生物-生态修复技术在景观污染水体治理中的应用

金小平,宋学宏,李蒙英,史全良,徐炳丰,张凌玲,宋 靖

(1.苏州大学医学部基础医学与生物科学学院,江苏苏州 215123;2.昆山市水利技术推广站,江苏 昆山 215300)

近年来随着昆山市社会经济的繁荣和发展,大量面源污染物和生活污水等进入河道、湖塘[1],造成水体富营养化,水生态系统遭到严重破坏,水体浑浊甚至发黑发臭,部分河流、湖塘水域已丧失工农业生产和生活供水的功能,城市景观效果也急剧下降,严重影响城市环境和居民的生活环境。

目前,河道、湖塘等水体治理的方法主要有底泥疏浚、人工曝气增氧、水循环、微生物制剂投加、植物净化等方法[2-3],这些方法都在一定程度上改善了水质,可消除黑臭、蓝藻暴发等现象,但水体仍浑浊、褐黄,无法达到清澈明亮的景观效果,一旦停止增氧、水循环等措施,水质又会迅速恶化。为了提高水体的自净能力,重建良好的水生态系统,达到标本兼治的目的,笔者采用生物治理和生态修复综合技术相结合的方法[4-6]对昆山市环城北路景观池塘受污染水体进行治理。

1 工程概况

昆山市环城北路景观池塘(市民政局东侧,图1),地处居民较密集的市区,池塘水域面积为3750m2,池塘底呈锅底形,沿岸浅水区水深1.0m左右,中心深水区水深达2.3 m;中心深水区底泥厚度50 cm,有2个排污口直接将生活污水排入池塘。工程实施前池塘全池长满翠绿色蓝藻,水体黑臭,水中有少量鲤鱼、黑鱼,无水生维管束植物生长。经测定,池塘透明度为20 cm。TN、TP的质量浓度分别为3.85 mg/L、0.52 mg/L,对照 GB 3838—2002《地面水环境质量标准》,该景观池塘的水质属劣Ⅴ类。针对上述状况,采用水体生物治理与生态修复技术相结合的方法进行水体生态修复。

图1 水质监测点示意图

1.1 生物治理与良好水体生态系统的建立

2009年11 月开始对池塘底泥、污水排入量、水质指标、生物的种类和数量等情况进行监测。基于现有水体水质较差,直接栽培植物不能生长,生物治理工程采用分阶段实施方案。

a.2010年2月对2个较大的生活污水排出口进行封堵和改道,接入城市污水管网;3月底将原有的污水抽入城市管网,留下50 cm水用生石灰1500 kg/hm2进行杀菌消毒。

b.消毒2周后,由于下雨,水位上升到1.5 m,4月中旬在亭子下面的隐蔽处、池塘中央设置生物膜水体自净化设备(专利号:ZL200710135011.0)200套,并投加微生物制剂,促进在自净化设备上快速形成生物膜,水质得到初步净化,水体透明度从原来的20 cm增加到45 cm。

c.种植水草,放养水生动物。4月底在池塘四周浅水区(1～2 m)栽种治污先锋植物轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、金 鱼 藻 (Ceratophyllum demersum)、伊乐藻(Elodea nuttallii)等沉水植物,共计1 000 kg;同时,放入中华圆田螺(Cipangopaludina cathayensis)1 500 kg、褶纹冠蚌(Cristaria plicata)500 kg、规格为6～8尾/kg的鲢鱼(Hypophthalmichthys molitrix)700尾、规格为 6～8尾/kg的鳙鱼(Aristichthys nobilis)100尾 、规格为 200g/尾的花鱼骨鱼(Hemibarbusmaculatus)200尾、规格为150 g/尾的观赏鱼—草金(Carassius auratus)若干;再从周边河道中捕捞枝角类、桡足类等浮游动物约3 kg。在上述生物中,通过沉水植物、浮游植物吸收水体的N、P营养盐,通过鲢鱼、浮游动物、螺蛳、蚌食用浮游植物,通过花鱼骨鱼食用底层腐殖质,形成一个较长的食物链,最终以沉水植物、鱼、螺类的协同作用去除水体的N、P营养盐,到2010年5月中上旬初步建立起良好的水体生态系统。

1.2 水体生态系统稳定性调控

4月中旬,生物修复起到一定效果,但因周围居民自发在池塘中放生红鲤鱼、金鱼,其成鱼在池中繁殖了大量鱼苗,同时池塘边上没有被完全杀死的浮萍种子5月初再度萌发,并快速生长,再次覆盖水面,红鲤鱼对沉水植物的破坏作用及浮萍的生长使沉水植物因得不到光照、无法生长而死亡。至2010年6月中旬,初步建立的、脆弱的生态系统遭到严重破坏。因此,通过投喂药饵,杀死并及时捞取部分红鲤鱼、金鱼等,通过人工打捞取出浮萍,再投放1 kg的微生物制剂净化水质,补种1000 kg的轮叶黑藻、金鱼藻、伊乐藻,补放规格为150 g/尾的草金100尾、规格为 100 g/尾的加州鲈鱼(Micropterus salmoides)200尾等。通过这一系列的调控措施,池塘中水生植物和动物的品种、数量、比例重新得以补充和调整。7月初水质开始好转,8月份水质已达到较好的状态,直至2010年10月下旬重新建立起一个相对稳定的水体生态系统。

