湖泊富營養化生物—生態修復的理論和實踐
來源： 閱讀：5717 更新時間：2011-11-14 15:02一、綜述：
1.我國湖泊污染狀況
我國大部分湖泊水體水質下降，生態系統退化，藍藻水華頻繁爆發，湖泊富營養化呈現迅猛發展的趨勢。國家環抱總局2005年一月地表水水質報告顯示；包括太湖、巢湖、滇池在內的我國大中型湖泊富營養化形式十分嚴峻。據水利部最新的全國淡水資源質量評價，我國131個大型湖泊中，達富營養化程度的湖泊67個。城市近郊水體富營養化程度普遍偏高，如杭州西湖、南京玄武湖、云南滇池、合肥巢湖及武漢東湖等均達到高度富營養化程度。而有關部門近年對100余座水庫的水質評價表明，13座水庫為富營養性，22座水庫受不同程度污染，這些受污染的水庫往往是城市供水的重要水源。
2.湖泊富營養化現象描述
（1）在富營養階段，水中藻類的種類減少而個體數猛增，(如曾測得水華銅綠微囊藻及水華束絲藻數達13.6 X 10 5 / mL。)
（2）由於優勢種類所含色素不同，使水體呈藍、紅、棕、乳白等不同顏色。
（3）富營養化現象多發生在一些水體交換率較低之處，如湖泊或海灣等處，在內陸湖泊中發生者，稱為水華(水花，water bloom)在海洋則稱為赤潮(紅潮，red tide)。
3.湖泊富營養化的危害
（1）水體外觀顏色改變，變濁，影響景觀。如海水富營養化時，有時會呈現紅色。
（2）水中散發不良味道。
（3）溶氧量下降。
（4）水生生物大量死亡，原因可能為缺氧或阻礙呼吸。
（5）有些藻類會產生毒素，可能直接危害人體健康。
（6）導致水處理上之困難，并使水質品質下降。
4.湖泊富營養化的各項指標
目前一般采用的富營養化指標是：
（1）水體含氮量大於0.2 - 0.3 mg /L。
（2）含磷量大於0.01 - 0.02 mg/L。
（3）生化需養量大於10 mg /L。
（4）細菌總數(淡水中)達10萬個/mL。
（5）葉綠素a(藻類生長的標志)大於10 μg/L。
二、湖泊污染的對策
1.湖泊污染治理的難點
湖泊富營養化的實質是活性氮磷元素不斷從污染源進入水體，且未被清除或轉化為非活性物質。污染源主要是農業生產過程中富含氮磷農田排水與地表水及人類生活和工業污水，此外還有湖底淤泥中氮磷的不斷釋放。目前，包括太湖滇池在內的眾多湖泊，當地政府部門都在采取積極措施控制污染源，這為對湖泊富營養化水體進行治理，恢復水體功能創造了條件。但是，如何治理富營養化，恢復湖泊水體功能是個世界難題。在過去幾十年中，世界各國科學家嘗試了包括物理、化學、生物三大類幾十種方法，或工程費用昂貴，或二次污染嚴重，或治標不治本，或治理速度緩慢，效果不盡人意。
2.湖泊治理的對策
從湖泊富營養化的定義出發，去除氮、磷的污染是湖泊治理首先要解決的問題，排除湖泊由于特殊原因造成的污染，從一般意義上說，湖泊污染就是水體的富營養化。對氮、磷的去除采用物理化學方法是很不理想的（物理化學方法包括：機械過濾、臭氧、電化學），原因很簡單：從機理上說，氮、磷在受污染的湖泊中的存在形態多為有機態，機械過濾對于這種狀態污染物的去除效果不佳；而臭氧和電化學即便有很強的氧化能力，但是由于投資過高，對于治理湖泊富營養化而言是不切實際的。
以現在技術和經濟的可行性而言，生物法無疑是湖泊治理最好的選擇。其中生物法可以分為幾個部分，城市污水的生物處理工藝、生物修復和生態修復。就湖泊本身而言，污染物的來源也是湖泊治理需要考慮的重要因素。在湖泊富營養化水體的控制措施中，減少外源性污染物質尤其是外源性營養物質進入湖泊，是控制湖泊富營養化的關鍵措施之一。
3.生物處理技術和生物修復技術
生物處理技術、生物修復技術和生態修復技術都是屬于生物技術。它們之間有很明顯的區別也有相同的地方。以下以河流流域的的各種生物工藝為例對這幾種技術進行比較：
表一：河流生物修復工程與城鎮污水處理廠的異同
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內容
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河流生物修復工程
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城鎮污水處理廠
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相同點
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利用微生物凈化污水的特點和規律，對受污染水體（河流）進行凈化處理的技術
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利用微生物凈化污水的特點和規律，對用管道收集到的社區污水進行凈化處理的技術
