非耗能生態(tài)系統(tǒng)污染水體修復(fù)技術(shù)分析及其發(fā)展趨勢(shì)

王英麗 陳云思 曾攀

（廣東中大環(huán)?？萍纪顿Y有限公司 廣東廣州 510601）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用水量不斷增長(zhǎng)，絕大部分污水未作處理直接排入江河湖泊，造成嚴(yán)重的水體污染?！?012年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示2012年全國(guó)地表水國(guó)控?cái)嗝婵傮w為輕度污染；十大流域的國(guó)控?cái)嗝嬷孝簟躅愃|(zhì)斷面比例為20.9%、劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例為10.2%；三大湖中太湖、巢湖均為輕度污染，滇池為重度污染；在32個(gè)重要湖泊中有37.5%是Ⅴ類水質(zhì)，18.8%是劣Ⅴ類水質(zhì)。

水體修復(fù)技術(shù)經(jīng)歷了若干年的發(fā)展，目前國(guó)際上采用的水體修復(fù)技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和生物-生態(tài)法。隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，運(yùn)用生態(tài)技術(shù)修復(fù)水體的方法日漸受到重視。本文綜述了水體修復(fù)技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，旨在更好的了解各種技術(shù)從而更好的將其應(yīng)用的水體修復(fù)中。

1 物理法

包括底泥疏浚、引水換水、污水截留、造流曝氣、機(jī)械除藻等。

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚指把污染底泥從水體中清除出去，此方法可以較大程度地削減底泥對(duì)上覆水體的污染貢獻(xiàn)率，從而改善水質(zhì)。在很多情況下，底泥疏浚是一種必需的措施，此法見效快，效果好。例如瑞典的Trummen湖[1]、滇池草海[2]等在疏浚工程實(shí)施后水質(zhì)都有了明顯的好轉(zhuǎn)。

然而，對(duì)于疏浚的效果還存在一些爭(zhēng)議，南京的玄武湖、日本的Suwa湖都是疏浚失敗的例子[3]。疏浚底泥的環(huán)境效果與疏浚方法有關(guān)，疏?？赡軐?duì)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。此外，疏挖底泥費(fèi)用昂貴，對(duì)水體生態(tài)破壞較大，清除的污泥處置困難，容易造成二次污染。底泥疏浚只能作為水體修復(fù)的輔助手段。

1.2 引水換水

引水換水是將外來清潔水源注入水體，起到稀釋水體污染物的作用，可以降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，減少藻類生長(zhǎng)，對(duì)提高水體透明度有一定作用。但此種方法不僅對(duì)水質(zhì)水量要求高，而且大流量調(diào)水成本高昂。

1.3 污水截流

污水截流即將原本直接排入水體的污水收集到污水廠處理后再排放。污水截流是削減排入受納水體的污染物總量。環(huán)境治理的一個(gè)共識(shí)是源頭治理最重要、過程治理次之、最后是終端治理。污水截流是源頭治理，是治理水體污染的前提條件。但是污水截流法不能消除內(nèi)源污染、干濕沉降等面源污染，對(duì)于已污染的水體來講只依靠污水截流很難恢復(fù)其水質(zhì)功能。

1.4 曝氣

曝氣是采用機(jī)械攪拌、壓縮空氣、水泵、噴射泵等方法進(jìn)行曝氣，提高水體溶解氧濃度，抑制水體中藻類的爆發(fā)，增強(qiáng)水體自凈能力，有效修復(fù)受污染水體[4;5]。但是曝氣法存在投資費(fèi)用高、安裝維護(hù)困難、運(yùn)行費(fèi)用高等問題，不適宜長(zhǎng)期應(yīng)用。

1.5 機(jī)械除藻

機(jī)械除藻是將藻類從水體中移出的一種方式，一般應(yīng)用在藍(lán)藻富集區(qū)，采用固定式除藻設(shè)施和除藻船對(duì)區(qū)域內(nèi)湖水進(jìn)行循環(huán)處理，有效清除浮藻層。能直接大量清除湖面藍(lán)藻水華，可以作為藍(lán)藻大面積爆發(fā)時(shí)的應(yīng)急措施。但是機(jī)械除藻速度遠(yuǎn)比不上藻類生長(zhǎng)速度，去除效率低，費(fèi)用高，作用微弱，不能從根本上解決富營(yíng)養(yǎng)化和水體景觀問題。除此之外，打撈出的藻類的處置也是一大難題。

2 化學(xué)法

2.1 化學(xué)修復(fù)

