微生物復(fù)合修復(fù)劑-沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)在湖泊治理中的應(yīng)用研究

摘要 通過對微生物復(fù)合修復(fù)劑-沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)在湖泊治理過程中的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)技術(shù)可以有效地降低湖泊富營養(yǎng)化程度，逐漸恢復(fù)湖泊的自凈能力。結(jié)果表明：當(dāng)對湖泊實施生態(tài)修復(fù)技術(shù)后，湖水的透明度、溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）都呈上升趨勢，水體pH維持在6.0～9.0，透明度、DO和ORP最高值分別可以達到130 cm、8.21 mg/L和278 mv。修復(fù)后期，COD、NH3-N和TP濃度比修復(fù)之前分別下降了94.3%、92.0%和98.3%，表明生態(tài)修復(fù)技術(shù)對控制湖水COD、NH3-N和TP具有顯著效果，可為富營養(yǎng)化湖泊治理提供一種有效的方法。

關(guān)鍵詞 微生物復(fù)合修復(fù)劑;沉水植物;生態(tài)修復(fù);湖泊治理;富營養(yǎng)化

中圖分類號 X 524? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0072-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.020

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on the Application of Microbial Composite Remediation Agent-Submerged Plant Ecological Remediation Technology in Lake Management

CHENG Lang （Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.，Ltd.，Shenzhen，Guangdong 518048）

Abstract Through the application research of microbial compound remediation agent and submerged plants in the process of lake treatment，it was found that ecological restoration technology could effectively reduce the lake eutrophication，and gradually restore the lakes self-purification ability.The result showed that after the implementation of ecological restoration technology，the transparency，DO and ORP of the lake water were all on the rise，pH of the water maintained 6.0 - 9.0，and the maximum values of transparency，DO and ORP could reach 130 cm，8.21 mg/L and 278 mv respectively.At the later stage of the restoration，the concentration of COD，NH3-N and TP respectively decreased by 94.3%，92.0% and 98.3% compared with those before restoration，which indicated that ecological restoration technology contributed significantly to the control of COD，NH3-N and TP in the lake and it could provide an effective method for treatment on lake eutrophication.

Key words Microbial compound remediation agent;Submerged plants;Ecological restoration;Lake treatment;Eutrophication

作者簡介 程浪（1990—），男，湖北咸寧人，工程師，碩士，從事水生態(tài)修復(fù)、河湖治理及環(huán)境管理相關(guān)研究。

收稿日期 2021-02-18;修回日期 2021-03-18

湖泊作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為多種生物提供良好的生存環(huán)境，不僅保持了生物的多樣性，也對維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡起著關(guān)鍵的作用[1]。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國部分區(qū)域存在工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理直接排入湖泊的現(xiàn)象，導(dǎo)致氮、磷不斷富集引起湖泊富營養(yǎng)化，湖泊的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)不同程度的破壞[2-4]。因此，如何采取有效措施治理和修復(fù)富營養(yǎng)化湖泊已經(jīng)成為國內(nèi)外環(huán)境工作者關(guān)注的熱點。在湖泊治理方法中，按治理手段一般可以分為化學(xué)法、物理法和生物法等;其中物理化學(xué)法治理成本較為昂貴，且存在二次污染的風(fēng)險;生物法不僅具有成本較低、環(huán)境友好、生態(tài)環(huán)保等特點，而且可以恢復(fù)水體中生態(tài)系統(tǒng)平衡和增加水體自凈能力，因而逐漸被廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體的治理中[5-8]。筆者以?？谀橙斯ず檠芯繉ο螅ㄟ^生態(tài)修復(fù)的方法，向湖泊中投加微生物復(fù)合修復(fù)劑和種植沉水植物，不斷降解水體中的污染物，凈化水質(zhì)，逐步恢復(fù)湖泊的生態(tài)平衡，最終達到修復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的目的，以期為富營養(yǎng)化湖泊的治理和水環(huán)境質(zhì)量改善提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料 該研究所使用的微生物復(fù)合修復(fù)劑為專利產(chǎn)品，主要由枯草芽孢桿菌、酵母菌和硝化細(xì)菌等微生物以及具有水質(zhì)調(diào)節(jié)作用的微量元素組成。微生物可以降解水體中的有機物，微量元素可以絮凝沉淀水體中的顆粒等懸浮物。種植的沉水植物主要有輪葉黑藻、苦草，均采購于東莞市橋頭鎮(zhèn)水生植物苗圃。

