湖泊富营养化生物—生态修复的理论和实践 当前位置:首页环境修复
 

一、综述:

    1.我国湖泊污染状况 

    我国大部分湖泊水体水质下降,生态系统退化,蓝藻水华频繁爆发,湖泊富营养化呈现迅猛发展的趋势。国家环抱总局2005年一月地表水水质报告显示;包括太湖、巢湖、滇池在内的我国大中型湖泊富营养化形式十分严峻。据水利部最新的全国淡水资源质量评价,我国131个大型湖泊中,达富营养化程度的湖泊67个。城市近郊水体富营养化程度普遍偏高,如杭州西湖、南京玄武湖、云南滇池、合肥巢湖及武汉东湖等均达到高度富营养化程度。而有关部门近年对100余座水库的水质评价表明,13座水库为富营养性,22座水库受不同程度污染,这些受污染的水库往往是城市供水的重要水源。

    2.湖泊富营养化现象描述

    (1)在富营养阶段,水中藻类的种类减少而个体数猛增,(如曾测得水华铜绿微囊藻及水华束丝藻数达13.6 X 10 5 / mL。)

    (2)由於优势种类所含色素不同,使水体呈蓝、红、棕、乳白等不同颜色。

    (3)富营养化现象多发生在一些水体交换率较低之处,如湖泊或海湾等处,在内陆湖泊中发生者,称为水华(水花,water bloom)在海洋则称为赤潮(红潮,red tide)。

    3.湖泊富营养化的危害

    (1)水体外观颜色改变,变浊,影响景观。如海水富营养化时,有时会呈现红色。

    (2)水中散发不良味道。

    (3)溶氧量下降。

    (4)水生生物大量死亡,原因可能为缺氧或阻碍呼吸。

    (5)有些藻类会产生毒素,可能直接危害人体健康。

    (6)导致水处理上之困难,并使水质品质下降。

    4.湖泊富营养化的各项指标

    目前一般采用的富营养化指标是:

    (1)水体含氮量大於0.2 - 0.3 mg /L。

    (2)含磷量大於0.01 - 0.02 mg/L。

    (3)生化需养量大於10 mg /L。

    (4)细菌总数(淡水中)达10万个/mL。

    (5)叶绿素a(藻类生长的标志)大於10 μg/L。

 

二、湖泊污染的对策

    1.湖泊污染治理的难点

    湖泊富营养化的实质是活性氮磷元素不断从污染源进入水体,且未被清除或转化为非活性物质。污染源主要是农业生产过程中富含氮磷农田排水与地表水及人类生活和工业污水,此外还有湖底淤泥中氮磷的不断释放。目前,包括太湖滇池在内的众多湖泊,当地政府部门都在采取积极措施控制污染源,这为对湖泊富营养化水体进行治理,恢复水体功能创造了条件。但是,如何治理富营养化,恢复湖泊水体功能是个世界难题。在过去几十年中,世界各国科学家尝试了包括物理、化学、生物三大类几十种方法,或工程费用昂贵,或二次污染严重,或治标不治本,或治理速度缓慢,效果不尽人意。

    2.湖泊治理的对策

    从湖泊富营养化的定义出发,去除氮、磷的污染是湖泊治理首先要解决的问题,排除湖泊由于特殊原因造成的污染,从一般意义上说,湖泊污染就是水体的富营养化。对氮、磷的去除采用物理化学方法是很不理想的(物理化学方法包括:机械过滤、臭氧、电化学),原因很简单:从机理上说,氮、磷在受污染的湖泊中的存在形态多为有机态,机械过滤对于这种状态污染物的去除效果不佳;而臭氧和电化学即便有很强的氧化能力,但是由于投资过高,对于治理湖泊富营养化而言是不切实际的。

    以现在技术和经济的可行性而言,生物法无疑是湖泊治理最好的选择。其中生物法可以分为几个部分,城市污水的生物处理工艺、生物修复和生态修复。就湖泊本身而言,污染物的来源也是湖泊治理需要考虑的重要因素。在湖泊富营养化水体的控制措施中,减少外源性污染物质尤其是外源性营养物质进入湖泊,是控制湖泊富营养化的关键措施之一。

    3.生物处理技术和生物修复技术

    生物处理技术、生物修复技术和生态修复技术都是属于生物技术。它们之间有很明显的区别也有相同的地方。以下以河流流域的的各种生物工艺为例对这几种技术进行比较:

    表一:河流生物修复工程与城镇污水处理厂的异同

内容

河流生物修复工程

城镇污水处理厂

相同点

利用微生物净化污水的特点和规律,对受污染水体(河流)进行净化处理的技术

利用微生物净化污水的特点和规律,对用管道收集到的社区污水进行净化处理的技术

不同点

处理过的河水一般必须重新流入河道

出水可排入河流,也可用作市政回用、冲厕、农灌

水质量

河水浓度相对较低、变幅很大

进水污染物浓度高、变化小


    从表中可以看出,生物修复技术和城镇污水处理厂的原来上是一样的,都是利用微生物净化污水的特点和规律,所不同的是出水以及进水水质。就湖泊而言,从生物处理技术的角度出发,用城镇污水处理厂的原理对湖泊进行治理是不可行的。最主要的原因在于成本上,从技术上说是完全可行的,如下图所示:

    水从湖泊中由泵抽出引入处理工艺以后,再由泵回流到湖泊中。泵的大小和处理工艺的流量要由湖泊本身的大小和受污染程度而定。由于是要对富营养化的湖泊进行治理,所以处理工艺一般采用生物处理工艺。这里有很多的可选择性,如:SBR、UASB、AF、活性污泥等工艺。这些工艺各有其优点缺点,可以针对脱氮除磷进行组合和改进。问题是,从湖泊富营养化治理的本质出发,是要恢复湖泊本身的生态功能,如果生物水处理工艺处理的量大于湖泊富营养化的速度,在经处理过的湖泊水回流到湖泊时,处理后的水可以稀释湖泊中的水,以达到降低富营养化的效果,可以想象,这是一个长期的过程,从设备运行和维护方面来讲并非一种行之有效的方法。所以从纯处理工艺的角度对湖泊进行改造的可行性并不大。所以考虑从生物修复技术和生态修复技术来研究。

    4.生物修复技术和生态修复技术

    生物修复技术和生态修复技术并非一个概念,即便是采用的原理和需要达到的目的也有很大的区别,要采用这两种技术就必须对这两种技术有足够的认识。下面同样以河流治理为例用一张表格将这两种技术进行比较:

    表二    生物修复技术和生态修复技术

内容

河流生物修复

河流生态修复

目标

水质

水生生物生存和发展的整个环境

对象

改善河流水生生物生存、生活和繁衍、发展的水质条件

为水生生物或特有的生物种群提供良好的生存和发展环境。

技术

技术核心是微生物及微生物使用和利用

核心技术是生态工程学和生物、生命科学

共同点

生态修复可以包含生物修复,生物修复可以是生态修复的一个部分或一项主要内容;两者的共同点或共同目标都是改善或改良生物的生存和发展环境。

不同点

生物修复是针对水体污染的修复

生态修复是针对水生生物及其生存环境的整体修复

    从表上可以看出生物修复和生态修复的区别是很大的,但二者的共同目标都是改善或改良生物的生存和发展环境。

    生物修复技术

    简单来说就是受污染水源的生物修复技术利用水体中生息的微生物或向水体中投加的特定微生物,在人为促进工程化条件下,分解污染物,修复受污染的环境。所以,技术的关键在于工程菌的培养。实际上生物修复技术就是一种生物强化技术。微生物降解有机化合物的能力是生物修复的技术关键。水体中存在着各种各样的微生物,在遭受污染后,自然就存在着一个培养和驯化选择的过程,一些特异的微生物在污染物的诱导下产生分解污染物的酶系,进而将污染物降解。但在许多条件下,土著微生物菌群驯化时间长、生长速度慢、代谢活性不高,再则,由于许多污染物如多环芳烃(PAHs)、重金属等具有生物毒性,要实现污染水体的生物修复,必须筛选、培养和驯化出能够降解污染物的高效工程菌。工程菌通常从受污染的土壤或水体中筛选,对其的培养和驯化可采用异步培养法、同步培养法和接种培养法。异步培养是先将筛选出工程菌在适当的培养基上加以培养,然后在培养基中逐渐提高污染物的浓度,使能够分解污染物的菌种得到繁殖和发展,不适应的菌种则逐渐淘汰。同步培养是在培养的初期就在培养基中添加污染物并逐渐提高其浓度,该方法可缩短培养和驯化的时间。而接种培养则直接从污染状况相同的生物修复工程中获得工程菌,能进一步缩短培养和驯化的时间,提高驯化效果。

    以下用几个实例说明生物修复技术的可行性:

