水体的生物修复 当前位置:首页环境修复
 

    摘要:当前,对受污染的江河湖库水体进行修复,已是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。目前,对水体修复的方法主要有化学方法,物理方法和生物方法。但与传统的化学、物理处理方法相比,生物修复技术有以下优点:①污染物在原地被降解;②修复时间较短;③就地处理操作简便,对周围环境干扰少;④较少的修复金费,仅为传统化学、物理修复金费的30%—50%;⑤人类直接暴露在这些污染物下的机会减少;⑥不产生二次污染,遗留问题少。本文主要介绍了生物修复的原理和水体生物修复的主要方法。生物修复技术被划分原位微生物修复和异位生物修复两种。前者强调污染物存在的初始空间分布,后者则稍作迁移;处理过程中,后者有更多的人为调控和优化处理。在水体的生物修复过程中,各种生物会在不同层次互相影响,互相结合而起到不同的净化作用。其中,最主要、最基本的是微生物的降解作用。水体生物修复的主要方法有:生物处理技术,生态塘处理法,人工湿地处理技术,土地处理技术等。其中,人工湿地处理技术将是一个比较重要的发展方向。生态修复工程的进一步发展,应该是要结合其他技术,使其处理效果更加好。例如:利用基因工程和生物技术筛选超积累、高耐性修复植物和具有特异降解功能的微生物进入处理系统,能更有效的达到处理效果。

    1.概述

    对受污染的江河湖库水体进行修复,已是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要,特别是南水北调东线沿线的治污工程,量大面广,寻找先进实用、造价低廉的技术迫在眉睫。我国的江河湖库水体污染主要包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。另外,湖泊水库蓝藻及赤潮给水域生态、人体健康也造成了严重的危害。对于富营养化的控制,发达国家以控制营养盐为主,大多采取“高强度治污,自然生态恢复”的技术路线,即控制外源磷污染负荷并配合生态恢复措施。

    去除藻类与控制其生长是湖泊水库水体恢复与保护的难题。目前国际上采用的技术主要有三类:(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;(3)生物方法,如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被,开发水体生物修复技术,是当前水环境技术的研究开发热点。

    生物修复,可以解释为:生物特别是微生物催化降解有机污染物,从而去处或消除环境污染的一个受控的过程,即利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动,对水中污染物进行转移、转化及降解,从而使水体得到净化的技术。

    与传统的化学、物理处理方法相比,生物修复技术有以下优点:①污染物在原地被降解;②修复时间较短;③就地处理操作简便,对周围环境干扰少;④较少的修复金费,仅为传统化学、物理修复金费的30%—50%;⑤人类直接暴露在这些污染物下的机会减少;⑥不产生二次污染,遗留问题少。

    2.生物修复的原理

    2.1 生物修复的分类
    目前,生物修复技术被划分原位微生物修复和异位生物修复两种。所谓元微生物修复是指对受污染的介质(土壤、水体)不作搬运或输送而在原位污染地进行的生物修复处理,其修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件。异位生物修复是植被污染介质(土壤、水体)搬动或输送到它处进行测生物修复处理。但这里的搬动和输送是低限底的,而且更强调人为控制和创造更加优化的降解环境。在处理位置上,前者强调污染物存在的初始空间分布,后者则稍作迁移;处理过程中,后者有更多的人为调控和优化处理。现在所说的生物修复主要是原位修复。

    2.2 水体生物修复过程中生物的作用
    挺水植物通过对水流的阻尼和减小风浪扰动使悬移质沉降,并通过与其共生的生物群落有净化水质的作用。但它主要吸取深部底泥中的营养盐,通常不或很少直接吸收水中的营养盐,而其部分残体又往往滞留湖底,矿化分解后又会污染水体。所以挺水植物的功能中,有把下层底泥中的营养转移到表层的一面,不利于直接净化水质。加上收割、水位变化对其生长的影响等问题,限制了它们在净化水质中的作用。必须注意管理、收割利用和防止种群退化。

