富營(yíng)養(yǎng)化湖泊原位生物治理技術(shù)研究進(jìn)展

吳 芳,王 晟

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

富營(yíng)養(yǎng)化湖泊原位生物治理技術(shù)研究進(jìn)展

吳 芳,王 晟

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

論述了目前廣泛應(yīng)用的生態(tài)修復(fù)技術(shù),包括水生植被恢復(fù)、生物浮島技術(shù),以及不造成二次污染的生物控藻技術(shù),包括氮、磷循環(huán)菌和溶藻菌。分析了各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)各自適用條件進(jìn)行了比較,并對(duì)浮島新材料開(kāi)發(fā)以及溶藻菌理論研究等方面進(jìn)行了展望。

湖泊;富營(yíng)養(yǎng)化;生態(tài)修復(fù)

根據(jù)調(diào)查資料和國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)顯示,目前我國(guó) 37個(gè)主要湖泊的富營(yíng)養(yǎng)狀況為:中營(yíng)養(yǎng)型和中—富營(yíng)養(yǎng)型的占 55.8%,富營(yíng)養(yǎng)型的占 14.7%,重富營(yíng)養(yǎng)型的占 8.8%。太湖水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)和劣于Ⅳ類(lèi)的水域面積占湖泊總面積的 83%左右,滇池的水質(zhì)以 Ⅳ類(lèi)為主,占評(píng)價(jià)面積的69%,劣于Ⅳ類(lèi)水質(zhì)的水域面積占評(píng)價(jià)面積的31%。最近幾年,湖泊水環(huán)境的惡化趨勢(shì)還在發(fā)展,富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)明顯。

通常,適宜的溫度,緩慢的水流流態(tài),過(guò)量的總磷、總氮等營(yíng)養(yǎng)鹽,是導(dǎo)致浮游藻類(lèi)爆發(fā)性增殖的主要原因。但因地理特性、氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等諸多差異,不同的富營(yíng)養(yǎng)化水域采取的治理措施要結(jié)合實(shí)際情況作出選擇。

根據(jù)大量理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在對(duì)已污染湖泊外源控制基礎(chǔ)上,進(jìn)行湖內(nèi)修復(fù)成為治理富營(yíng)養(yǎng)化的重點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用的控制技術(shù)主要有:①化學(xué)方法:如加入化學(xué)藥劑殺藻、加入鐵鹽促進(jìn)磷的沉淀、加入石灰脫氮等,但是易造成二次污染;②物理方法:疏挖底泥、機(jī)械除藻、引水沖淤等,但往往治標(biāo)不治本。由于以上方法實(shí)際應(yīng)用中所存在的不可避免的問(wèn)題,越來(lái)越多的研究集中于尋找生態(tài)的、對(duì)環(huán)境友好的、投資少的生物方法,以下將分別從生態(tài)修復(fù)、生物控藻兩方面對(duì)湖內(nèi)生物治理技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 生態(tài)修復(fù)

生態(tài)修復(fù)是按照自然界自身規(guī)律去恢復(fù)自然界的本來(lái)面貌,強(qiáng)化自然界自身的自?xún)裟芰θブ卫肀晃廴舅w,強(qiáng)調(diào)恢復(fù)生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性。不僅可以有效凈化水質(zhì),而且具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益,主要包括水生植被恢復(fù)、生物浮島。

1.1 水生植被恢復(fù)

原位水生植被恢復(fù)系統(tǒng)主要有沉水、浮水、挺水植物及組合水生系統(tǒng),可以有效降低水體營(yíng)養(yǎng)鹽,控制浮游植物增長(zhǎng)。其中常用的為沉水植物系統(tǒng),有選擇地人工引進(jìn)耐受性較高的先鋒物種,主要包括夏季利用的鳳眼蓮,冬季的耐寒型伊樂(lè)藻,它們?cè)趦艋|(zhì)、維持水質(zhì)理化性質(zhì)穩(wěn)定和提高透明度方面作用顯著。