    例一:徐亚同等人对上海上澳塘水体进行了生物修复性试验(试验规模为3600-5000m3/d,结果表明,生物修复可以消除水体黑臭,可将水中的BOD5从20mg/L降低到3mg/L,CODcr从60-70mg/L降低到30mg/L,溶解氧含量从进水的0.5mg/L左右到出水时的7.8mg/L。透明度由进水时的十几厘米到出水时的40厘米左右。

    例二:新泾港地处长宁区,为苏州河六大支流之一,也是对苏州河污染贡献率最大的支流之一,此河完全呈严重富营养化状态,黑臭十分严重。该项目在市领导的批准下,利用生物修复技术,将留学生企业“上海玉垒环境生物技术有限公司”的产品YL活性生物复合剂(含分子筛)H15按0.36kg/m2(LD 50>400mg/L)剂量,投入新泾港试验段的胶状污泥中;此次试验YL剂-H15(含分子筛)单位面积费用52.00元/m2,历时七个月试验段底泥有机污染降解率达到30%以上;其中底泥有机质去除率2.04%~62.5%、TN去除率2.1%~66.1%、TP去除率3.91%~40.8%;底泥渗出液COD去除率20%~86.4%、底泥渗出液TN去除率13.3%~80.5%、底泥渗出液TP去除率33.8%~91%;底泥黑臭明显减弱,色泽由黑转褐,趋向矿化过程;底泥中H15菌剂回收,存活状况良好。

    从两例可以看出,针对不同程度污染的湖泊,需要培养特定的菌群进行生物强化,通过投加环境有益微生物,强化湖泊中的优势微生物,可有效抑制有害微生物和有害藻类的生长繁殖,促进微生物对湖泊营养物质的吸收与消减等,氮素在微生物的作用下,经硝化和反硝化作用脱氮。富营养化湖泊微生物修复,不破坏水生态平衡,不污染环境,而且微生物还可作为鱼类、虾和蟹等的饵料。当湖泊中的营养物质被微生物消减到一定程度时,其生长因缺乏营养受到抑制,因此不会造成微生物的大量繁殖。

    研究人员应用优势菌剂处理城市湖泊水体的试验表明,投加光合菌、硝化菌、复合菌的混合液对水中的浊度、叶绿素a有明显的去除效果。应用EM有效微生物群菌剂,对已重度富营养化的人工湖修复试验表明,有效微生物菌群对水体的透明度、叶绿素a含量的改善有明显效果,可有效抑制藻类的生长,防止水华的发生,改善景观。

    生态修复技术

    生态恢复——根据生态学原理,通过一定的生物,生态以及工程的技术与方法,人为地改变和切断生态系统退化的主导因子或过程,调整、配置和优化系统内部及其外界的物质,能量和信息的流动过程和时空次序,使生态系统的结构,功能和生态学潜力尽快成功地恢复到一定的或原有乃至更高的水平。

    恢复生态学——研究生态系统退化的原因,退化生态恢复与重建的技术与方法,生态学过程与机理,是一门理论性与实践性都很强的学科。

    从生态概念看富营养化湖泊应该为:人为干扰和影响——藻类大量增生——水生植被衰退——生物多样性下降——水质迅速恶化——湖泊功能下降。

    ①修复措施从修复性质来说可以分为点源和面源

    点源:环境技术——用水处理技术消除进入湖泊水体中的N、P和有机污染物等。

    面源:生态技术——改善生态系统和周围环境,减少不利理化因素(N、P和有机污染物)和生物因素。

    ②修复措施从机理上讲可以从以下几个方面论述

    恢复水生植被——根据湖泊水生植被自身的演替规律和水生植物的生理生态特征,选择耐污性强的植物作为先锋种类,然后逐步对水生植被的结构加以优化。

    优化水产养殖结构,恢复生态系统平衡——在湖泊富营养化过程中,水生植被本身也发生演替变化,以适应不同的营养水平和水环境条件。

    从以上的分析可以看出,生态修复的出发点是使生态系统结构、功能和生态学潜力尽快成功地恢复到一定的或原有乃至更高的水平。就湖泊富营养化的治理而言,水体生态修复技术无论从处理效果或是从长远来看都是一个很好的方法,因此选定方法为生态修复法中的人工湿地法。

三 人工湿地治理湖泊富营养化

    1.人工湿地技术的基本类型

    人工湿地技术由天然湿地发展而来,是由特定介质(按一定比例设计的填料,如土壤、砂、或砾石等),特定的植物(去污性能好、成活率高、耐水溃性强、生长期长、美观且有经济价值的水生或湿生植物)所组成的复杂、独特的生态系统。它改变了湿地的传统形态,通过科学的设计和改造,用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对水体的净化。