1.2 儀器 JPSJ-606L型溶解氧儀（上海雷磁）;PHB-4精密酸度計（上海雷磁）;SD20透明度盤（北京普力特）;Lambda 365紫外可見分光光度計（美國PerkinElmer）。

1.3 試驗場地情況 試驗場地為?？谀橙斯ず?，湖泊大小約為11 860 m 水深為1.2～1.5 m。根據(jù)湖泊的地形特點，分別于湖泊東側(cè)觀景平臺和西側(cè)涼亭處各設(shè)定1個采樣點位，南北兩側(cè)環(huán)湖路中間位置各設(shè)定1個采樣點位，湖泊中心設(shè)定1個采樣點位，共計設(shè)定5個采樣點位，具體取樣點位分布見圖1。試驗階段，采樣頻率每周2次，采集水面以下0.5 m 的水樣。利用便攜式測量儀器現(xiàn)場測定溶解氧（DO）、透明度、pH，實驗室檢測水體的氧化還原電位（ORP）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）等指標(biāo)。

1.4 湖泊水質(zhì)狀況 采取生態(tài)修復(fù)措施之前（2018年5月底），對湖泊水樣進行取樣檢測分析，測得湖泊水質(zhì)DO為2.10 mg/L，ORP為-78 mv，透明度為8 cm，pH為6.3 COD為89 mg/L，NH3-N為15.8 mg/L，TP為5.32 mg/L。對比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類水質(zhì)指標(biāo)，湖泊COD、NH3-N和TP污染嚴(yán)重，表明水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重。

1.5 試驗設(shè)計 該研究于2018年6月5日開始對湖泊實施生態(tài)修復(fù)，所用微生物復(fù)合修復(fù)劑用量為10～30 g/m 使用前用清水將微生物復(fù)合修復(fù)劑溶解，然后采用水上作業(yè)機械噴灑的方式投入到湖泊中。在具體實施修復(fù)過程中，要根據(jù)水體的污染特征、受損程度和實施修復(fù)的效果合理調(diào)整生物復(fù)合修復(fù)劑配方、用量及用法。根據(jù)修復(fù)時間和效果，改變投加頻率修復(fù)前期（2018年6—9月）投加頻率為每周5～7次，修復(fù)中期（2018年10—12月）投加頻率為每周3～4次，修復(fù)后期（2019年1—2月）投加頻率為每周1～2次。水生植物于2018年12月開始種植，采用拋種的方式，輪眼黑藻與苦草種植比例約為3∶7，100～150叢/m 8～12棵/叢。

1.6 測定分析方法

溶解氧采用JPSJ-606L型溶解氧儀測定，pH和氧化還原電位均采用PHB-4精密酸度計測定，透明度采用SD20透明度盤測定?；瘜W(xué)需氧量、氨氮、總磷和葉綠素等指標(biāo)均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）中的規(guī)定進行測定[9]。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行存儲和分析計算，并采用Origin 9.0繪圖。

根據(jù)污染物前后濃度的變化計算污染物的去除率，具體公式為

η=C0-CtC0×100%，式中，η為污染物的去除率（%），C0為湖泊未修復(fù)前的污染物濃度（mg/L），Ct為湖泊修復(fù)后污染物濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH、透明度、溶解氧和氧化還原電位的變化

從湖泊修復(fù)前后水體中pH、透明度、溶解氧和氧化還原電位等指標(biāo)的變化（圖2）可以看出，隨著修復(fù)時間的增加，水體的pH和透明度不斷增加。整體來說pH穩(wěn)定在6.0～9.0，這是由于在富營養(yǎng)化湖泊中，藻類大量的繁殖，不斷吸收水中CO 使得湖泊的pH升高[10]。水體感官由渾濁逐漸變?yōu)榍宄海该鞫茸畲罂梢赃_到130 cm左右，湖泊幾乎清澈見底。水體透明度一般由懸浮物含量決定，透明度顯著升高的主要原因包括：①微生物復(fù)合修復(fù)劑中含有具有絮凝作用的鐵、鋁等微量元素，可以有效絮凝沉淀水中的懸浮物;②后期種植的沉水植物也可以有效降低沉積物再次懸浮，且對懸浮物有一定的吸附作用;③浮游植物生物量的逐漸減少，也使得水體的透明度不斷提高[11-13]。