沉水植物水生系統(tǒng)中總磷的去除與入流總磷負(fù)荷和水力負(fù)荷成正相關(guān)性[1]。實(shí)際應(yīng)用中,常對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定向的優(yōu)化,優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)磷的去除通常比非優(yōu)化效率高。除此之外,還有很多原因造成自然水生系統(tǒng)磷的去除效果比優(yōu)化過(guò)的系統(tǒng)更差?；谶@個(gè)研究,在從相對(duì)短期、小尺度的研究向長(zhǎng)期、大尺度沉水植物建造工程技術(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程中,對(duì)磷的去除效果推斷時(shí),要引起注意。

水生植被恢復(fù)過(guò)程中受影響的物理因素有光強(qiáng)、水溫、pH值、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧等;生物因素為微生物、著生藻類(lèi)。其中,富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重的水域,其水生植物上的附著生物對(duì)其生長(zhǎng)的影響越大[2]。而營(yíng)養(yǎng)鹽的負(fù)荷是決定草型或藻型生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的先決條件,草型轉(zhuǎn)化為藻型的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度閾值大約在 120～150μg/L,修復(fù)的閾值大約在 70～90μg/L。而沉水植物系統(tǒng)只有在磷濃度降到 0.1～0.25mg/L時(shí),而且僅僅在該范圍時(shí),才能夠?qū)崿F(xiàn)湖泊生態(tài)恢復(fù)。所以,入湖前的處理對(duì)磷濃度的降低很重要。

水生植物,尤其是大型植物,會(huì)影響湖泊內(nèi)底泥對(duì)磷的釋放。對(duì)太湖流域常見(jiàn) 3種水生植物(蘆葦、苦草和菱白)根部底泥及無(wú)植物底泥進(jìn)行磷釋放特性的模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,pH增大、溫度升高、厭氧狀態(tài)均可增加底泥磷釋放,pH在弱酸至中性范圍內(nèi)底泥釋磷量較小,酸性和堿性條件都有利于磷的釋放。從模擬試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,水生植物能在一定程度上降低湖泊底泥的總可溶性磷(TDP)含量,減少內(nèi)源性磷釋放[3]。

另一需要考慮的問(wèn)題是,隨植物體的腐敗分解向水體釋放氮、磷以及由此引起的部分氮、磷向底泥沉積,從而影響營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的循環(huán)。研究表明,苦草、金魚(yú)藻具有較低的腐爛分解速度及分解率,有利于降低營(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)速度,對(duì)控制水體富營(yíng)養(yǎng)化比較有利,但同時(shí)還要控制殘留生物體量[4]。

除使用單一類(lèi)型水生植物之外,還可以多種類(lèi)型復(fù)合使用。研究表明,復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在治理水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),它可克服單一水生植物季節(jié)性變化明顯,生物凈化作用不穩(wěn)定的缺點(diǎn),發(fā)揮多種水生植物在時(shí)間和空間上的差異,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),從而可穩(wěn)定地凈化湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)[5]。

1.2 生物浮島技術(shù)

生物浮島技術(shù)是按照自然界自身規(guī)律,人工地把高等水生植物或改良的陸生植物種植到特殊材料上,通過(guò)植物根部作用削減氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。從本質(zhì)上來(lái)看,是一種水生植物凈化過(guò)程的強(qiáng)化,為植物提供良好生長(zhǎng)基質(zhì)的同時(shí),充分利用浮島材料的生物掛膜,達(dá)到微生物降解作用[6]。污染物的直接凈化主體為人工介質(zhì)和水生植物單元,但在生態(tài)浮床中引入水生動(dòng)物時(shí),通過(guò)食物鏈的 “加環(huán)”作用,提高顆粒性有機(jī)物的可溶化、無(wú)機(jī)化以及可生化性,改善植物吸收以及人工介質(zhì)單元生物膜中微生物的基質(zhì)條件,促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和活性,提高浮床的凈化效果。

一般所用浮島框架材料有木材、竹材、塑料管。在人工建造的浮島上種植的植物通常為氮、磷吸收效果好,且有經(jīng)濟(jì)或觀賞價(jià)值的蔬菜和花卉,如水芹、莧菜、美人蕉等,植物在生長(zhǎng)期對(duì)污染物進(jìn)行吸收降解。其特征是改變生態(tài)系統(tǒng)的形狀,并非把營(yíng)養(yǎng)成分搬出系統(tǒng)之外。由水生植物、水生動(dòng)物及微生物膜構(gòu)建的組合型浮床生態(tài)系統(tǒng)[7]對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體在動(dòng)態(tài)條件下在水體交換時(shí)間為7d時(shí),TN、TP、CODMn的去除率分別為 53.8%、86.0%和 35.4%。

