富营养化湖泊原位生物治理技术研究进展

吴 芳,王 晟

(同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

富营养化湖泊原位生物治理技术研究进展

吴 芳,王 晟

(同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

论述了目前广泛应用的生态修复技术,包括水生植被恢复、生物浮岛技术,以及不造成二次污染的生物控藻技术,包括氮、磷循环菌和溶藻菌。分析了各技术的优缺点,对各自适用条件进行了比较,并对浮岛新材料开发以及溶藻菌理论研究等方面进行了展望。

湖泊;富营养化;生态修复

根据调查资料和国内外评价湖泊富营养化指标显示,目前我国 37个主要湖泊的富营养状况为:中营养型和中—富营养型的占 55.8%,富营养型的占 14.7%,重富营养型的占 8.8%。太湖水质为Ⅳ类和劣于Ⅳ类的水域面积占湖泊总面积的 83%左右,滇池的水质以 Ⅳ类为主,占评价面积的69%,劣于Ⅳ类水质的水域面积占评价面积的31%。最近几年,湖泊水环境的恶化趋势还在发展,富营养化趋势明显。

通常,适宜的温度,缓慢的水流流态,过量的总磷、总氮等营养盐,是导致浮游藻类爆发性增殖的主要原因。但因地理特性、气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异,不同的富营养化水域采取的治理措施要结合实际情况作出选择。

根据大量理论和实践经验,在对已污染湖泊外源控制基础上,进行湖内修复成为治理富营养化的重点。目前广泛应用的控制技术主要有:①化学方法:如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等,但是易造成二次污染;②物理方法:疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等,但往往治标不治本。由于以上方法实际应用中所存在的不可避免的问题,越来越多的研究集中于寻找生态的、对环境友好的、投资少的生物方法,以下将分别从生态修复、生物控藻两方面对湖内生物治理技术进行综述。

1 生态修复

生态修复是按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌,强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体,强调恢复生物群落的结构和多样性。不仅可以有效净化水质,而且具有显著的经济、环境和生态效益,主要包括水生植被恢复、生物浮岛。

1.1 水生植被恢复

原位水生植被恢复系统主要有沉水、浮水、挺水植物及组合水生系统,可以有效降低水体营养盐,控制浮游植物增长。其中常用的为沉水植物系统,有选择地人工引进耐受性较高的先锋物种,主要包括夏季利用的凤眼莲,冬季的耐寒型伊乐藻,它们在净化水质、维持水质理化性质稳定和提高透明度方面作用显著。

沉水植物水生系统中总磷的去除与入流总磷负荷和水力负荷成正相关性[1]。实际应用中,常对系统进行定向的优化,优化后的系统对磷的去除通常比非优化效率高。除此之外,还有很多原因造成自然水生系统磷的去除效果比优化过的系统更差。基于这个研究,在从相对短期、小尺度的研究向长期、大尺度沉水植物建造工程技术转化过程中,对磷的去除效果推断时,要引起注意。

水生植被恢复过程中受影响的物理因素有光强、水温、pH值、无机营养物质、溶解氧等;生物因素为微生物、着生藻类。其中,富营养化越严重的水域,其水生植物上的附着生物对其生长的影响越大[2]。而营养盐的负荷是决定草型或藻型生态系统是否稳定的先决条件,草型转化为藻型的营养盐浓度阈值大约在 120～150μg/L,修复的阈值大约在 70～90μg/L。而沉水植物系统只有在磷浓度降到 0.1～0.25mg/L时,而且仅仅在该范围时,才能够实现湖泊生态恢复。所以,入湖前的处理对磷浓度的降低很重要。

水生植物,尤其是大型植物,会影响湖泊内底泥对磷的释放。对太湖流域常见 3种水生植物(芦苇、苦草和菱白)根部底泥及无植物底泥进行磷释放特性的模拟试验结果表明,pH增大、温度升高、厌氧状态均可增加底泥磷释放,pH在弱酸至中性范围内底泥释磷量较小,酸性和碱性条件都有利于磷的释放。从模拟试验结果来看,水生植物能在一定程度上降低湖泊底泥的总可溶性磷(TDP)含量,减少内源性磷释放[3]。

