富營養化湖泊原位生物治理技術研究進展

吳 芳,王 晟

(同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092)

富營養化湖泊原位生物治理技術研究進展

吳 芳,王 晟

(同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092)

論述了目前廣泛應用的生態修復技術,包括水生植被恢復、生物浮島技術,以及不造成二次污染的生物控藻技術,包括氮、磷循環菌和溶藻菌。分析了各技術的優缺點,對各自適用條件進行了比較,并對浮島新材料開發以及溶藻菌理論研究等方面進行了展望。

湖泊;富營養化;生態修復

根據調查資料和國內外評價湖泊富營養化指標顯示,目前我國 37個主要湖泊的富營養狀況為:中營養型和中—富營養型的占 55.8%,富營養型的占 14.7%,重富營養型的占 8.8%。太湖水質為Ⅳ類和劣于Ⅳ類的水域面積占湖泊總面積的 83%左右,滇池的水質以 Ⅳ類為主,占評價面積的69%,劣于Ⅳ類水質的水域面積占評價面積的31%。最近幾年,湖泊水環境的惡化趨勢還在發展,富營養化趨勢明顯。

通常,適宜的溫度,緩慢的水流流態,過量的總磷、總氮等營養鹽,是導致浮游藻類爆發性增殖的主要原因。但因地理特性、氣候條件、水生生態系統和污染特性等諸多差異,不同的富營養化水域采取的治理措施要結合實際情況作出選擇。

根據大量理論和實踐經驗,在對已污染湖泊外源控制基礎上,進行湖內修復成為治理富營養化的重點。目前廣泛應用的控制技術主要有:①化學方法:如加入化學藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉淀、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、機械除藻、引水沖淤等,但往往治標不治本。由于以上方法實際應用中所存在的不可避免的問題,越來越多的研究集中于尋找生態的、對環境友好的、投資少的生物方法,以下將分別從生態修復、生物控藻兩方面對湖內生物治理技術進行綜述。

1 生態修復

生態修復是按照自然界自身規律去恢復自然界的本來面貌,強化自然界自身的自凈能力去治理被污染水體,強調恢復生物群落的結構和多樣性。不僅可以有效凈化水質,而且具有顯著的經濟、環境和生態效益,主要包括水生植被恢復、生物浮島。

1.1 水生植被恢復

原位水生植被恢復系統主要有沉水、浮水、挺水植物及組合水生系統,可以有效降低水體營養鹽,控制浮游植物增長。其中常用的為沉水植物系統,有選擇地人工引進耐受性較高的先鋒物種,主要包括夏季利用的鳳眼蓮,冬季的耐寒型伊樂藻,它們在凈化水質、維持水質理化性質穩定和提高透明度方面作用顯著。

沉水植物水生系統中總磷的去除與入流總磷負荷和水力負荷成正相關性[1]。實際應用中,常對系統進行定向的優化,優化后的系統對磷的去除通常比非優化效率高。除此之外,還有很多原因造成自然水生系統磷的去除效果比優化過的系統更差。基于這個研究,在從相對短期、小尺度的研究向長期、大尺度沉水植物建造工程技術轉化過程中,對磷的去除效果推斷時,要引起注意。

水生植被恢復過程中受影響的物理因素有光強、水溫、pH值、無機營養物質、溶解氧等;生物因素為微生物、著生藻類。其中,富營養化越嚴重的水域,其水生植物上的附著生物對其生長的影響越大[2]。而營養鹽的負荷是決定草型或藻型生態系統是否穩定的先決條件,草型轉化為藻型的營養鹽濃度閾值大約在 120～150μg/L,修復的閾值大約在 70～90μg/L。而沉水植物系統只有在磷濃度降到 0.1～0.25mg/L時,而且僅僅在該范圍時,才能夠實現湖泊生態恢復。所以,入湖前的處理對磷濃度的降低很重要。

水生植物,尤其是大型植物,會影響湖泊內底泥對磷的釋放。對太湖流域常見 3種水生植物(蘆葦、苦草和菱白)根部底泥及無植物底泥進行磷釋放特性的模擬試驗結果表明,pH增大、溫度升高、厭氧狀態均可增加底泥磷釋放,pH在弱酸至中性范圍內底泥釋磷量較小,酸性和堿性條件都有利于磷的釋放。從模擬試驗結果來看,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,減少內源性磷釋放[3]。

另一需要考慮的問題是,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,從而影響營養鹽物質的循環。研究表明,苦草、金魚藻具有較低的腐爛分解速度及分解率,有利于降低營養鹽的循環速度,對控制水體富營養化比較有利,但同時還要控制殘留生物體量[4]。

除使用單一類型水生植物之外,還可以多種類型復合使用。研究表明,復合生態系統在治理水體富營養化時具有獨特優勢,它可克服單一水生植物季節性變化明顯,生物凈化作用不穩定的缺點,發揮多種水生植物在時間和空間上的差異,實現優勢互補,從而可穩定地凈化湖泊水生生態系統[5]。