    浮叶植物在一般浅水湖泊中有良好的净化水质效果,种植和收获较容易,有经济效益,和观赏效益,在一定季节可以作为重要的支撑系统。需要及时收获。

    大型飘浮植物在光照和营养盐竞争上比浮游植物有优势,有些种群的耐污性很强(如凤眼莲,喜旱莲子草等),已经发展了在大水面大风浪条件下种植的技术,是良好的净化水质选择。浮萍生长快,许多种群能在空气中固氮,覆盖水面后与沉水植物在光照等方面有竞争,一般不宜采用。有些飘浮植物和浮体陆生植物(加上浮力支撑后可水培的植物)是很好的观赏和食用植物,可在一定条件下组合应用,既有净化水质作用,又有经济效益、环境效益和观赏效益。

    着生藻类和浮游藻类生长过程中都有净化水质作用。着生藻类的收集也不难,浮游藻类的收集也已发展了捕获技术,在一定条件下也可因势利导予以利用,一方面净化水质,另一方面作为资源取出。

    各种沉水植物是健康水生态系统的重要组成,其耐污程度和对水温、水位、水流、水质、底质等条件各有差异,要根据当地具体自然条件因地制宜、因时制宜在时间空间上予以镶嵌优化组合,使各种种群在整体上互补共生适应季节变化和环境灾变。沉水植物和湖底水生植被的存在可吸附储存生物碎屑于植物根部,增加底泥表层溶氧,遏制磷的释放,阻止上层水体动力扰动向湖底的传输,减少湖底水动力交换系数,从而有效地遏制底泥营养盐向水体的释放。

    螺、蚌等底栖动物可过滤悬移质,摄食生物碎屑,其分泌物有絮凝作用,螺有刮食着生藻类功能,虾和若干种类鱼类可摄食藻类、碎屑、浮游动物等。这些动物,作为健康水生态系统的补充组成,也有重要作用。

    微生物,特别是氮循环细菌在水体自净能力中具有不可忽视的作用。有机物的矿化分解,氮素的气化,磷盐的沉降和固定在湖底等都与细菌的作用分不开。自然界的水生植物附近共生有多种远比自由水体中丰富的细菌群落。飘浮植物容易种植,采用耐污性强,生长快的飘浮植物作为先锋植物,不仅有植物直接吸收营养盐的作用,而且更重要的是有与其共生的细菌的作用。可以很快增加水的透明度,改善水质。飘浮植物作为细菌的载体极为重要。但飘浮植物受气候条件影响,在有些季节难以发挥作用。因此研制人工载体和优选高效细菌种群极为重要。利用优化的人工载体培养优化的氮循环细菌,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,水中悬浮物为三级载体,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加强细菌浓度,从而增加系统净化能力。

    3.水体修复的主要处理方法

    水体修复技术包括以微生物为处理功能核心的生物处理技术、具有复合生态系统的生态塘处理技术、以植物和微生物为主要处理功能体的湿地处理技术、土壤处理技术和河湖等自然净化能力的处理等。

    3.1生物处理技术
    生物处理技术包括好氧处理、厌氧处理、厌氧—好氧组合处理。其主要原理是人工驯化、培养适合于降解某种污染物的微生物,通过控制室和微生物生长的环境以稳定和加速污染物的降解。

    由于生物处理技术起步较早,现在已有很多成熟的工艺,比如SBR、UASB、氧化沟等。这些工艺一般要辅助结合其他一些处理方法,例如物理处理法(如吸附法、重力法、离心法和引力法等)、化学处理法(如凝絮法、提取法、氧化法、离子交换法和沉淀法等)。

    3.2 生态塘处理法
    生态塘是以太阳能为初始能源,通过在塘中种植水生作物,进行水产和水禽养殖,形成人工生态系统。在太阳能(日光辐射提供能量)的推动下,通过生态塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化,将进入塘中污水中的有机污染物进行降解和转化,最后不仅去除了污染物,而且以水生作物、水产的形式作为资源回收,净化的污水也作为再生水资源予以回收再用,使污水处理与利用结合起来,实现了污水处理资源化。

