人工湖水质生物净化技术研究

魏欢欢

（陕西地建土地综合开发有限责任公司，陕西西安710075）

随着城市生态环境建设日益受到重视，景观水体人工湖越来越多的出现在城市公共休闲区和居民居住区里。作为景观水体重要组成部分，人工湖具有生态、景观、人文等多方面的功能，同时其对于改善城市生态环境和人居环境具有重要作用[1]。然而，由于人工湖水体流动性小、水体自净能力差，加之外源污染物输入等原因，人工湖在运行一段时间后，会普遍出现水体透明度下降，浊度增大和富营养化等污染问题[2]。因此，寻求有效方法净化人工湖水质，改善人工湖生态环境成为一项亟须解决的科学问题。

根据水质净化原理的差异，现有水质净化技术可分为物理、化学和生物净化技术[3]。相比物理和化学净化技术，生物净化技术因具有操作简单、处理效果好、安全无二次污染、成本低廉等特点[4]，当前在人工湖水质净化技术研究中得到广泛关注。本文综述了人工湖水质净化技术发展状况，重点分析了水质生物净化技术研究现状、面临的问题及解决方法，以期为人工湖水质生物净化技术研究及应用提供理论参考。

1 人工湖水质污染的原因

目前，城市景观水体人工湖水质污染原因主要有以下几方面[5-6]。

1.1 补给水源问题

人工湖补给水源质量对人工湖水质质量具有重要影响，补给水源N、P等营养元素及其他污染物含量超标是造成人工湖水质污染的重要因素之一。

1.2 水体流动性差

人工湖水体多为静止状态，水体流动性小，普遍存在曝气不足、溶解氧含量低等情况。加之人工湖生态结构简单，水体自净能力差，从而导致水体富营养化现象频发。

1.3 外源污染物输入

主要包括：大气沉降污染，主要包括尘土、硫化物、N、P等颗粒态和溶解态污染物；雨水径流作用下地表积聚物和地表土壤中的营养盐和农药残留物进入人工湖水体；人工湖内水生植物及岸边植物枯枝落叶落入水体后分解形成的污染物；游客抛撒的生活垃圾和人工湖周边区域生活污水偷排进入人工湖。

1.4 护岸设计不合理

目前，城市人工湖护岸多为硬质材料（石块、水泥）建成的垂直护岸，不具备缓冲功能，对地表积聚物等垃圾进入人工湖无拦截作用。

2 人工湖水质净化技术发展概述

自20世纪50年代以来，世界各国对湖泊水体污染治理进行了大量研究，并取得了众多显著成果。欧洲国家针对湖泊水体富营养化问题颁布了《水框架指令》等法规政策，另外，采用污染湖水外排、引入水源稀释污染湖水、增强湖水循环流动性、曝气增氧、撒施石灰粉、挖泥疏浚、清理藻类植物、生物降解等措施解决水体富氧化问题[7]。20世纪70年代，美国开展并实施了湖泊清洁计划，通过定制流域土地利用规划和水质保护计划、减少含磷污水排放[8]，设置污水处理厂、加强居民环境教育等措施对湖泊水体进行修复和保护。日本以琵琶湖为研究对象开展了水体污染与富营养化研究，提出了不同治理方法[9]。日本的水污染技术也成功应用于韩国和中国湖泊水质修复治理过程中，其主要措施为治理污染源、增设污水处理厂、制定芦苇群落保护计划、疏浚污泥等[9]。

从20世纪70年代起，我国东部地区出现了程度较深的湖泊水体污染情况。20世纪90年代初，在被调查研究的120个大型湖泊中约50%的湖泊存在富营养化问题[7]。2005年，在被调查的133个湖泊中富营养化污染湖泊数量超过85%[10]。针对日益严重的湖泊水污染情况，我国于20世纪80年代开始湖泊水污染治理研究[11]，经过近几十年的研究，取得了诸多研究成果。当前主要采用的措施包括：物理方法（引水稀释、曝气增氧、底泥处理、人工打捞清理等）；化学方法（药剂除藻、混凝沉淀、氧化还原等）；生物方法（生物膜法、水生植物修复、微生物修复等）。物理方法操作简单、见效快，但工程量大，成本较高，容易对生态系统造成破坏。化学方法经济高效，但易产生二次污染。生物方法同物理和化学方法相比，具有成本低、处理效果好、环保无污染等特点，当前在科学研究和实际应用方面受到广泛关注。