1.3 水体生态系统养护

2010年11 月开始进入水体生态系统养护期。不断跟踪观测不同时期的水质和水体生态系统变化,根据情况对水体中微生物、水生植物和动物的品种、数量、比例进行微调,维护良好、稳定的水质和水体生态系统。

2 工程效果分析

2.1 水质指标监测分析

水体修复过程中,在塘中均匀设置4个采样点(图 1,采样点号分别为 1、2、3、4),对水质进行连续监测。采样时间分别为:2009年11月7日(治理前5个月),2010年3月12日(治理前 1个月),2010年5月13日(治理过程中),2010年8月5日(生态系统调试期)。修复过程中池塘水体主要水质指标变化情况见图2。

由图2(a)可见,2009年11月由于气温较低,叶绿素质量浓度较低;2010年3月中旬的初春季节温度升高,水体中各种藻类迅速繁殖,叶绿素质量浓度达到135.6μ g/L,通过投放浮游动物和滤食性鱼类,景观池塘中蓝、绿藻等浮游生物数量快速下降,至5月份叶绿素质量浓度下降到65.0μ g/L,到8月上旬仅为8.8μ g/L,水体透明度增加至1.1 m。叶绿素质量浓度大幅度下降表明,水体中藻量大大减少,由蓝藻、绿藻导致的水体浓绿的恶劣景观效果也得到大幅度改善。由图2(b)可见,修复过程中TP质量浓度有所上升,这是由于随着水温的升高,一方面底泥中的N、P大量快速释放到上覆水中,另一方面由于浮萍的疯长致使大量的沉水植物死亡再度释放N、P,但浮萍对水体N的吸收率大于对P的吸收率,因此,5月水体的TP质量浓度会升高。经人工打捞浮萍及补种沉水植物,水体TP质量浓度很快下降[7],到8月中旬仅为0.05 mg/L,与治理前的0.58 mg/L相比下降了90%。而图2(c)显示,修复过程中TN质量浓度一直呈下降趋势,至8月5日降至1.3 mg/L,比治理前降低了85%。由图2(d)可见,COD质量浓度大幅下降,由修复前的20.6 mg/L降至修复后的4.2 mg/L,去除率达79.61%。修复后的水体各项指标已达国家地表水Ⅲ类水质标准,水体景观效果得到显著改善,透明度达1.28 m。用塞氏盘法测得修复前后各水质监测点的水体透明度如表1所示。

表1 修复前后采样点的水体透明度变化 cm

2.2 生物多样性变化与研究

2.2.1 浮游生物的多样性变化

在水质监测的4个采样点采样,利用显微镜法对浮游植物和浮游动物进行定性和定量测定,修复后水体浮游植物结构见表2,修复前后水体浮游动物的种群变化见表3。

表2 修复前后水体浮游植物结构变化

表3 修复前后水体浮游动物的种群变化

Shannon-Weaver曾提出种类多样性指数这一概念[8],其计算公式如下:

式中:H′为种类多样性指数;N为单位体积样品中收集到的生物总数;ni为单位体积样品中第i种生物的个数。

上式表明:生物种类越多,H′值越大,水质越好;反之,种类越少,H′值越小,水体污染越严重。其中,H′值与水质污染程度的关系如表4所示。

表4 H′值与水质污染程度的关系

根据Shannon-Weaver公式计算可得:修复前的浮游植物多样性指数H′为0.2,修复后变为1.02,污染程度从重污染转变为中度污染;修复前的浮游动物多样性指数H′为2.18,属轻度污染,修复后变为3.06,属无污染。多样性指数的增加,说明水体的生物链的平衡性增强,水质变好,水体生态系统稳定性增加。

2.2.2 高等动植物的种群结构变化

通过1个月的工程实施及4个多月的调试,经生态修复的景观池塘中从没有一株沉水植物到沉水植物的覆盖率为60%左右,沉水植物的品种有金鱼藻(占60%)、伊乐藻(占30%)、轮叶黑藻(4%～5%)及少量的苦草(Vallisneria natans)、狐 尾 藻(Myriophyllum verticillatum)(移栽时带入的水草)。水体的螺蛳经繁殖,生物量为引入时的2倍,褶纹冠蚌的生物量增加不显著。水体中鲢鳙鱼的成活率几乎为100%,规格已增加到 400～500 g/尾,加州鲈鱼规格达250g/尾,花鱼骨鱼是底层鱼类,平时无法观察到,而观赏草金的数量达上千尾,规格大小不等。因此,水生态修复后的水体高等动植物已形成了较稳定的生物链结构,维持了水生态系统的平衡。

2.3 景观效果评价

综上所述,景观池塘的水体经6个月的生物治理与生态修复后,池塘景观发生了明显改观,水体透明度增加,各种游鱼穿梭于水草之间。环城北路景观池塘曾是昆山市民传统的放生池塘,随着水质变好,放生、垂钓等现象再度兴起。

3 结 论

水体生物治理与生态修复技术在昆山市环城北路景观池塘应用后,重新建成一个良好、稳定的水体生态系统,生物多样性增加,水质各项指标达国家地表水Ⅲ类水标准,水体透明度达1.2 m左右,池塘景观效果显著改善。水体生物治理与生态修复技术具有无需清淤、能耗低、工程造价低特点,适合应用于没有或仅有少量污水排入的河道、公园、城市景观池塘等水体中。

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