    人工生态系统利用种植水生植物、养鱼、养鸭、养鹅等形成多条食物链。其中不仅有分解者生物、生产者生物,还有消费者生物,三者分工协作,对污水中的污染物进行更有效的处理与利用,并由此可形成许多条食物链,构成纵横交错的食物网生态系统。如果在各营养级之间保持适宜的数量比和能量比,就可建立良好的生态平衡系统。污水进入这种生态塘中,其中的有机污染物不仅被细菌和真菌降解净化,而其降解的最终产物,一些无机化合物作为碳源、氮源和磷源,以太阳能为初始能源,参与食物网中的新陈代谢过程,并从低营养级到高营养级逐级迁移转化,最后转变成水生作物、鱼、虾、蚌、鹅、鸭等产物,从而获得可观的经济效益。

    3.3 人工湿地处理技术
    人工湿地是近年来迅速发展的水体生物—生态修复技术,可处理多种工业废水,包括化工、石油化工、纸浆、纺织印染、重金属冶炼等各类废水,后又推广应用为雨水处理。这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中,由土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床,污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动,或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物(如芦苇等),形成一个独特的动植物生态环境,对污染水进行处理!

    人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快地被截留进而被微生物利用;废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。随着处理过程的不断进行,湿地床中的微生物也繁殖生长,通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。湿地对氮、磷的去除是将废水中的无机氮和磷作为植物生长过程中不可缺少的营养元素,可以直接被湿地中的植物吸收,用于植物蛋白质等有机体的合成,同样通过对植物的收割而将它们从废水和湿地中去除。

    由于这种处理系统的出水质量好,适合于处理饮用水源,或结合景观设计,种植观赏植物改善风景区的水质状况。其造价及运行费远低于常规处理技术。英、美、日、韩等国都已建成一批规模不等的人工湿地。

    3.4 土地处理技术
    土地处理技术是一种古老、但行之有效的水处理技术。它是以土地为处理设施,利用土壤—植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能,达到某种程度对水的净化的目的。土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理和地下渗滤生态处理等几种形式。国外的实践经验表明,土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。德、法、荷等国均有成功的经验。

    4.具体工艺的应用

    在具体运用这些工艺是通常要做一些组合。例如采用:污水→沉淀→人工湿低→生态塘。

    目前国内外有很多水体修复的成功工程。例如日本渡良濑蓄水池的人工湿地,这是一座设有人工设施的芦苇荡,将蓄水池的水引到芦苇荡,通过吸附、沉淀及吸收作用,去除水中的氮、磷及浮游植物,达到对水体进行自然净化的目的。这种净化过程循环进行,确保蓄水池水质洁净。渡良濑人工湿地的人工植被从陆地到水面依次为:杞柳(水边林)—芦苇、荻、蓑衣草(湿地植物)—茭白、宽叶香蒲(吸水植物)—荇菜、菱(浮叶植物),形成了一体的生态空间。渡良濑人工湿地已经成为日本最大的芦苇荡,也成为对居民、儿童进行环保及爱水教育的场所,组织学生进行自然观察。

    在我国也有很多水体生态修复的研究和工程实例。例如李正魁研究了固定化氮循环细菌技术(INCB)在贵阳红枫湖物理生态工程(PEEN)实验区的除氮、抑菌效果,结果表明,应用PEEN—INCB技术使红枫湖试验区总氮、非离子氨和亚硝酸盐氮分别平均降低0.568mg/L,0.015mg/L和0.019mg/L。工程后排入红枫湖的非离子氨均<0.02mg/L,NO2-N≤0.1mg/L,16个月内无一次超标,而工程前的超标率达39%。与其他湖区相比,PEEN-INCB治理工程区域各主要指标下降4%~40%。

    5.总结

    传统的生物处理工艺控制相对复杂,而且投资较大。而生态修复技术投资少,运行方便,能耗低。因此,生态处理技术在以后会得到更大的应用。

    此外,生态修复工程可以结合其他技术,使其处理效果更加好。例如:利用基因工程和生物技术筛选超积累、高耐性修复植物和具有特异降解功能的微生物进入处理系统,能更有效的达到处理效果。(夏俊方)