3 人工湖水质生物净化技术研究现状

生物净化是通过动植物或微生物的吸附、富集、降解、转化等功能对水体中的污染物进行清除，从而实现水质净化效果[12]。目前生物净化技术主要包括：生物膜净化技术、植物净化技术、微生物净化技术等。

3.1 生物膜净化技术

生物膜净化是指在水中设置人工填充滤料或载体使微生物附着在其表面生长形成生物膜，丰富水体微生物数量和种群结构，通过微生物絮凝、吸附、氧化分解等作用清除水体污染物。应用较为广泛的生物膜净化技术有砾间接触氧化法和仿生生物填料接触氧化法。生物膜净化技术净化效果好、管理方便，但同时其也存在受水位影响大、大面积使用成本较高等缺点[4、12]。

3.2 植物净化技术

植物净化是在湖泊中种植改良陆生植物或水生植物，通过植物对水体污染物的阻截、吸附、富集以及植物根区生物共生体的吸收、转化等作用，实现水质净化和生境改善效果。按照植物类型的差异，植物净化技术分为生物浮岛、沉水生物种植。生物浮岛是在水面浮岛载体上种植水生或改良陆生植物，通过植物吸附、吸收水体污染物，从而净化水体[13]。生态浮岛在吸收水体污染物的同时还具有抑制水体富营养化藻类生长，提升水体景观效果等作用。但同时，生态浮岛受植物种类、生物量和季节影响的限制[14]。沉水植物种植是在水面下种植先锋沉水植物对水体氮磷营养物质和重金属进行吸收去除。一般认为相比漂浮植物，沉水植物具有更强的重金属去除效果。但同时沉水植物也存在扩散生长快、管控难度较大等缺点。

按照对水体污染物去除种类的差异，植物净化可分为N、P污染处理型、重金属污染处理型。N、P污染处理型植物主要有千屈菜、凤眼莲、灯芯草、水生美人蕉、金鱼藻、铜钱草、空心莲子草等。王斌等研究表明[15]：三种不同水生生物中灯芯草和空心莲子草分别对N、P的去除率最高。重金属污染处理型植物主要有芦苇、千屈菜、香蒲、凤眼莲、茭白、浮萍、水葱等。有研究表明，茭白可对重金属CU、ZN、MN的富集达60%[16]。

3.3 微生物强化技术

微生物降解是水体污染物降解的重要途径之一，当水体微生物数量和污染物降解作用缺乏时，可通过增加微生物数量和提高微生物系统结构从而增强污染水质净化效果。其主要技术有投加微生物菌剂和投加微生物生长促生剂等。微生物菌剂和生长促生剂的使用可加快微生物对水体污染物处理启动速度，提高微生物对水体污染物的降解能力，增强水体污染物净化效果。马文林等[17]研究表明，使用微生物生态修复剂后水体化学需氧量降低了73.03%，总磷量降低了65.48%。但微生物菌剂和生物生长促生剂的使用会受到水体温度等条件的影响。另外，受本土微生物菌剂和生长促生剂研发能力的制约，使用进口产品存在一定生态风险。

4 结语

当前在人工湖水质净化方面生物净化技术受到广泛关注，相关研究和成果较多，然而，其在技术研究和应用方面仍存在一些亟待解决的问题。植物和微生物在水质净化过程中的生理生态响应机制尚未研究透彻，相关研究还需进一步深入。随着微观机理机制的进一步明晰，其将为水质生物净化技术发展提供有力的科学理论支撑，同时还可为借助基因工程手段培育更高效的治污水生植物和微生物提供科学指导。

当前，植物净化水质的研究多集中在利用单一生活型植物进行水质净化，对不同组合、不同配置模式下的植物水质净化效果研究较少。单一生活型植物对水体污染物的净化种类和净化效果有限，通过组合、搭配多种生活型植物可实现对多种类水体污染物更高效的净化效果，在未来的研究中应对组合植物净化水质效果进行相关研究。另外，受不同地区气候差异的影响，同一生活型或组合型植物在不同地区的污水净化效果不同。为实现不同气候区域植物水质净化效果最优化，在植物种类选择上应注意尽量选择土著植物。