同時，水體的溶解氧呈不斷上升的趨勢，溶解氧最高可以達到8.21 mg/L，這是由于前期藻類的繁殖，導(dǎo)致水體的溶解氧不斷升高，后來隨著水生植物的種植和生長，也可以不斷向水體釋放氧氣，所以湖泊溶解氧不斷升高。氧化還原電位也不斷增加，最高可以達到278 mv，一方面由于微生物的作用，不斷降解水體中的還原性等有機物，另一方面水體的溶解氧不斷升高，兩者綜合作用使得水體的氧化還原電位不斷升高。

2.2 化學(xué)需氧量的變化

從湖泊修復(fù)前后水體中化學(xué)需氧量（COD）的變化（圖3）可以看出，使用微生物復(fù)合修復(fù)劑前期（2018年6月）湖泊COD濃度為最高（81 mg/L），與未實施生物修復(fù)前相比，去除效果不明顯，去除率僅為8.9%。隨著微生物復(fù)合修復(fù)劑的持續(xù)使用，水體中COD濃度呈下降趨勢，修復(fù)中期（2018年11月），COD濃度降低至22 mg/L，去除率為75.3%;修復(fù)后期，COD濃度趨于穩(wěn)定，2019年1月降到最低（5 mg/L），相對于修復(fù)前，COD去除率最高，達到94.3%。

微生物復(fù)合修復(fù)劑含有枯草芽孢桿菌，枯草芽孢桿菌具有繁殖快、對環(huán)境適應(yīng)性強、無毒無污染等特點，其胞外酶能分解水體和底泥中的有機質(zhì)從而降低水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險，且對氨氮、亞硝酸氮和化學(xué)需氧量有良好的去除效果[14]。因此，隨著修復(fù)時間的增加，微生物復(fù)合修復(fù)劑中的枯草芽孢桿菌逐漸發(fā)揮作用，不斷降解水體中的有機物質(zhì)?？莶菅挎邨U菌為好氧菌，隨著水體溶解氧的不斷增加，枯草芽孢桿菌的繁殖加快，有利于對COD的降解。修復(fù)后期，隨著COD濃度的逐漸降低到較低水平，枯草芽孢桿菌繁殖受基質(zhì)中的碳源控制，在低基質(zhì)濃度下，細(xì)胞繁殖趨于穩(wěn)定，所以修復(fù)后期COD濃度變化不大[15]。

2.3 氨氮的變化

氮、磷是藻類生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)，消除湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵在于降解水體中的氮、磷負(fù)荷。該研究重點研究了湖泊修復(fù)前后水體中氨氮隨修復(fù)時間的變化，從圖4可以看出，使用微生物復(fù)合修復(fù)劑前期（2018年6月）湖泊氨氮濃度開始降低，與未實施生物修復(fù)前相比，氨氮去除率為33.1%。隨著修復(fù)時間的不斷增加，水體中氨氮濃度呈下降趨勢，修復(fù)中期（2018年11月），氨氮濃度降低到2.5 mg/L，去除率達到84.4%;修復(fù)后期，氨氮濃度趨于穩(wěn)定，2019年2月降到最低（1.3 mg/L），相對于修復(fù)前，氨氮去除率最高，達到92.0%。

氨氮的降解主要是微生物的作用，包括枯草芽孢桿菌和硝化細(xì)菌。一方面硝化細(xì)菌為自養(yǎng)好氧型微生物，可以將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，當(dāng)湖泊溶解氧濃度逐漸升高時，有利于硝化反應(yīng)的進行;另一方面枯草芽孢桿菌通過同化水體中的氮源維持繁殖，既可利用氨氮和硝態(tài)氮，也可以利用硝態(tài)氮合成自身所需的營養(yǎng)物質(zhì)。在好氧的環(huán)境下，枯草芽孢桿菌可以促進硝化作用的進行，但是反硝化反應(yīng)會受到抑制，硝態(tài)氮的還原受到阻礙[16]。當(dāng)修復(fù)后期COD濃度較低、微生物所需碳源不足時，枯草芽孢桿菌的同化受到抑制，去除效果變得緩慢，氨氮濃度變化不大，趨于穩(wěn)定。