另一需要考虑的问题是,随植物体的腐败分解向水体释放氮、磷以及由此引起的部分氮、磷向底泥沉积,从而影响营养盐物质的循环。研究表明,苦草、金鱼藻具有较低的腐烂分解速度及分解率,有利于降低营养盐的循环速度,对控制水体富营养化比较有利,但同时还要控制残留生物体量[4]。

除使用单一类型水生植物之外,还可以多种类型复合使用。研究表明,复合生态系统在治理水体富营养化时具有独特优势,它可克服单一水生植物季节性变化明显,生物净化作用不稳定的缺点,发挥多种水生植物在时间和空间上的差异,实现优势互补,从而可稳定地净化湖泊水生生态系统[5]。

1.2 生物浮岛技术

生物浮岛技术是按照自然界自身规律,人工地把高等水生植物或改良的陆生植物种植到特殊材料上,通过植物根部作用削减氮、磷营养盐物质从而达到净化水质的效果。从本质上来看,是一种水生植物净化过程的强化,为植物提供良好生长基质的同时,充分利用浮岛材料的生物挂膜,达到微生物降解作用[6]。污染物的直接净化主体为人工介质和水生植物单元,但在生态浮床中引入水生动物时,通过食物链的 “加环”作用,提高颗粒性有机物的可溶化、无机化以及可生化性,改善植物吸收以及人工介质单元生物膜中微生物的基质条件,促进微生物的生长和活性,提高浮床的净化效果。

一般所用浮岛框架材料有木材、竹材、塑料管。在人工建造的浮岛上种植的植物通常为氮、磷吸收效果好,且有经济或观赏价值的蔬菜和花卉,如水芹、苋菜、美人蕉等,植物在生长期对污染物进行吸收降解。其特征是改变生态系统的形状,并非把营养成分搬出系统之外。由水生植物、水生动物及微生物膜构建的组合型浮床生态系统[7]对富营养化湖泊水体在动态条件下在水体交换时间为7d时,TN、TP、CODMn的去除率分别为 53.8%、86.0%和 35.4%。

人工浮岛技术具有施工简单,工期短,对周围环境影响小,材料费用与施工费用低,供试植物和浮床载体材料来源广,结构组装方便,载体可移动拼装等特点。为了提高系统的净化效率,减少二次污染,保持系统的高效运行,种植植物种类的筛选,植物在系统运行过程中的维护和收获的方案,植物在各个季节的搭配合理,浮岛材料的改进,植物与浮岛材料的相互影响作用都是提高该系统净化效率的技术关键点。

2 生物控藻

通常使用的除藻材料通过吸附除藻、除藻成分溶出、遮光性及破坏藻类最佳生长条件等途径来发挥其杀藻除藻作用,主要使用化学药剂,效果显著,但易产生湖内二次污染。而生物控藻技术使用生物制剂,能够直接有效杀死或者抑制藻类生长,经济而便于大规模使用,不造成二次污染,是一种很有前景的控藻技术。目前研究的生物控藻因子(主要是微生物制剂)主要为进行氮、磷循环或能够溶解藻类的细菌 (溶藻菌)。湖泊中加入微生物制剂后,溶解氧 (DO)大幅增加,而 COD、总氮、总磷等则明显降低[8]。

2.1 氮、磷循环菌

氮循环细菌[9]经人工载体培养优化后释放到自然水体,以自然生物载体,其它人工载体和底泥为二级载体,水体悬浮物为三级载体,将原来荒漠化水域中以水土界面为主的好氧—厌氧,硝化—反硝化条件扩大到水面和水体并提高细菌浓度,能够增强系统净化能力。太湖梅梁湾曾采用 PM和ACP载体进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,去除该地水源水中的氮、磷污染物[10]。日本湖泊治理中曾使用生物过滤器,利用其富集的有益微生物去除丝状蓝绿藻。生物过滤器内部填充了大量的有益微生物,当污水流经该过滤器时有益微生物能捕食和分解丝状蓝绿藻,成本及能耗都较低,可推广性强。

