质作为催化剂，净化污水、分解淤泥、消除恶臭。目前，水体微生物修复的研究已成为学术界广泛关注的热点问题，正处于相当活跃的发展时期。成功的微生物修复需具备以下条件：一是目标化合物必须能够被微生物利用，污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质；二是必须存在具有代谢活性的微生物，这些微生物在降解或转化化合物时必须达到一定的速率，且不会产生有毒物质；三是污染场地或生物反应器的环境条件必须有利于微生物生长或保持活性；四是技术费用必须尽可能低(张逸飞，2007)。1992年美国 Moulin Vert水渠使用Clear-Flo 1200菌剂3个月处理富营养化水体，结果显示：NH4+-N从0.02 mg/ L降为0，COD降低 84%，BOD5降低74%(张逸飞，2007)；梁威、胡洪营(2003)研究发现，对于人工湿地生物修复系统来说，污水中BOD5的去除率与湿地微生物总数显著相关，氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌数量也密切相关；王丽风、邓柳等(2006)通过应用“液可清”制剂对受污染的昆明城市西南部西坝河进行修复，试验结果表明：投加液可清制剂3周后，修复河段内的BOD5、总氮、总磷和浊度分别下降 43.9%、46.3 %、25.5%和43.6%。由此可见，微生物制剂在减轻水体BOD5、总氮、总磷、COD、NH4+-N、浊度污染，控制水体富营养化具有显著效果。 针对现阶段富营养化水体生物修复的发展状况，整个水体生物修复体系中的微生物研究还存在比较大的缺陷；因此，对于水体微生物的研究今后深入研究的重点：应加大力度研究整个生物修复系统不同修复阶段所需微生物的种类和数量、有效微生物群制剂投加与生物修复系统协同运行效果及对水体生物修复过程中微生物数量的控制技术等领域的相关内容，这些领域将为富营养化水体生物修复的普及和发展带来新的动力。2.3 人工浮岛技术人工浮岛是在水体中栽培植物，通过植物的吸收和植物根系附着菌降解污染物作用处理污染水体的技术。早在20世纪50年代，人工浮岛技术就被用来为鱼类提供产卵礁石。近年来世界上已有许多湖泊、池塘和河流采用了这一技术，中国也已有许多生态浮岛的工程实例，如北京罗道庄河、杭州南应加河、无锡五里湖和北京什杀海等，均获得很好的应用效果(陈荷生，2005；屠清瑛，2004；)；归纳起来，人工浮岛可用于以下地点的生态恢复(AFI institute of Japan，2001)：(1)具有大水位波动及陡岸深水环境的水域；(2)具有猛浪、高浊度和富营养化状况的湖区；(3)有景观功能需求的池塘和湿地水域。近几年，人工浮岛技术广泛应用于水体的生态修复技术中，邹志鹏(2002)在鱼草共生的生态系统的研究中发现浮植的黑麦草系统可以有效的降低水中的氮和磷的含量；Oostrom在人工湿地处理氮饱和肉类加工废水的脱氮研究中发现，含有人工浮岛的表面流湿地氮的去除效果平均为46%49%Oostrom A J V,1994；以上研究极大的表面人工浮岛技术相比于传统处理方法的优越性。总之，人工浮岛作为水上的仿陆地生态系统，使水生和陆生植物在一个系统上得以完美的组合；然而人工浮岛还有很多需要优化的方面，比如材质的改良以利于植物及微生物吸附、可降解特异性污染物微生物的引入等。到目前为止，人工浮岛作为一种新兴的生态修复处理技术，主要只是应用于富营养化水质的净化。不过随着人工浮岛技术的逐步发展成熟，人工浮岛将被应用到更为广泛的污水处理和生态修复过程当中。2.4 人工湿地处理技术人工湿地技术由天然湿地发展而来，是由特定的介质如土壤、砂或砾石等，特定的植物(去污性能好、成活率高、耐水渍性强、生长期长、美观且有经济价值的水生或湿生植物) 所组成的复杂、独特的生态系统(夏汉平，2002)，其对富营养化水体的净化作用主要通过湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用和优化组合来进行的。