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不同點
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處理過的河水一般必須重新流入河道
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出水可排入河流，也可用作市政回用、沖廁、農灌
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水質量
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河水濃度相對較低、變幅很大
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進水污染物濃度高、變化小
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從表中可以看出，生物修復技術和城鎮污水處理廠的原來上是一樣的，都是利用微生物凈化污水的特點和規律，所不同的是出水以及進水水質。就湖泊而言，從生物處理技術的角度出發，用城鎮污水處理廠的原理對湖泊進行治理是不可行的。最主要的原因在于成本上，從技術上說是完全可行的，如下圖所示：
水從湖泊中由泵抽出引入處理工藝以后，再由泵回流到湖泊中。泵的大小和處理工藝的流量要由湖泊本身的大小和受污染程度而定。由于是要對富營養化的湖泊進行治理，所以處理工藝一般采用生物處理工藝。這里有很多的可選擇性，如：SBR、UASB、AF、活性污泥等工藝。這些工藝各有其優點缺點，可以針對脫氮除磷進行組合和改進。問題是，從湖泊富營養化治理的本質出發，是要恢復湖泊本身的生態功能，如果生物水處理工藝處理的量大于湖泊富營養化的速度，在經處理過的湖泊水回流到湖泊時，處理后的水可以稀釋湖泊中的水，以達到降低富營養化的效果，可以想象，這是一個長期的過程，從設備運行和維護方面來講并非一種行之有效的方法。所以從純處理工藝的角度對湖泊進行改造的可行性并不大。所以考慮從生物修復技術和生態修復技術來研究。
4.生物修復技術和生態修復技術
生物修復技術和生態修復技術并非一個概念，即便是采用的原理和需要達到的目的也有很大的區別，要采用這兩種技術就必須對這兩種技術有足夠的認識。下面同樣以河流治理為例用一張表格將這兩種技術進行比較：
表二 生物修復技術和生態修復技術
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內容
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河流生物修復
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河流生態修復
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目標
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水質
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水生生物生存和發展的整個環境
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對象
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改善河流水生生物生存、生活和繁衍、發展的水質條件
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為水生生物或特有的生物種群提供良好的生存和發展環境。
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技術
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技術核心是微生物及微生物使用和利用
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核心技術是生態工程學和生物、生命科學
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共同點
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生態修復可以包含生物修復，生物修復可以是生態修復的一個部分或一項主要內容；兩者的共同點或共同目標都是改善或改良生物的生存和發展環境。
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不同點