2.4 總磷的變化

從湖泊修復(fù)前后水體中總磷（TP）隨修復(fù)時間的變化（圖5）可以看出，使用微生物復(fù)合修復(fù)劑前期（2018年6月）湖泊TP濃度降低明顯，與未實施生物修復(fù)前相比，TP去除率為62.6%。隨著修復(fù)時間的不斷增加，水體中TP濃度呈下降趨勢，修復(fù)中期（2018年11月），TP濃度降低至0.27 mg/L，去除率達到94.9%;修復(fù)后期，TP濃度趨于穩(wěn)定，2019年1月降到最低（0.09 mg/L），相對于修復(fù)前，TP去除率最高，達到98.3%。

由于微生物復(fù)合修復(fù)劑中含有鐵、鋁等微量元素，可以與湖水中的可溶性磷發(fā)生絮凝沉淀反應(yīng)，生成磷酸鹽沉降于湖底沉積物中;在堿性環(huán)境下，部分鐵鹽和鋁鹽會生成對應(yīng)氫氧化物，也會起到助凝劑的作用，從而促進磷酸鹽的絮凝沉淀反應(yīng)。已有研究表明，當(dāng)水體溶解氧濃度較高時，湖底沉積物幾乎不會向水體中釋放磷，即好氧可以抑制磷的釋放，厭氧加速磷的釋放[10]。修復(fù)后期，湖泊中沉水植物的覆蓋可以有效減少水-沉積物界面的擾動，降低沉積物中磷的釋放;沉水植物的生長可以直接從水中吸收磷素，并同化為自身的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，從而促進水體中磷營養(yǎng)元素的去除。

2.5 浮游植物的變化

生物指標(biāo)是衡量水質(zhì)質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，為了監(jiān)測湖泊中生物指標(biāo)的變化，定期取水樣檢測，分析湖泊中生物的生長變化情況。取樣時間分別為修復(fù)前期（2018年6月）、修復(fù)中期（2018年11月）、修復(fù)后期（2019年1月）;取樣頻率為每周2次，并計算出月平均值。

湖泊修復(fù)前后水體中浮游植物豐度及比例隨修復(fù)時間的變化如圖6所示。從圖6可以看出，隨著時間的增加，浮游植物的豐度逐漸下降，從最高豐度10.70×104 cell/L降低至0.87×104 cell/L。修復(fù)前期，湖泊水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，氮磷含量較高，浮游植物的豐度也處于較高水平;隨著修復(fù)進程的推進，水體氮磷含量逐漸下降，到了修復(fù)后期浮游植物的豐度降到最低。湖泊不同時期生物指標(biāo)的變化如表1所示，由表1可知，湖泊整體屬于富營養(yǎng)、混合的渾濁水體。在整個修復(fù)過程中，絲狀藍(lán)藻比例處于較高水平，球狀藍(lán)藻逐漸消失，浮游植物的豐度不斷降低，說明湖泊富營養(yǎng)化得到有效改善，修復(fù)后期湖泊生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定。沉水植物與浮游植物均為湖泊中主要初級生產(chǎn)者，在生長過程中兩者之間會競爭湖泊中的營養(yǎng)鹽與光照;同時沉水植物具有化感作用，可以抑制浮游植物的生長，隨著沉水植物的構(gòu)建，浮游植物生物量也會明顯降低[17]。

3 結(jié)論

該研究周期為2018年6月至2019年2月，通過微生物復(fù)合修復(fù)劑和沉水植物對富營養(yǎng)化湖泊實施生態(tài)修復(fù)，并對湖泊水體的pH、透明度、DO、ORP、COD、NH3-N和TP等理化指標(biāo)進行連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)對湖泊實施生態(tài)修復(fù)技術(shù)后，湖水的透明度、DO和ORP都呈上升趨勢，水體pH維持在6.0～9.0，透明度、DO和ORP最高值分別可以達到130 cm、8.21 mg/L和278 mv。

（2）修復(fù)后期，COD、NH3-N和TP濃度比修復(fù)之前分別下降了94.3%、92.0%和98.3%，表明生態(tài)修復(fù)技術(shù)對控制湖水COD、NH3-N和TP具有顯著效果。

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