    按污水在人工湿地中流动的方式,一般可降人工湿地分为三种类型:表面湿地、潜流湿地和垂直流湿地。

    2.人工湿地去除营养物质的机理

    人工湿地有着独特的吸附、降解去除水中多种污染物的功能。在这一过程中主要包括复杂界面的过滤过程和生存于其间的多样性生物群落与其环境间的相互作用过程。氮、磷等营养物质浓度的提高是导致湖泊富营养化的关键因素。人工湿地系统中氮的去除主要依靠微生物的分解转化作用和植物的吸收同化作用完成的。进入湿地系统中的氮主要以有机氮和氨氮的形式存在。在人工湿地系统内,植物光合作用过程中降氧通过植株—根系向湿地床输送,使得系统内部存在许多好氧、缺氧和厌氧微环境,为微生物的硝化和反硝化作用创造了良好条件。首先,水中的有机氮被异养微生物转化为氨氮,而后硝化细菌在好氧环境下降氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮,最后通过反硝化微生物的脱氧作用以及植物根系的吸收作用降无机氮从水中去除。人工湿地对磷的去除作用包括介质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除等。无机磷的吸收和过滤去除作用因湿地床的填料不同而存在差异。植物生长过程中因湿地床的填料不同而存在差异。植物生长过程中通过同化作用降无机磷变成植物体的组成部分,最后通过收割去除。微生物对磷去除包括对磷的正常吸收和对磷的过量积累,不同含氧状态对磷的正常吸收和对磷的过量积累,不同含氧状态的人工湿地根区类似于污水脱氮除磷系统的A-A-O处理单元,使某些细菌在厌氧条件下吸收低分子的有机物(如脂肪酸),同时降细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来(释磷),并提供必须的能量以便它们在好氧条件下从水中吸收超过其生长所需的磷(聚磷),并以聚磷酸盐的形式的形式成为微生物细胞的内含物而被贮存起来,因此人工湿地有较高的除磷效果。

    3.人工湿地应用实例

    国外应用人工湿地净化污染水质方面已有许多成功的实例。德国利用水平流和垂直流湿地芦苇床系统处理富营养化水体中营养物质(N、P等),并进行比较,结果表明,超过90%的有机污染和N、P等污染被去除。美国田纳西州人工湿地系统试验在不同水力负荷下对氨氮、总氮的去除规律,实验结果表明,二级系统氨氮去除率较一级系统高20%~50%,周期性落干可提高氨氮的去除率,水力停留时间的增长可以改善总氮的去除效果。加拿大潜流芦苇床湿地系统在植物生长旺季中的TN平均去除率为60%、TN为53%、TP为73%,磷酸盐平均去除率为94%。英国芦苇床垂直流中试系统用语处理高氨氮污水,平均去除率可达93.4%。

    我国进行人工湿地处理系统研究开始于“七五”期间,起步较晚,应用也较少,主要有天津芦苇湿地工程、北京昌平自由表面流人工湿地和深圳白泥坑人工湿地等。“八五”期间我国进行了全国范围的土地处理系统研究,但对人工湿地技术的研究还相对落后,应用范围较窄,主要集中在小试和中试规模的机理研究上,随着人工湿地技术认识的不断进步,人工湿地在我国的应用越来越广泛,目前已有许多人工湿地工程投入运行,并达到了良好的效果。沈阳满堂河生态悟水处理示范厂采用以人工湿地处理为主,浮动生物床预处理为辅的组合工艺,主要处理污染较重的满堂河水及沿岸的重点生活污染源排水,其出水水质达到了回用于景观的水质要求。深圳洪湖人工湿地采用复合垂直流湿地系统,将污染较重的布吉河水通过湿地净化为洪湖补充清洁水,其出水水质参数中非离子氨和BOD能达到Ⅰ类水质标准,COD能达到Ⅱ类标准,TN和TP能到到湖泊水库Ⅳ类标准;处理出水DO大大增加,各项污染指标的去除率均在80%以上。