2.2 溶藻菌

溶藻细菌 P05菌株[11]易被焦炭和弹性填料固定,经过 7d的挂膜即可以形成生物膜,藻类、去除率分别在 80%、52%以上。而焦炭和弹性填料很便宜,且生物降解性低,固定程序很简单,可推广性强。

从云南滇池[12]中分离出了一种溶解浮游植物,对控制水华有很重要作用的细菌,具有细胞溶解酶活性,能够溶解形成水华的藻青菌。孙珮石[13]等人进行的滇池湖边 300m2水面围栏扩大试验结果显示,其制作的新型除藻材料放入试验区水体 10d后,水体中藻类含量明显减少,水体透光率从55%增加到 80%,水质状况也有很大改善。

2.3 复合菌

除使用单一菌体外,还可投加复合细菌,以光合细菌为主的人工复合细菌群[14]能够有效地降低湖水浊度,并能维持较长时间,可以有效地降低湖水藻类生物量和湖水中氨氮及总磷污染;费用少、收效快。而日本北海道松前郡观音桥川和附近的绿川河、鸟取县松江市掘川河、鸟取县鸟取市湖山湖和神奈川县镰仓市觉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研究机构内部资料)。

3 研究展望

3.1 生物浮岛新材料开发

以上所提的浮岛材料具有易烂、被腐蚀、易引起二次污染的特点[16]。从国内外浮岛的研究现状[17]看,目前在工程实例中广泛采用的是有机高分子材料载体,无机材料的浮岛尚处于实验研究阶段。为改善浮岛性能,减少有机高分子材料所造成的“白色污染”,研制开发用无机材料制作有机浮岛载体的替代品的新型浮岛载体——轻质高效微生物载体是必要的,而且具有广阔的发展前景,其对植物及微生物膜的形成和改善作用还需进一步地研究和探索。

3.2 控藻生物制剂的理论和应用研究

控藻微生物主要为进行氮、磷循环菌,及溶藻菌。对前种微生物的研究主要集中在细菌的筛选、分离、强化,以及实际应用中的投加时期与微生物量的问题。而对溶藻菌的研究还处在理论阶段,虽然国内外已经有分离并鉴定出菌种的例子,但对于其去除机理还不够成熟,大致分为直接和间接作用。其中对于间接作用的研究集中在从微生物中提取出具有溶藻作用的物质,及事先提取除藻材料中的主要溶出组分,即有望研制出一种新型湖泊水体除藻剂。从而对生物分析、鉴定手段的应用技术提出了更高的要求。

3.3 蓝藻资源化处置技术

1960年,Os wald and Golueke提出概念上的技术经济分析,“太阳能的生物转化”建议使用大型水塘培育微藻类净化废水中的营养盐,然后进行厌氧发酵使藻类生物质转化为甲烷燃料,甲烷再转化为电力,CO2尾气和消化液循环到塘内促进进一步的藻类生产。过去 40a中,做过了很多研究,也提出了微藻类产沼气和 CO2的利用概念。但是,难点在于技术的实际应用:藻类物种的选择难度,低于期望的生物质产量和甲烷产量,尤其是采收藻类的高成本[18]。而且考虑不同时间湖泊中优势种藻类会随水力条件、温度的变化而变化;同一时间同一条件下收集的藻类种类也会有所不同。另外,藻类含水量高,且含毒性藻毒素,对其预处理技术还有待进一步发展,需综合从经济各角度分析技术的可行性。

3.4 预警预测管理

海洋环境的监测中有利用连续浮游生物记录(CPR)[19]判断环境影响,做出质量状况报告的实例,可以指出北大西洋未被捕食的浮游植物的范围,这是建立浮游植物碳消耗重要性的一个重要因素,获得浮游生态系统大量、长期信息的重要来源。这为监测和预测湖泊富营养化提供了有价值的模式,需要对湖泊内生态系统中土著、优势浮游动植物信息进行采集分析,从而进一步开发出有效的技术。

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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

吴芳 (1984-),女,硕士研究生,主要从事水环境综合整治。