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生物修復是針對水體污染的修復
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生態修復是針對水生生物及其生存環境的整體修復
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生物修復技術
簡單來說就是受污染水源的生物修復技術利用水體中生息的微生物或向水體中投加的特定微生物，在人為促進工程化條件下，分解污染物，修復受污染的環境。所以，技術的關鍵在于工程菌的培養。實際上生物修復技術就是一種生物強化技術。微生物降解有機化合物的能力是生物修復的技術關鍵。水體中存在著各種各樣的微生物，在遭受污染后，自然就存在著一個培養和馴化選擇的過程，一些特異的微生物在污染物的誘導下產生分解污染物的酶系，進而將污染物降解。但在許多條件下，土著微生物菌群馴化時間長、生長速度慢、代謝活性不高，再則，由于許多污染物如多環芳烴（PAHs）、重金屬等具有生物毒性，要實現污染水體的生物修復，必須篩選、培養和馴化出能夠降解污染物的高效工程菌。工程菌通常從受污染的土壤或水體中篩選，對其的培養和馴化可采用異步培養法、同步培養法和接種培養法。異步培養是先將篩選出工程菌在適當的培養基上加以培養，然后在培養基中逐漸提高污染物的濃度，使能夠分解污染物的菌種得到繁殖和發展，不適應的菌種則逐漸淘汰。同步培養是在培養的初期就在培養基中添加污染物并逐漸提高其濃度，該方法可縮短培養和馴化的時間。而接種培養則直接從污染狀況相同的生物修復工程中獲得工程菌，能進一步縮短培養和馴化的時間，提高馴化效果。
以下用幾個實例說明生物修復技術的可行性：
例一：徐亞同等人對上海上澳塘水體進行了生物修復性試驗（試驗規模為3600－5000m3/d，結果表明，生物修復可以消除水體黑臭，可將水中的BOD5從20mg/L降低到3mg/L，CODcr從60-70mg/L降低到30mg/L，溶解氧含量從進水的0.5mg/L左右到出水時的7.8mg/L。透明度由進水時的十幾厘米到出水時的40厘米左右。
例二：新涇港地處長寧區，為蘇州河六大支流之一，也是對蘇州河污染貢獻率最大的支流之一，此河完全呈嚴重富營養化狀態，黑臭十分嚴重。該項目在市領導的批準下，利用生物修復技術，將留學生企業“上海玉壘環境生物技術有限公司”的產品YL活性生物復合劑（含分子篩）H15按0.36kg／m2（LD 50＞400mg／L）劑量，投入新涇港試驗段的膠狀污泥中；此次試驗YL劑－H15（含分子篩）單位面積費用52.00元／m2，歷時七個月試驗段底泥有機污染降解率達到30%以上；其中底泥有機質去除率2.04%～62.5%、TN去除率2.1%～66.1%、TP去除率3.91%～40.8%；底泥滲出液COD去除率20%～86.4%、底泥滲出液TN去除率13.3%～80.5%、底泥滲出液TP去除率33.8%～91%；底泥黑臭明顯減弱，色澤由黑轉褐，趨向礦化過程；底泥中H15菌劑回收，存活狀況良好。
從兩例可以看出，針對不同程度污染的湖泊，需要培養特定的菌群進行生物強化，通過投加環境有益微生物，強化湖泊中的優勢微生物，可有效抑制有害微生物和有害藻類的生長繁殖，促進微生物對湖泊營養物質的吸收與消減等，氮素在微生物的作用下，經硝化和反硝化作用脫氮。富營養化湖泊微生物修復，不破壞水生態平衡，不污染環境，而且微生物還可作為魚類、蝦和蟹等的餌料。當湖泊中的營養物質被微生物消減到一定程度時，其生長因缺乏營養受到抑制，因此不會造成微生物的大量繁殖。
研究人員應用優勢菌劑處理城市湖泊水體的試驗表明，投加光合菌、硝化菌、復合菌的混合液對水中的濁度、葉綠素a有明顯的去除效果。應用EM有效微生物群菌劑，對已重度富營養化的人工湖修復試驗表明，有效微生物菌群對水體的透明度、葉綠素a含量的改善有明顯效果，可有效抑制藻類的生長，防止水華的發生，改善景觀。
生態修復技術
生態恢復——根據生態學原理，通過一定的生物，生態以及工程的技術與方法,人為地改變和切斷生態系統退化的主導因子或過程，調整、配置和優化系統內部及其外界的物質，能量和信息的流動過程和時空次序，使生態系統的結構，功能和生態學潛力盡快成功地恢復到一定的或原有乃至更高的水平。
恢復生態學——研究生態系統退化的原因,退化生態恢復與重建的技術與方法,生態學過程與機理,是一門理論性與實踐性都很強的學科。
從生態概念看富營養化湖泊應該為：人為干擾和影響——藻類大量增生——水生植被衰退——生物多樣性下降——水質迅速惡化——湖泊功能下降。
①修復措施從修復性質來說可以分為點源和面源
點源：環境技術——用水處理技術消除進入湖泊水體中的N、P和有機污染物等。