人工湿地系统中氮的去除主要依靠微生物的分解转化作用和植物的吸收同化作用完成的，对磷的去除作用包括介质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除等；如德国利用水平流和垂直流湿地芦苇床系统处理富营养化水体中营养物质，结果表明，超过90% 的有机污染和N、P 等污染物被去除(Volker L,2001)；美国田纳西州人工湿地系统试验在不同水力负荷下对氨氮、总氮的去除规律，实验结果表明，二级系统氨氮去除率较一级系统高20% 50% (Michael C K , 1997)。该技术近几年在国内也得到广泛的发展，如2002年官厅水库潜流人工湿地处理系统对官厅水库受污染水进行处理，结果表明在夏季，系统对COD和NH4+-N的去除率可达50%和70%(刘红，2003);人工湿地技术在水污染控制方面的应用正处于快速发展时期，而人工湿地净化机理方面的研究则相对滞后，且该技术目前还具有诸如基质内部的根系很难去除、占地面积大、设计运行参数不精确等缺点，因此，未来还有大量的研究工作要做。2.5 生物栅修复技术生物栅是将生物膜技术与水生植物加以结合用以扩大生物附着表面积的一种新颖污染物净化技术杨清海，2004，该技术主要利用植物、微生物、水生动物、底栖动物等生态要素的协同作用完成生态修复的功能。近些年来，湖泊富营养化水体的生物栅修复技术得到了广泛应用，如杨青海，李秀艳等(2008)对生物栅处理受污景观水体效果及机制研究，实验结果表明，在水力停留时间为72 h 时，生物栅对TOC、COD、T N 和 TP 的去除率分别52. 2%、57. 6%、60. 9% 和82. 4%；于学珍等(2006)利用组合填料生物栅净化富营养化水体的试验中，显示对 CODCr、SS、TN、TP 的去除率分别为 41% 79%、50% 93%、7% 28%、17% 44%。2.6 其他生态修复技术稳定塘是利用细菌、藻类、底栖生物、水生植物及其他水生动物等进行共同作用处理污水的自然生物处理技术，其也被大量应用污染水体的处理中(刘玲花,2003；ITadesse, 2004)。植被缓冲带是一个位于水生和陆生之间的过渡地带，一方面阻止水体的波浪和洪水对岸线的侵蚀；另一方面，在径流进入水体以前过滤其中的多种有害物质，同时还提供了水生昆虫、微生物、鱼类和其他动物的栖息地(孙书存，2004)；如美国IOWA州的试验表明，植被缓冲带能够减少农田土壤的流失、净化农田径流中的污染物、促进生物多样性等作用，而且使农产品多样化，并具有较好的环境效益和经济效益(王东胜，2004)；3 结语及展望湖泊富营养化污染水体的生态修复是一项长期而复杂的系统工程，虽然人们对修复的理论和方法有一些研究，但水体生态修复的理论技术体系尚未形成，且对相关技术的机理以及实际应用都缺乏系统的研究。水体富营养化成因并不是由单一因素所导致，要想彻底的消除我国湖泊的水体富营养化，相关法律、法规的约束，以及技术的不断创新是亟待要突破的，同时在今后的水体生态修复技术的研究中，学习并借鉴其他国家的先进技术并需加以创新也是改善我国污染水体环境所必须的环节。参考文献6 Allan R JWhat is aquatic ecosystem restoration Water Quality Research Journal of Canada,1997，32(2)：229-2342 AFI institute of JapanAFI setup manual (symposium data)RJapan: Water resources environment technology center，2001，4-36，73-1053ITadesse，ABGreen，JAPuhakka Seasonal and diurnal variation of temperature pH and dissolved oxygen in advanced integrated waste water pond system treating tanneryJWater Research，2004，(38)：64565410Li Chun， Chen Hongzhang，Li ZuohuAdsorptive removal of Cr(VI) by Fe-modified steam exploded wheat strawJProcess Biochemistry，2004，39(5)：541-5459M. 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