通過投加各種化學(xué)藥劑提高水體中的溶解氧量，抑制水體沉積物中污染物的釋放，促進(jìn)污染物的降解、去除。研究表明，CaO2、Ca(NO3)2、聚鋁等都能能抑制沉積物中磷的釋放[6]，CaO2能增加水體的溶解氧[7]。但是化學(xué)藥劑不僅成本高，效果持續(xù)時(shí)間短，而且容易造成二次污染。投加化學(xué)藥劑只適用于應(yīng)急處理。

2.2 化學(xué)除藻

化學(xué)除藻是利用噴灑除藻劑來去除水體中的藻類，是一種工藝簡(jiǎn)單、操作方便的有效殺藻方法。但是化學(xué)除藻劑在抑藻的同時(shí)也造成了二次污染，對(duì)其它水生生物存在毒性?；瘜W(xué)除藻劑未從根本上解決水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題，一旦停用藻類又會(huì)爆發(fā)，化學(xué)除藻法只能用于應(yīng)急處理[8]。

3 生物—生態(tài)法

生物—生態(tài)修復(fù)法是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種微生物的生命活動(dòng)對(duì)水中的污染物進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化和降解，從而使水體得到凈化的技術(shù)。以下重點(diǎn)介紹幾種常用的生物-生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)。

3.1 微生物強(qiáng)化法

微生物強(qiáng)化法是通過向水體中投加人工選育或基因工程培育的修復(fù)菌種，通過這些高效菌種快速去除水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)污染物[9;10]。此技術(shù)操作簡(jiǎn)單，管理方便，可快速改善水質(zhì)。但由于水體中缺少微生物的附著基質(zhì)，投加的微生物往往會(huì)隨水流損失，要保持良好的修復(fù)效果就要持續(xù)投加微生物，造成修復(fù)費(fèi)用高昂。

3.2 生物載體法

生物載體法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纖維）為載體，在其表面形成一種特殊的生物膜，生物膜表面積大，可為微生物提供較大的附著面積，有利于加強(qiáng)對(duì)污染物的降解作用，提高水體自凈能力。但目前生物載體法還存在以下問題[11]：1）實(shí)際應(yīng)用范圍較窄；2）應(yīng)用過程中對(duì)水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和使用功能造成一定影響，如在污染水體中使用的載體會(huì)影響到水域的航運(yùn)和泄洪等功能；3）生物膜技術(shù)在基建及運(yùn)行方面所需費(fèi)用較高。

3.3 水生植物法

水生植物法是利用水生植物及其共生微生物吸收和分解污染物，從而起到凈化水體的作用。水生植物還可以改變湖水與底泥間的物質(zhì)交換平衡，促使懸浮或溶解在水中的污染物向底泥轉(zhuǎn)移，澄清凈化水質(zhì)。植物還可以與浮游藻類形成營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，抑制藻類爆發(fā)。據(jù)研究報(bào)道[12;13]，被制成浮床的大榕草、香根草、水芹、水蕹草、多花黑麥草等，對(duì)去除水體N、P和抑制藻類孳生均有明顯的作用。通過對(duì)水生植物收割去除水體中的氮、磷。水生植物法投資成本低，能促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，提高水體景觀效果。

3.4 生物操縱法

生物操縱理論可分為經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱理論。經(jīng)典生物操縱理論是通過人工清除水體中濾食魚類或增加肉食魚類的數(shù)量，使浮游動(dòng)物數(shù)量的增加和組成種類體型大型化，從而提高浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的攝食效率，降低浮游植物的數(shù)量；非經(jīng)典生物操縱理論是通過放養(yǎng)濾食性魚類直接控制浮游植物數(shù)量[14]。實(shí)驗(yàn)表明[15]通過鰱、鳙等的放養(yǎng)有效控制微囊藻和藍(lán)綠藻水華，改善水體的透明度。但由于某些復(fù)雜因素的存在，試驗(yàn)中往往會(huì)出現(xiàn)浮游植物數(shù)量增多[16]，水體缺氧，水生生物死亡等現(xiàn)象[17]。生物操縱理論還存在爭(zhēng)議，應(yīng)用于實(shí)際水體修復(fù)還不現(xiàn)實(shí)。