面源：生態技術——改善生態系統和周圍環境，減少不利理化因素(N、P和有機污染物)和生物因素。
②修復措施從機理上講可以從以下幾個方面論述
恢復水生植被——根據湖泊水生植被自身的演替規律和水生植物的生理生態特征，選擇耐污性強的植物作為先鋒種類，然后逐步對水生植被的結構加以優化。
優化水產養殖結構，恢復生態系統平衡——在湖泊富營養化過程中，水生植被本身也發生演替變化,以適應不同的營養水平和水環境條件。
從以上的分析可以看出，生態修復的出發點是使生態系統結構、功能和生態學潛力盡快成功地恢復到一定的或原有乃至更高的水平。就湖泊富營養化的治理而言，水體生態修復技術無論從處理效果或是從長遠來看都是一個很好的方法，因此選定方法為生態修復法中的人工濕地法。
三 人工濕地治理湖泊富營養化
1.人工濕地技術的基本類型
人工濕地技術由天然濕地發展而來，是由特定介質（按一定比例設計的填料，如土壤、砂、或礫石等），特定的植物（去污性能好、成活率高、耐水潰性強、生長期長、美觀且有經濟價值的水生或濕生植物）所組成的復雜、獨特的生態系統。它改變了濕地的傳統形態，通過科學的設計和改造，用自然生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用來實現對水體的凈化。
按污水在人工濕地中流動的方式，一般可降人工濕地分為三種類型：表面濕地、潛流濕地和垂直流濕地。
2.人工濕地去除營養物質的機理
人工濕地有著獨特的吸附、降解去除水中多種污染物的功能。在這一過程中主要包括復雜界面的過濾過程和生存于其間的多樣性生物群落與其環境間的相互作用過程。氮、磷等營養物質濃度的提高是導致湖泊富營養化的關鍵因素。人工濕地系統中氮的去除主要依靠微生物的分解轉化作用和植物的吸收同化作用完成的。進入濕地系統中的氮主要以有機氮和氨氮的形式存在。在人工濕地系統內，植物光合作用過程中降氧通過植株—根系向濕地床輸送，使得系統內部存在許多好氧、缺氧和厭氧微環境，為微生物的硝化和反硝化作用創造了良好條件。首先，水中的有機氮被異養微生物轉化為氨氮，而后硝化細菌在好氧環境下降氨氮轉化為亞硝態氮和硝態氮，最后通過反硝化微生物的脫氧作用以及植物根系的吸收作用降無機氮從水中去除。人工濕地對磷的去除作用包括介質的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除等。無機磷的吸收和過濾去除作用因濕地床的填料不同而存在差異。植物生長過程中因濕地床的填料不同而存在差異。植物生長過程中通過同化作用降無機磷變成植物體的組成部分，最后通過收割去除。微生物對磷去除包括對磷的正常吸收和對磷的過量積累，不同含氧狀態對磷的正常吸收和對磷的過量積累，不同含氧狀態的人工濕地根區類似于污水脫氮除磷系統的A-A-O處理單元，使某些細菌在厭氧條件下吸收低分子的有機物（如脂肪酸），同時降細胞原生質中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來（釋磷），并提供必須的能量以便它們在好氧條件下從水中吸收超過其生長所需的磷（聚磷），并以聚磷酸鹽的形式的形式成為微生物細胞的內含物而被貯存起來，因此人工濕地有較高的除磷效果。
3.人工濕地應用實例
國外應用人工濕地凈化污染水質方面已有許多成功的實例。德國利用水平流和垂直流濕地蘆葦床系統處理富營養化水體中營養物質（N、P等），并進行比較，結果表明，超過90%的有機污染和N、P等污染被去除。美國田納西州人工濕地系統試驗在不同水力負荷下對氨氮、總氮的去除規律，實驗結果表明，二級系統氨氮去除率較一級系統高20%~50%，周期性落干可提高氨氮的去除率，水力停留時間的增長可以改善總氮的去除效果。加拿大潛流蘆葦床濕地系統在植物生長旺季中的TN平均去除率為60%、TN為53%、TP為73%，磷酸鹽平均去除率為94%。英國蘆葦床垂直流中試系統用語處理高氨氮污水，平均去除率可達93.4%。
我國進行人工濕地處理系統研究開始于“七五”期間，起步較晚，應用也較少，主要有天津蘆葦濕地工程、北京昌平自由表面流人工濕地和深圳白泥坑人工濕地等。“八五”期間我國進行了全國范圍的土地處理系統研究，但對人工濕地技術的研究還相對落后，應用范圍較窄，主要集中在小試和中試規模的機理研究上，隨著人工濕地技術認識的不斷進步，人工濕地在我國的應用越來越廣泛，目前已有許多人工濕地工程投入運行，并達到了良好的效果。沈陽滿堂河生態悟水處理示范廠采用以人工濕地處理為主，浮動生物床預處理為輔的組合工藝，主要處理污染較重的滿堂河水及沿岸的重點生活污染源排水，其出水水質達到了回用于景觀的水質要求。深圳洪湖人工濕地采用復合垂直流濕地系統，將污染較重的布吉河水通過濕地凈化為洪湖補充清潔水，其出水水質參數中非離子氨和BOD能達到Ⅰ類水質標準，COD能達到Ⅱ類標準，TN和TP能到到湖泊水庫Ⅳ類標準；處理出水DO大大增加，各項污染指標的去除率均在80%以上。
