湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理及EM技術(shù)研究進(jìn)展

王興順

（鴻宇勘測(cè)咨詢服務(wù)（常州）有限公司，江蘇 常州 213000）

引 言

湖泊是地球上重要的淡水資源庫(kù)，與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)，在流域生態(tài)、生活供水、氣候調(diào)節(jié)、調(diào)蓄洪水等方面有著不可替代的作用。中國(guó)湖泊眾多，全國(guó)共有1 km2以上的湖泊2 759個(gè)，總面積約91 019 km2，占我國(guó)國(guó)土面積的0.95%，其中約三分之一的湖泊為淡水湖泊。幾十年來(lái)，隨著人類干預(yù)活動(dòng)的加劇，很多湖泊出現(xiàn)了湖面萎縮、水質(zhì)下降、富營(yíng)養(yǎng)化等水環(huán)境問(wèn)題，相應(yīng)地，其供水能力、洪水調(diào)蓄能力等社會(huì)服務(wù)功能都大大減弱，這些都極大地影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

其中，由湖泊富營(yíng)養(yǎng)化引起的一系列水環(huán)境問(wèn)題引起了社會(huì)的高度關(guān)注，比如富營(yíng)養(yǎng)化比較嚴(yán)重的滇池、巢湖、太湖，一時(shí)成為社會(huì)討論的焦點(diǎn)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的治理，取得較大成效，但依然任重道遠(yuǎn)[1]。

本文主要綜述了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生機(jī)理及主要治理方法，并試圖從微生物的層面探索EM技術(shù)在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理中的應(yīng)用。

1 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生及治理措施

1.1 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的原因

富營(yíng)養(yǎng)化（Eutrophication）這一詞匯來(lái)源于拉丁語(yǔ)，基本含義是營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)剩[2]。富營(yíng)養(yǎng)化本來(lái)是水體自然狀態(tài)下的演化進(jìn)程，但由于人類活動(dòng)的干預(yù)，湖泊的這一演化進(jìn)程大大加快，大量的湖泊出現(xiàn)了人為富營(yíng)養(yǎng)化情況。富營(yíng)養(yǎng)化主要表現(xiàn)為水體初級(jí)生產(chǎn)力即浮游植物豐度和生物量的異常增大。

Shelford[3]在1911年提出：生物對(duì)各種環(huán)境因子的適應(yīng)有一個(gè)生態(tài)學(xué)意義上的最小量和最大量，它們之間的幅度稱為耐受限度或生態(tài)幅，超出了這個(gè)閾值范圍，就會(huì)影響生物的生長(zhǎng)和發(fā)育而成為限制性因子。對(duì)于影響浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽限制因子來(lái)說(shuō)，就是接近或超過(guò)浮游植物的耐受極限，以致妨礙其生存、生長(zhǎng)、繁殖和擴(kuò)散的營(yíng)養(yǎng)鹽。Stumm[4]曾對(duì)藻類的化學(xué)成分進(jìn)行過(guò)分析研究，提出了藻類的“經(jīng)驗(yàn)分子式：C106H263O110N16P”，根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)分子式，計(jì)算出磷在藻類分子量中所占的重量百分比最小，氮次之，氧所占的重量百分比最大。Sundareshwar[5]的相關(guān)研究結(jié)果表明，影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的因子眾多，如C、N、P、Si、Fe等，均可能成為水生生態(tài)系統(tǒng)的限制性營(yíng)養(yǎng)因子。

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生可歸因于氮、磷等生源要素的過(guò)快、過(guò)多積累。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要表現(xiàn)為湖泊內(nèi)TN、TP負(fù)荷過(guò)高，超過(guò)湖體本身的自凈能力。人類在一定時(shí)期內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，一方面以點(diǎn)、面源形式通過(guò)河道溝渠等徑流向湖泊水體排放工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)污水，另一方面破壞了水生生物生態(tài)系統(tǒng)，減小了湖體環(huán)境容量，湖泊沿岸的各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的擾動(dòng)，加速了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在巢湖流域（1995年），農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)了63%的TN和73%的TP；在太湖流域（1994年），生活污水貢獻(xiàn)了60%的TN，農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水分別貢獻(xiàn)了TP的37.5%和25%[6]。

1.2 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理措施

隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化引發(fā)的各種問(wèn)題的凸顯，如2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)，人們開展了大量的關(guān)于富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生機(jī)理和治理措施的研究和實(shí)踐工作，形成了一系列、多角度的治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的技術(shù)措施[7-17]。近些年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理工作并不能局限于湖泊本身或者某一單一治理措施，基于流域尺度的綜合治理方法是治理錯(cuò)綜復(fù)雜的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的較好選擇。

1.2.1 物理化學(xué)方法

（1）營(yíng)養(yǎng)鹽減排控制技術(shù)