人工浮島技術(shù)具有施工簡(jiǎn)單,工期短,對(duì)周?chē)h(huán)境影響小,材料費(fèi)用與施工費(fèi)用低,供試植物和浮床載體材料來(lái)源廣,結(jié)構(gòu)組裝方便,載體可移動(dòng)拼裝等特點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)的凈化效率,減少二次污染,保持系統(tǒng)的高效運(yùn)行,種植植物種類(lèi)的篩選,植物在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)和收獲的方案,植物在各個(gè)季節(jié)的搭配合理,浮島材料的改進(jìn),植物與浮島材料的相互影響作用都是提高該系統(tǒng)凈化效率的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

2 生物控藻

通常使用的除藻材料通過(guò)吸附除藻、除藻成分溶出、遮光性及破壞藻類(lèi)最佳生長(zhǎng)條件等途徑來(lái)發(fā)揮其殺藻除藻作用,主要使用化學(xué)藥劑,效果顯著,但易產(chǎn)生湖內(nèi)二次污染。而生物控藻技術(shù)使用生物制劑,能夠直接有效殺死或者抑制藻類(lèi)生長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)而便于大規(guī)模使用,不造成二次污染,是一種很有前景的控藻技術(shù)。目前研究的生物控藻因子(主要是微生物制劑)主要為進(jìn)行氮、磷循環(huán)或能夠溶解藻類(lèi)的細(xì)菌 (溶藻菌)。湖泊中加入微生物制劑后,溶解氧 (DO)大幅增加,而 COD、總氮、總磷等則明顯降低[8]。

2.1 氮、磷循環(huán)菌

氮循環(huán)細(xì)菌[9]經(jīng)人工載體培養(yǎng)優(yōu)化后釋放到自然水體,以自然生物載體,其它人工載體和底泥為二級(jí)載體,水體懸浮物為三級(jí)載體,將原來(lái)荒漠化水域中以水土界面為主的好氧—厭氧,硝化—反硝化條件擴(kuò)大到水面和水體并提高細(xì)菌濃度,能夠增強(qiáng)系統(tǒng)凈化能力。太湖梅梁灣曾采用 PM和ACP載體進(jìn)行人工富集微生物的方法,利用富集微生物的生物降解作用,去除該地水源水中的氮、磷污染物[10]。日本湖泊治理中曾使用生物過(guò)濾器,利用其富集的有益微生物去除絲狀藍(lán)綠藻。生物過(guò)濾器內(nèi)部填充了大量的有益微生物,當(dāng)污水流經(jīng)該過(guò)濾器時(shí)有益微生物能捕食和分解絲狀藍(lán)綠藻,成本及能耗都較低,可推廣性強(qiáng)。

2.2 溶藻菌

溶藻細(xì)菌 P05菌株[11]易被焦炭和彈性填料固定,經(jīng)過(guò) 7d的掛膜即可以形成生物膜,藻類(lèi)、去除率分別在 80%、52%以上。而焦炭和彈性填料很便宜,且生物降解性低,固定程序很簡(jiǎn)單,可推廣性強(qiáng)。

從云南滇池[12]中分離出了一種溶解浮游植物,對(duì)控制水華有很重要作用的細(xì)菌,具有細(xì)胞溶解酶活性,能夠溶解形成水華的藻青菌。孫珮石[13]等人進(jìn)行的滇池湖邊 300m2水面圍欄擴(kuò)大試驗(yàn)結(jié)果顯示,其制作的新型除藻材料放入試驗(yàn)區(qū)水體 10d后,水體中藻類(lèi)含量明顯減少,水體透光率從55%增加到 80%,水質(zhì)狀況也有很大改善。