3.5 人工濕地

人工濕地一般由人工基質(zhì)(多為碎石)和生長(zhǎng)在其上的水生植物(如蘆葦、茳芏等)組成，是一種獨(dú)特的“土壤—植物—微生物”生態(tài)系統(tǒng)。利用濕地基質(zhì)對(duì)污染物進(jìn)行物理吸附、過濾、微生物降解和植物吸收，能有效可靠的處理廢水。人工濕地最大的問題是堵塞，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署通過對(duì)多個(gè)運(yùn)行中的人工濕地調(diào)查發(fā)現(xiàn)有近50%的人工濕地系統(tǒng)在投入使用5年后出現(xiàn)了不同程度的堵塞[18]。人工濕地的植物必須按時(shí)收割，否則容易造成二次污染。填料更換和植物的管理大大增加了人工濕地的維護(hù)成本。

4 構(gòu)建完整生態(tài)系統(tǒng)法

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的不斷加速，完整生態(tài)系統(tǒng)的理念也漸漸應(yīng)用到水體修復(fù)中，取得了良好的效果。

4.1 生態(tài)系統(tǒng)完整性內(nèi)涵

生態(tài)系統(tǒng)完整性的內(nèi)涵從生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)特性角度闡釋主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面[19]：1）生態(tài)系統(tǒng)健康，即在常規(guī)條件下維持最優(yōu)化運(yùn)作的能力；2）抵抗力及恢復(fù)力，即在不斷變化的條件下抵抗人類脅迫和維持最優(yōu)化運(yùn)作的能力；3）自組織能力，即繼續(xù)進(jìn)化和發(fā)展的能力。

4.2 非耗能生態(tài)系統(tǒng)完整性在水體修復(fù)中的應(yīng)用

構(gòu)建完整的水下生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)水體的自凈能力與活力。通過投加微生物和大型食藻溞，清除水體中原有的藻類、腐屑等懸浮物，快速提高水體的透明度，為沉水植物生長(zhǎng)創(chuàng)造條件。在水體種植沉水植物，如苦草、黑藻等；在水體中放養(yǎng)適量的魚、蝦、螺、貝類等水生動(dòng)物。沉水植物的光合作用吸收CO2釋放O2使水體富氧，為水體中的其它生物創(chuàng)造良好的生活環(huán)境。構(gòu)建完整生態(tài)系統(tǒng)法是多種生物—生態(tài)法的有效組合。生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建后，構(gòu)成了具有水下分解者、生產(chǎn)者、消費(fèi)者的完整生態(tài)系統(tǒng)，如圖1所示。

此水下生態(tài)系統(tǒng)具備了完整生態(tài)系統(tǒng)的三個(gè)特性：1）生態(tài)系統(tǒng)健康：系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者之間的物質(zhì)循環(huán)正常進(jìn)行，水體保持健康狀態(tài)；2）抵抗力及恢復(fù)力：水體具有良好的自凈能力，能承載一定量的污染負(fù)荷；3）自組織能力：生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的種類不斷增多，生物多樣性增多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。北京圓明園鳳麟洲于2007年9月至11月，方河、鑒碧亭和玉玲瓏3個(gè)景觀湖于2008年4月至6應(yīng)用了構(gòu)建完整生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行水體修復(fù)[20]，修復(fù)后，濁度、COD、TN、TP分別下降了74%～99%、63%～87%、77%～85%、77%～85%，水質(zhì)從V～劣V類改善到II～I(xiàn)II類，修復(fù)效果持續(xù)至今。此種修復(fù)技術(shù)不是單一的某種生物—生態(tài)修復(fù)，而是構(gòu)建一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮水體的自凈能力。該生態(tài)系統(tǒng)不僅維護(hù)方便、不耗能而且還具有良好的景觀效果。

圖1 水下生態(tài)系統(tǒng)

5 展望

水體修復(fù)的技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，每種技術(shù)各有利弊。河流、湖泊等水體是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，并不是單一的一種修復(fù)方法就能解決污染問題，必須對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)深刻了解,才能合理確定其水體修復(fù)方法。生物—生態(tài)修復(fù)技術(shù)是環(huán)境友好的，經(jīng)濟(jì)可行的一類技術(shù)，但單一的生物—生態(tài)技術(shù)存在修復(fù)持續(xù)性差、管理困難、影響水體功能（如防洪泄洪等）等問題。構(gòu)建完整生態(tài)系統(tǒng)法是將各種生物—生態(tài)法的有機(jī)組合，發(fā)揮各種方法的優(yōu)點(diǎn)，恢復(fù)水體自我修復(fù)功能，具有良好的有效性、經(jīng)濟(jì)型和景觀性性，值得大力研究和推廣。

總而言之，各種修復(fù)方法并不是孤立的，應(yīng)結(jié)合水體自身的現(xiàn)狀綜合運(yùn)用，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)點(diǎn)。

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