營(yíng)養(yǎng)鹽的過(guò)量富集是導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的直接原因，所以從工業(yè)點(diǎn)源污染、農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水污染等各種源頭控制營(yíng)養(yǎng)鹽的量是非常有力的措施。這主要包括工業(yè)減排、農(nóng)業(yè)合理施肥及各種廢水處理工藝。

（2）營(yíng)養(yǎng)鹽抑制或去除技術(shù)

研究表明，湖泊內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)鹽釋放是影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素[18-19]。利用沉積物氧化、化學(xué)沉淀、底泥覆蓋等措施，可以使底泥處于氧化狀態(tài)或增加沉積物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的束縛能力，或是在沉積物表面形成覆蓋層，從而抑制內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放[20]。還可直接進(jìn)行底泥疏浚，其適用條件及長(zhǎng)期效果與湖泊大小、類型以及水動(dòng)力條件等有關(guān)[21-22]。

1.2.2 生物技術(shù)

1.2.2.1 微生物方法

湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的微生物在維系生物鏈和新陳代謝、促進(jìn)環(huán)境的物質(zhì)能量循環(huán)和信息傳遞方面發(fā)揮著重大作用。所以在治理富營(yíng)養(yǎng)化方面，微生物方法也是一個(gè)有效的方向。比如，利用微生物的反硝化作用去除水體中的氮。有實(shí)驗(yàn)表明，在小型湖泊中，合理地加入微生物制劑后，總氮、總磷、COD等指標(biāo)明顯降低，對(duì)水體的透明度、葉綠素a含量的改善有明顯效果[23]。

1.2.2.2 水生植物凈化

利用水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽類的吸收、過(guò)濾和吸附作用，減少或者固化湖體營(yíng)養(yǎng)鹽。比如利用這一原理發(fā)展起來(lái)的生態(tài)浮床技術(shù)，水生植物所起到的作用主要有以下三個(gè)方面：①水生植物的同化作用。水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中合成自身所需各類物質(zhì)需要不斷從水體中吸收各類元素，不同植物的同化作用各異。②植物根系的物理化學(xué)作用。水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)形成非常密集的根系，相互纏繞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并伴隨一定的分泌物，對(duì)流過(guò)其中的各類污染物形成截留、吸附、絮凝、螯合等效應(yīng)，能夠達(dá)到一定的污染物去除效果；另外密集生長(zhǎng)的水生植物莖葉對(duì)污染物也具有一定的攔截效果。③吸附在水生植物根系的微生物降解作用。水生植物根系具有巨大的比表面積，其表面可吸附生長(zhǎng)大量的、生理生化特性各異的微生物，這些微生物可大量增殖，進(jìn)而較好地降解各類污染物[24]。

1.2.3 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要是從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康的角度出發(fā)，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和層次多樣性，同時(shí)，其相應(yīng)功能也能得到恢復(fù)。而一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為具有較好的穩(wěn)定性以及自凈能力和自我恢復(fù)能力，這些能力的恢復(fù)對(duì)于湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽耐受能力的提高和營(yíng)養(yǎng)化水平穩(wěn)定性的保持都是十分重要的。

所以，將湖泊生態(tài)系統(tǒng)從一個(gè)嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自然的、健康的、功能比較完備的狀態(tài)是富營(yíng)養(yǎng)化治理的目標(biāo)。有學(xué)者將湖泊生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換歸納為四個(gè)過(guò)程：外部環(huán)境的擾動(dòng)、生態(tài)系統(tǒng)的反彈、臨界閾值的達(dá)到、生態(tài)系統(tǒng)變化的延遲，并認(rèn)為對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，生態(tài)恢復(fù)就是利用各種干預(yù)措施，把藍(lán)藻水華頻發(fā)、水質(zhì)較差的富營(yíng)養(yǎng)化藻型湖泊生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為水生植物茂盛、水質(zhì)清澈的草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)[25]。

另一方面，湖體外流域生態(tài)系統(tǒng)的部分功能有利于入湖營(yíng)養(yǎng)鹽量的控制，比如，人工濕地技術(shù)，這一技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于流域各個(gè)部分的污染治理。人工濕地系統(tǒng)可有效降低湖泊污染負(fù)荷，對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的非生物環(huán)境進(jìn)行有效調(diào)控，研究表明，濕地對(duì)于氮、磷有較好的去除效果。

2 EM技術(shù)

2.1 EM菌簡(jiǎn)介

EM菌（Effective Microorganisms）為有效微生物群的英文縮寫，也被稱作EM技術(shù)（EM Technology）。它包括光合細(xì)菌、乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、醋酸菌、雙歧桿菌、放線菌七大類微生物中的10屬80種微生物，這些微生物以特定的比例組成的菌群能非常有效地提高對(duì)有機(jī)物的分解效率。這項(xiàng)技術(shù)是由世界著名應(yīng)用微生物學(xué)家日本琉球大學(xué)比嘉照夫教授在20世紀(jì)70年代首先發(fā)明的，目前是世界上應(yīng)用范圍最大的一項(xiàng)生物工程技術(shù)，在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、廢水處理、水體凈化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 EM技術(shù)的基本原理