近年來，我國湖泊富營養化日益嚴重，人工濕地在富營養化外源控制中的作用也逐步受到重視，但利用人工濕地技術控制技術控制湖泊富營養化外源污染的研究在我國剛剛起步，目前大多數研究和應用都集中在富營養化水體的治理方面。1994年，我國在滇池建立的人工濕地系統用以處理滇池流域農業面源污染，根據14個月運行檢測，該濕地系統對TN平均去除率為35.5%~60%左右，對TP平均去除率為24.4%~47.8%。2002年，中國科學院南京地理與湖泊研究所和云南玉溪市環科所設計的撫仙湖人工構造濕地開始投入運行，檢測結果表明對各項污染指標的去除率分別達到：COD 87.8%、BOD 68.7%、SS 96.3%、TP 32.4%、TN 36.0%，出水水質也由處理前的Ⅳ類水質提高到Ⅲ類水質。2002年官廳水庫潛流人工濕地處理系統，對官廳水庫受污染水進行處理，結果表明當進水中的TN和TP濃度分別在5.0~9.0mg/L和0.65~0.85mg/L之間波動時，潛流人工濕地對它們的去除率分別為50%和40%左右，在夏季，系統對COD和NH4-N的去除率可達50%到70%。
4.生物修復工藝和人工濕地工藝結合（自適應生物反應器）
該項組合技術將低能耗生物反應器與酶促生態系統等污水處理單元通過技術集成和優化組合，形成城市污水處理與回用的高效率、低能耗的生物/生態組合工藝。
低能耗生物反應器：一體化自響應節能生物反應器由多功能區（根據不同運行模式可分別按厭氧、補氧及強化絮凝三種功能運行）、生化反應區（根據不同運行模式可按缺氧、好氧或兼性反應運行）和沉淀區三部分構成。可根據進水水質、水溫等因素的變化以及處理水排放或回用要求，通過進出水、回流污泥的閘門切換，在同一反應器內分別變換三種不同的運行模式。生化反應區內植高密人工馴化、選育適宜于常溫低濃度污水的優勢厭氧與兼氧菌混合微生態群體，反應與傳質基于細胞尺度，微生物處于高活性反應區間；反應區內存在隱吸環流混合與高生物量反應；以低壓高速流體激波強烈切割厭氧生物絮體，增大比表面積和加速底物的傳質與生物氧化過程，大幅度提高厭氧微生物的反應速率，縮短反應時間使厭氧反應池內的HRT＝8h左右，減小反應區容積，節省工程造價，節約運行費用。其COD去除率達70~80％，使厭氧段的BOD5去除達到接二級處理水平。
酶促生態系統深度凈化技術：酶促生態系統是基于人工濕地(Constructed Wetlands)的基本原理的深化應用，它綜合了表面流濕地(Surface Flow Wetlands)和潛流濕地(Subsurface Flow Wetlands)的特點，與傳統的生物處理工藝相比其作用機制及處理系統中物質的變化過程有較大差異。污水進入酶促生態系統，酶促生態系統系統中的填料表面和植物根系中生長了大量的微生物形成生物膜，污水流經酶促生態系統時大量的懸浮物（包括不溶性有機物）被截流而沉淀在基質中，有機質通過生物膜的吸附生物降解與植物的吸收得以去除；濕地床層中，植物根系具有較強的輸氧作用，可使根系周圍的微生態環境中保持較高的溶解氧，并依次形成好氧、缺氧和厭氧環境，保證了污水中的N、P不僅能被植物及微生物作為營養成份直接吸收，還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用而從污水中去除，最后通過濕地基質的定期更換或載培植物的收割而最終使污染物質從系統中去除。濕地表面種植優選根系發達、成活率高、生長周期長的植被，確保其處理性能好且具有景觀及經濟價值。
技術特點
與相同處理級別的現行工藝相比，工程建設投資節省20%以上；運行成本降低40%以上，處理總能耗節約30%以上；產生的污泥量少60%；管理要求低。
技術經濟指標
技術指標
本工藝處理城市污水，能經濟有效地達到《污水綜合排放標準》一級排放標準和市政、綠化雜用水水質標準。 經濟指標 采用生物/生態工藝處理城市污水不含折舊費的直接運行成本為：達一級排放標準0.25元/、達回用標準0.32元/。 建設污水處理廠單位投資約為900元/天左右。
四 結論和總結
本文論述了湖泊污染的最直接現象富營養化，從它的危害入手，到其起源、判斷標準，最后到它的治理方法，而治理方法中主要闡述了生物法，在生物法中分別對生物處理技術，生物修復技術和生態修復技術進行了比較，并且討論了其可行性。
生物處理技術在理論上是可行的，但在造價和資金投入方面考慮，不如生物修復技術和生態修復技術。而生物修復技術具有見效快，效果好，無二次污染等各項優點，因此在湖泊富營養化治理方面是可行的，也有很多成功的實例。但就從長遠的角度和可持續發展的角度而言，生態法才是最具生命力和經濟價值最高的方法，所以本文對生態法中的人工濕地做了比較詳細的論述，來探討生態修復技術在湖泊富營養化治理方面的可行性，最后用大量的實例論證了此法是行之有效的。