1.2 生物浮島技術

生物浮島技術是按照自然界自身規律,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,通過植物根部作用削減氮、磷營養鹽物質從而達到凈化水質的效果。從本質上來看,是一種水生植物凈化過程的強化,為植物提供良好生長基質的同時,充分利用浮島材料的生物掛膜,達到微生物降解作用[6]。污染物的直接凈化主體為人工介質和水生植物單元,但在生態浮床中引入水生動物時,通過食物鏈的 “加環”作用,提高顆粒性有機物的可溶化、無機化以及可生化性,改善植物吸收以及人工介質單元生物膜中微生物的基質條件,促進微生物的生長和活性,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,且有經濟或觀賞價值的蔬菜和花卉,如水芹、莧菜、美人蕉等,植物在生長期對污染物進行吸收降解。其特征是改變生態系統的形狀,并非把營養成分搬出系統之外。由水生植物、水生動物及微生物膜構建的組合型浮床生態系統[7]對富營養化湖泊水體在動態條件下在水體交換時間為7d時,TN、TP、CODMn的去除率分別為 53.8%、86.0%和 35.4%。

人工浮島技術具有施工簡單,工期短,對周圍環境影響小,材料費用與施工費用低,供試植物和浮床載體材料來源廣,結構組裝方便,載體可移動拼裝等特點。為了提高系統的凈化效率,減少二次污染,保持系統的高效運行,種植植物種類的篩選,植物在系統運行過程中的維護和收獲的方案,植物在各個季節的搭配合理,浮島材料的改進,植物與浮島材料的相互影響作用都是提高該系統凈化效率的技術關鍵點。

2 生物控藻

通常使用的除藻材料通過吸附除藻、除藻成分溶出、遮光性及破壞藻類最佳生長條件等途徑來發揮其殺藻除藻作用,主要使用化學藥劑,效果顯著,但易產生湖內二次污染。而生物控藻技術使用生物制劑,能夠直接有效殺死或者抑制藻類生長,經濟而便于大規模使用,不造成二次污染,是一種很有前景的控藻技術。目前研究的生物控藻因子(主要是微生物制劑)主要為進行氮、磷循環或能夠溶解藻類的細菌 (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、磷循環菌

氮循環細菌[9]經人工載體培養優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載體,水體懸浮物為三級載體,將原來荒漠化水域中以水土界面為主的好氧—厭氧,硝化—反硝化條件擴大到水面和水體并提高細菌濃度,能夠增強系統凈化能力。太湖梅梁灣曾采用 PM和ACP載體進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濾器,利用其富集的有益微生物去除絲狀藍綠藻。生物過濾器內部填充了大量的有益微生物,當污水流經該過濾器時有益微生物能捕食和分解絲狀藍綠藻,成本及能耗都較低,可推廣性強。

2.2 溶藻菌

溶藻細菌 P05菌株[11]易被焦炭和彈性填料固定,經過 7d的掛膜即可以形成生物膜,藻類、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,固定程序很簡單,可推廣性強。

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

2.3 復合菌

除使用單一菌體外,還可投加復合細菌,以光合細菌為主的人工復合細菌群[14]能夠有效地降低湖水濁度,并能維持較長時間,可以有效地降低湖水藻類生物量和湖水中氨氮及總磷污染;費用少、收效快。而日本北海道松前郡觀音橋川和附近的綠川河、鳥取縣松江市掘川河、鳥取縣鳥取市湖山湖和神奈川縣鐮倉市覺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研究機構內部資料)。

3 研究展望

3.1 生物浮島新材料開發

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[16]。從國內外浮島的研究現狀[17]看,目前在工程實例中廣泛采用的是有機高分子材料載體,無機材料的浮島尚處于實驗研究階段。為改善浮島性能,減少有機高分子材料所造成的“白色污染”,研制開發用無機材料制作有機浮島載體的替代品的新型浮島載體——輕質高效微生物載體是必要的,而且具有廣闊的發展前景,其對植物及微生物膜的形成和改善作用還需進一步地研究和探索。

3.2 控藻生物制劑的理論和應用研究

控藻微生物主要為進行氮、磷循環菌,及溶藻菌。對前種微生物的研究主要集中在細菌的篩選、分離、強化,以及實際應用中的投加時期與微生物量的問題。而對溶藻菌的研究還處在理論階段,雖然國內外已經有分離并鑒定出菌種的例子,但對于其去除機理還不夠成熟,大致分為直接和間接作用。其中對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,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。從而對生物分析、鑒定手段的應用技術提出了更高的要求。

3.3 藍藻資源化處置技術

1960年,Os wald and Golueke提出概念上的技術經濟分析,“太陽能的生物轉化”建議使用大型水塘培育微藻類凈化廢水中的營養鹽,然后進行厭氧發酵使藻類生物質轉化為甲烷燃料,甲烷再轉化為電力,CO2尾氣和消化液循環到塘內促進進一步的藻類生產。過去 40a中,做過了很多研究,也提出了微藻類產沼氣和 CO2的利用概念。但是,難點在于技術的實際應用:藻類物種的選擇難度,低于期望的生物質產量和甲烷產量,尤其是采收藻類的高成本[18]。而且考慮不同時間湖泊中優勢種藻類會隨水力條件、溫度的變化而變化;同一時間同一條件下收集的藻類種類也會有所不同。另外,藻類含水量高,且含毒性藻毒素,對其預處理技術還有待進一步發展,需綜合從經濟各角度分析技術的可行性。

3.4 預警預測管理

海洋環境的監測中有利用連續浮游生物記錄(CPR)[19]判斷環境影響,做出質量狀況報告的實例,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重要因素,獲得浮游生態系統大量、長期信息的重要來源。這為監測和預測湖泊富營養化提供了有價值的模式,需要對湖泊內生態系統中土著、優勢浮游動植物信息進行采集分析,從而進一步開發出有效的技術。

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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,主要從事水環境綜合整治。