根據(jù)微生態(tài)學(xué)的原理，EM中兼有厭氧和好氧微生物，其生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的分泌物成為各自或相互間生長(zhǎng)的基質(zhì)和原料，通過(guò)這種共生關(guān)系，得以形成一個(gè)復(fù)雜而穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)，可提高有機(jī)物的降解效率，同時(shí)發(fā)揮多種功能。所以，通過(guò)嚴(yán)格控制各種條件，充分利用各菌群的共生增殖作用，形成較好的微生態(tài)系統(tǒng)，從而更加高效地完成各類污染物降解等復(fù)雜過(guò)程。通過(guò)這一微生態(tài)系統(tǒng)的帶動(dòng)作用，激活水體中具有凈化功能的原生動(dòng)物、微生物和水生植物，從而形成自凈能力較強(qiáng)的良性水生生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 EM技術(shù)在我國(guó)水域凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用

首先，EM技術(shù)在水環(huán)境領(lǐng)域主要用于工業(yè)廢水、生活污水和養(yǎng)殖廢水的凈化。張鳳杰、楊寶靈[26]等按VEM/V污水比1/2 000向活性污泥中加入4 mL EM原液進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果顯示污泥的沉降性能好，污泥產(chǎn)量減少了約20%。當(dāng)水力停留時(shí)間為6 h，COD、BOD5、氨氮和總氮的去除率分別為95.92%、99.03%、91.87%和96.77%；有關(guān)研究在青蝦和常規(guī)魚養(yǎng)殖池利用EM菌制作EM發(fā)酵基肥，潑灑于池塘中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)pH無(wú)明顯變化，透明度有所改善，3天內(nèi)溶解氧平均增加48%，氨氮平均下降57%。

近年來(lái)，隨著EM技術(shù)在種植、養(yǎng)殖、廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對(duì)于該技術(shù)的熟悉和掌握程度逐漸加強(qiáng)，EM技術(shù)對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體治理方面的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用也逐漸增多。2000年，中山大學(xué)開展的實(shí)驗(yàn)表明，EM技術(shù)對(duì)污染水體的透明度、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a均有明顯的改善效果[23]。2006年，在無(wú)錫市宜興大浦鎮(zhèn)浦南村的浦南、厚和、河瀆3個(gè)自然村，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院實(shí)施了前置庫(kù)面源污染強(qiáng)化凈化示范工程，利用篩選的土著微生物建立微生物－水生生物強(qiáng)化系統(tǒng)，對(duì)區(qū)域地表徑流和其他污染源中的營(yíng)養(yǎng)鹽、懸浮固體、有機(jī)污染物進(jìn)行攔截，有效減少了太湖入湖污染負(fù)荷[27]。隨后，在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上開展了大量的實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的效果，特別是在小型水體富營(yíng)養(yǎng)化治理和營(yíng)養(yǎng) 鹽的去除工作中。

綜上所述，首先，EM技術(shù)對(duì)于各類廢水的處理，可大大降低其營(yíng)養(yǎng)鹽類含量，這直接減小了湖泊外源性營(yíng)養(yǎng)鹽入湖壓力；另一方面，EM技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)，如水生植物凈化技術(shù)，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的湖體進(jìn)行綜合治理可直接產(chǎn)生較好的效果。

2.4 EM技術(shù)在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理中的限制性因素

EM技術(shù)雖然在實(shí)驗(yàn)條件下和小型水體中顯示了較好的營(yíng)養(yǎng)鹽類去除效果，但直接應(yīng)用于湖泊，特別是水力條件和環(huán)境比較復(fù)雜的較大型湖泊時(shí)，出現(xiàn)了比較多的限制因素：

（1）湖泊水體中可能存在抑制EM菌群的物質(zhì)；

（2）所需菌群難以在湖泊中形成優(yōu)勢(shì)種；

（3）水體的流動(dòng)性弱化了菌群的作用。

3 結(jié)語(yǔ)和展望

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)具有時(shí)空差異性的復(fù)雜問(wèn)題，對(duì)于其具體發(fā)生機(jī)理尚有爭(zhēng)論。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理工作不是一蹴而就的，而是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。目前，對(duì)于其發(fā)生機(jī)理，特別是在沉積物內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)鹽釋放和固化機(jī)理的研究方面尚有很多工作要做。在治理過(guò)程中，要以更大的視野，從更廣的尺度上進(jìn)行流域的綜合管理，根據(jù)不同湖泊的不同情況，制定綜合治理措施，采取相對(duì)應(yīng)的各種技術(shù)手段。另外，對(duì)于各種具體治理技術(shù)的研究還有待深入，特別是在微生物領(lǐng)域，各種菌群相互影響機(jī)理和有利于治理富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生條件的研究是其中的重要環(huán)節(jié)。