2.3 復(fù)合菌

除使用單一菌體外,還可投加復(fù)合細(xì)菌,以光合細(xì)菌為主的人工復(fù)合細(xì)菌群[14]能夠有效地降低湖水濁度,并能維持較長(zhǎng)時(shí)間,可以有效地降低湖水藻類(lèi)生物量和湖水中氨氮及總磷污染;費(fèi)用少、收效快。而日本北海道松前郡觀音橋川和附近的綠川河、鳥(niǎo)取縣松江市掘川河、鳥(niǎo)取縣鳥(niǎo)取市湖山湖和神奈川縣鐮倉(cāng)市覺(jué)寺的水池投放有效微生物群[15]后,均取得良好的效果 (日本 EM研究機(jī)構(gòu)內(nèi)部資料)。

3 研究展望

3.1 生物浮島新材料開(kāi)發(fā)

以上所提的浮島材料具有易爛、被腐蝕、易引起二次污染的特點(diǎn)[16]。從國(guó)內(nèi)外浮島的研究現(xiàn)狀[17]看,目前在工程實(shí)例中廣泛采用的是有機(jī)高分子材料載體,無(wú)機(jī)材料的浮島尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。為改善浮島性能,減少有機(jī)高分子材料所造成的“白色污染”,研制開(kāi)發(fā)用無(wú)機(jī)材料制作有機(jī)浮島載體的替代品的新型浮島載體——輕質(zhì)高效微生物載體是必要的,而且具有廣闊的發(fā)展前景,其對(duì)植物及微生物膜的形成和改善作用還需進(jìn)一步地研究和探索。

3.2 控藻生物制劑的理論和應(yīng)用研究

控藻微生物主要為進(jìn)行氮、磷循環(huán)菌,及溶藻菌。對(duì)前種微生物的研究主要集中在細(xì)菌的篩選、分離、強(qiáng)化,以及實(shí)際應(yīng)用中的投加時(shí)期與微生物量的問(wèn)題。而對(duì)溶藻菌的研究還處在理論階段,雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有分離并鑒定出菌種的例子,但對(duì)于其去除機(jī)理還不夠成熟,大致分為直接和間接作用。其中對(duì)于間接作用的研究集中在從微生物中提取出具有溶藻作用的物質(zhì),及事先提取除藻材料中的主要溶出組分,即有望研制出一種新型湖泊水體除藻劑。從而對(duì)生物分析、鑒定手段的應(yīng)用技術(shù)提出了更高的要求。

3.3 藍(lán)藻資源化處置技術(shù)

1960年,Os wald and Golueke提出概念上的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,“太陽(yáng)能的生物轉(zhuǎn)化”建議使用大型水塘培育微藻類(lèi)凈化廢水中的營(yíng)養(yǎng)鹽,然后進(jìn)行厭氧發(fā)酵使藻類(lèi)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷燃料,甲烷再轉(zhuǎn)化為電力,CO2尾氣和消化液循環(huán)到塘內(nèi)促進(jìn)進(jìn)一步的藻類(lèi)生產(chǎn)。過(guò)去 40a中,做過(guò)了很多研究,也提出了微藻類(lèi)產(chǎn)沼氣和 CO2的利用概念。但是,難點(diǎn)在于技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用:藻類(lèi)物種的選擇難度,低于期望的生物質(zhì)產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量,尤其是采收藻類(lèi)的高成本[18]。而且考慮不同時(shí)間湖泊中優(yōu)勢(shì)種藻類(lèi)會(huì)隨水力條件、溫度的變化而變化;同一時(shí)間同一條件下收集的藻類(lèi)種類(lèi)也會(huì)有所不同。另外,藻類(lèi)含水量高,且含毒性藻毒素,對(duì)其預(yù)處理技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展,需綜合從經(jīng)濟(jì)各角度分析技術(shù)的可行性。

3.4 預(yù)警預(yù)測(cè)管理

海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)中有利用連續(xù)浮游生物記錄(CPR)[19]判斷環(huán)境影響,做出質(zhì)量狀況報(bào)告的實(shí)例,可以指出北大西洋未被捕食的浮游植物的范圍,這是建立浮游植物碳消耗重要性的一個(gè)重要因素,獲得浮游生態(tài)系統(tǒng)大量、長(zhǎng)期信息的重要來(lái)源。這為監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化提供了有價(jià)值的模式,需要對(duì)湖泊內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中土著、優(yōu)勢(shì)浮游動(dòng)植物信息進(jìn)行采集分析,從而進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出有效的技術(shù)。

[1]RobertL.Knigh,Binhe Gu,Ronald A.Clarke.Longterm phosphorus removal in Florida aquatic systems dominated by submerged aquatic vegetation[J].Ecological Engineering,2003,20 (1).