    近年来,我国湖泊富营养化日益严重,人工湿地在富营养化外源控制中的作用也逐步受到重视,但利用人工湿地技术控制技术控制湖泊富营养化外源污染的研究在我国刚刚起步,目前大多数研究和应用都集中在富营养化水体的治理方面。1994年,我国在滇池建立的人工湿地系统用以处理滇池流域农业面源污染,根据14个月运行检测,该湿地系统对TN平均去除率为35.5%~60%左右,对TP平均去除率为24.4%~47.8%。2002年,中国科学院南京地理与湖泊研究所和云南玉溪市环科所设计的抚仙湖人工构造湿地开始投入运行,检测结果表明对各项污染指标的去除率分别达到:COD 87.8%、BOD 68.7%、SS 96.3%、TP 32.4%、TN 36.0%,出水水质也由处理前的Ⅳ类水质提高到Ⅲ类水质。2002年官厅水库潜流人工湿地处理系统,对官厅水库受污染水进行处理,结果表明当进水中的TN和TP浓度分别在5.0~9.0mg/L和0.65~0.85mg/L之间波动时,潜流人工湿地对它们的去除率分别为50%和40%左右,在夏季,系统对COD和NH4-N的去除率可达50%到70%。

    4.生物修复工艺和人工湿地工艺结合(自适应生物反应器)

    该项组合技术将低能耗生物反应器与酶促生态系统等污水处理单元通过技术集成和优化组合,形成城市污水处理与回用的高效率、低能耗的生物/生态组合工艺。

    低能耗生物反应器:一体化自响应节能生物反应器由多功能区(根据不同运行模式可分别按厌氧、补氧及强化絮凝三种功能运行)、生化反应区(根据不同运行模式可按缺氧、好氧或兼性反应运行)和沉淀区三部分构成。可根据进水水质、水温等因素的变化以及处理水排放或回用要求,通过进出水、回流污泥的闸门切换,在同一反应器内分别变换三种不同的运行模式。生化反应区内植高密人工驯化、选育适宜于常温低浓度污水的优势厌氧与兼氧菌混合微生态群体,反应与传质基于细胞尺度,微生物处于高活性反应区间;反应区内存在隐吸环流混合与高生物量反应;以低压高速流体激波强烈切割厌氧生物絮体,增大比表面积和加速底物的传质与生物氧化过程,大幅度提高厌氧微生物的反应速率,缩短反应时间使厌氧反应池内的HRT=8h左右,减小反应区容积,节省工程造价,节约运行费用。其COD去除率达70~80%,使厌氧段的BOD5去除达到接二级处理水平。

    酶促生态系统深度净化技术:酶促生态系统是基于人工湿地(Constructed Wetlands)的基本原理的深化应用,它综合了表面流湿地(Surface Flow Wetlands)和潜流湿地(Subsurface Flow Wetlands)的特点,与传统的生物处理工艺相比其作用机制及处理系统中物质的变化过程有较大差异。污水进入酶促生态系统,酶促生态系统系统中的填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜,污水流经酶促生态系统时大量的悬浮物(包括不溶性有机物)被截流而沉淀在基质中,有机质通过生物膜的吸附生物降解与植物的吸收得以去除;湿地床层中,植物根系具有较强的输氧作用,可使根系周围的微生态环境中保持较高的溶解氧,并依次形成好氧、缺氧和厌氧环境,保证了污水中的N、P不仅能被植物及微生物作为营养成份直接吸收,还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用而从污水中去除,最后通过湿地基质的定期更换或载培植物的收割而最终使污染物质从系统中去除。湿地表面种植优选根系发达、成活率高、生长周期长的植被,确保其处理性能好且具有景观及经济价值。

    技术特点

    与相同处理级别的现行工艺相比,工程建设投资节省20%以上;运行成本降低40%以上,处理总能耗节约30%以上;产生的污泥量少60%;管理要求低。

    本工艺处理城市污水,能经济有效地达到《污水综合排放标准》一级排放标准和市政、绿化杂用水水质标准。 经济指标 采用生物/生态工艺处理城市污水不含折旧费的直接运行成本为:达一级排放标准0.25元/、达回用标准0.32元/。 建设污水处理厂单位投资约为900元/天左右。

四 结论和总结

    本文论述了湖泊污染的最直接现象富营养化,从它的危害入手,到其起源、判断标准,最后到它的治理方法,而治理方法中主要阐述了生物法,在生物法中分别对生物处理技术,生物修复技术和生态修复技术进行了比较,并且讨论了其可行性。

    生物处理技术在理论上是可行的,但在造价和资金投入方面考虑,不如生物修复技术和生态修复技术。而生物修复技术具有见效快,效果好,无二次污染等各项优点,因此在湖泊富营养化治理方面是可行的,也有很多成功的实例。但就从长远的角度和可持续发展的角度而言,生态法才是最具生命力和经济价值最高的方法,所以本文对生态法中的人工湿地做了比较详细的论述,来探讨生态修复技术在湖泊富营养化治理方面的可行性,最后用大量的实例论证了此法是行之有效的。