[2]秦伯強(qiáng),宋玉芝,高光.附著生物在淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻 -草型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的作用 [J].中國(guó)科學(xué) C輯,生命科學(xué),2006,36(3).

[3]楊榮敏,李寬意,王傳海.大型水生植物對(duì)太湖底泥磷釋放的影響研究 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(增刊).

[4]潘慧云,徐小花,高士祥.沉水植物衰亡過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放過(guò)程及規(guī)律 [J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(1).

[5]全為民,沈新強(qiáng),嚴(yán)力蛟.富營(yíng)養(yǎng)化水體生物凈化效應(yīng)的研究進(jìn)展 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(11).

[6]井艷文,胡秀琳,許志蘭.利用生物浮床技術(shù)進(jìn)行水體修復(fù)研究與示范 [J].北京水利,2003,(6).

[7]李先寧,宋海亮,朱光燦.組合型生態(tài)浮床的動(dòng)態(tài)水質(zhì)凈化特性 [J].環(huán)境科學(xué),2007,28(11).

[8]秦伯強(qiáng).湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的技術(shù)對(duì)策 [J].特別關(guān)注,2007,(38).

[9]李雪梅,楊中藝,簡(jiǎn)曙光,等.有效微生物群控制富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻的效應(yīng) [J].中山大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2000,39(1).

[10]詹旭.人工富集微生物技術(shù)對(duì)太湖梅梁灣水源地氮磷的去除研究 [J].江蘇環(huán)境科技,2006,19(6).

[11]Hai-yan PEI,Wen-rong HU,Rui-minMU,et al.Alga-lysing bioreactor and dominant bacteria strain[J].Journal of Environmental Sciences,2007,19(5).

[12]Shi Shunyu,Liu Yongding,Shen Yinwu,et al.Lysis of Aphanizomenon flosaquae(Cyanobacterium)by a bacterium Bacillus cereus[J].Biological Control,2006,(39).

[13]孫珮石,許曉毅,劉竹仙,等.滇池富營(yíng)養(yǎng)化水體新型除藻材料的試驗(yàn)研究 [J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(5).

[14]李佐榮.微生物在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理中的應(yīng)用 [J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,13(9).

[15]李雪梅,楊中藝,簡(jiǎn)曙光.有效微生物群控制富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻的效應(yīng) [J].中山大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2000,39(1).

[16]王劼,劉陽(yáng),王澤民,等.人工浮島技術(shù)應(yīng)用前景 [J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2008,34(5).

[17]代培,吳小剛,張維昊,等.人工生物浮島載體的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2006,31(6).

[18]J.R.Benemann,Consultant,J.C.Van Olst,et al.The Controlled Eutrophication Process:Using Microalgae for CO2Utilization and Agricultural Fertilizer Recycling.Brune.Proceedings of the 6th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies 1-4 October 2002,Kyoto,Japan 2003.

[19]K.M.Brander,R.R.Dickson,M.Edwards.Use of Continuous Plankton Recorder information in support of marine management:applications in fisheries,environmental protection,and in the study of ecosystem response to environmental change[J].Progress in Oceanography,2003,(58).

Advance on In-site Biologic Remediation Technology in Eutrophic Water

WU Fang,WANG Sheng
(School of Environmental Science and Engineering of Tongji University,Shanghai 200092 China)

The popular ecological remediation technologies at present are summarized including aquatic vegetation restoration and floating culture island and biological alga control technology without second pollution.The defects and merits of these technologies are analyzed as well as the applicable conditions for each method.Aspects of new materials for floating island and theory research to algicidal bacteria are prospected.

lake;eutrophication;ecological restoration

X52

A

1673-9655(2010)01-0049-04

2009-06-17

吳芳 (1984-),女,碩士研究生,主要從事水環(huán)境綜合整治。