富營養(yǎng)化水體原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

毛紅梅，稅永紅，周 添，余 鵬

(成都紡織高等專科學(xué)校 廢水處理集成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，四川成都 611731)

富營養(yǎng)化水體原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

毛紅梅，稅永紅，周 添，余 鵬

(成都紡織高等專科學(xué)校 廢水處理集成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，四川成都 611731)

原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)遵循自然規(guī)律，能強(qiáng)化水體本身的自凈能力，恢復(fù)水體中生態(tài)系統(tǒng)的平衡，具有運(yùn)行維護(hù)成本低、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前富營養(yǎng)水體修復(fù)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。其主要包括人工濕地、穩(wěn)定塘、沉水植物、生態(tài)浮床等技術(shù)。通過研究以上技術(shù)的原理及進(jìn)展，認(rèn)為人工濕地技術(shù)和生態(tài)浮床技術(shù)是我國富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的主要方向，并對如何進(jìn)一步提高原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)的處理效率提出了建議。

原位生態(tài)修復(fù) 人工濕地 穩(wěn)定塘 沉水植物 生態(tài)浮床

0 引言

近年來，隨著我國人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)化肥的大量使用，未經(jīng)處理或簡單處理的工業(yè)廢水的大量排放，生活污水和畜禽糞便的大量產(chǎn)生以及人類不合理的開發(fā)利用水資源造成我國的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重[1]，嚴(yán)重影響水體的供水、養(yǎng)殖、娛樂等社會(huì)服務(wù)功能，破壞水體生態(tài)平衡。因此，治理富營養(yǎng)化水體技術(shù)的發(fā)展和研究具有重要的意義。

富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)在空間上可分為原位修復(fù)和異位修復(fù)。異位修復(fù)是先將受污染的水體移出，在異地進(jìn)行處理后再返回到原來的水體中，其建造、運(yùn)行、管理費(fèi)用過高，帶有二次污染，應(yīng)用有一定局限性。原位修復(fù)是直接在水體內(nèi)部進(jìn)行處理，投資低、環(huán)境友好。原位修復(fù)技術(shù)主要分為原位生態(tài)修復(fù)、原位生物修復(fù)、原位固定化學(xué)修復(fù)等[2]。原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)遵循自然規(guī)律，強(qiáng)化水體自凈能力，能恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡，而且運(yùn)行維護(hù)成本低，是當(dāng)前富營養(yǎng)水體修復(fù)技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，具體分為人工濕地、穩(wěn)定塘、沉水植物、生態(tài)浮床。本文通過分析以上技術(shù)的原理、發(fā)展情況，來分析未來富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)的主要研究方向。

1 人工濕地

1.1 人工濕地的原理

人工濕地是通過模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)展而來。人工濕地技術(shù)是利用基質(zhì)、水生植物和微生物一系列物理的、化學(xué)的以及生物的協(xié)同作用，如過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等作用來完成對污染物的高效去除，使水質(zhì)得到改善，實(shí)現(xiàn)對污水的凈化。

1.2 人工濕地的研究進(jìn)展

人工濕地用于處理富營養(yǎng)化水體已非常成熟，如泰晤士河[3]、官廳水庫[4]，人工濕地總體上表現(xiàn)出投資低、耗能低、運(yùn)行費(fèi)用低、出水水質(zhì)穩(wěn)定、抗沖擊力強(qiáng)、操作簡單以及具有美學(xué)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)，但也有如下缺點(diǎn)：易受氣候影響、占地面積較大、基質(zhì)易堵塞。

人工濕地脫氮除磷工藝具有投資少、處理效果好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。相比表面流人工濕地，水平潛流及垂直流人工濕地具有脫氮除磷效果好，少惡臭、受氣候影響小等優(yōu)點(diǎn)。Guo[5]等發(fā)現(xiàn)間歇曝氣(1h開，1h關(guān))可提高氨氮的去除率(為90%)，但總氮的去除效率沒有明顯提高(為53%)，通過污水回流(1:1)，可將總氮的去除率提升到71%，在此基礎(chǔ)上添加碳源，總氮的去除率可提升到82%，通過鐵活性炭電解系統(tǒng)，總氮的去除率可達(dá)到86%。王瑋[6]構(gòu)建了一種新型噴淋增氧系統(tǒng)和反硝化排氣管投加碳源系統(tǒng)，改善了水平潛流人工濕地內(nèi)氧環(huán)境不佳，抑制硝化反應(yīng)的情況，同時(shí)在反硝化脫氮過程中供應(yīng)碳源，可提高硝酸鹽氮的去除率。對于磷的去除，目前認(rèn)為基質(zhì)的吸附起主要作用，Drizo等[7]比較了七種常見基質(zhì)對磷酸鹽磷的吸附能力，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和頁巖具有較強(qiáng)的吸附能力，頁巖的最高吸附量可達(dá)730mgP/kg；其次是鋁土礦、石灰石、陶粒、油性頁巖、沸石。HX Tan 等[8]研究了鋼渣、頁巖、棕色土、碎石對磷的吸附能力，其最大吸附量分別為2500mgP/kg、666 mgP/kg、2.25 mgP/kg、0.54 mgP/kg。針對基質(zhì)易堵塞的問題，采取周期性排水可將堵塞在空隙中的SS沖刷出去，從而延長潛流濕地運(yùn)行壽命，并且發(fā)現(xiàn)采用較大長寬比也可防止前端堵塞和短流現(xiàn)象[9]。

對于植物的研究主要是植物的選種和不同組合對污染物的去除效果。蔣躍平等[10]研究了黃菖蒲、斑茅、美人蕉、菖蒲、線穗苔草、紫露草、 吉祥草、蘆竹、芋、花葉蘆竹、香蒲、荻、菩提子、菰、 黑麥草、鳶尾和鴨跖草等17種植物對輕度富營養(yǎng)化水體的降解作用，發(fā)現(xiàn)美人蕉和菖蒲具有最高的氮磷富集能力(24.48g/m2、1.95 g/m2)，鳶尾的氮富集能力最低(2.10 g/m2)，菰的磷富集能力最低(0.23g/m2)。Curia A C等發(fā)現(xiàn)在較低溫度的情況下，蘆葦和香蒲間隔種植對人工濕地去除污染物更為有利[11]。

2 穩(wěn)定塘

2.1 穩(wěn)定塘的原理

穩(wěn)定塘是一種利用菌藻共同作用發(fā)生的物理、化學(xué)及生化作用凈化水質(zhì)的生物處理構(gòu)筑物。有機(jī)物通過微生物的吸附和生物代謝作用、有機(jī)物大顆粒的沉降作用及填料的截留作用去除。氮經(jīng)過硝化-反硝化作用、植物的吸收及氨氮的揮發(fā)等方式去除，基質(zhì)對磷酸鹽的吸附、植物對磷的吸收及有機(jī)磷的氨化等作用促進(jìn)磷的去除。

2.2 穩(wěn)定塘的研究進(jìn)展

穩(wěn)定塘能充分利用地形，具有建設(shè)費(fèi)用低，運(yùn)行、維護(hù)和操作較為方便簡單等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，穩(wěn)定塘可用于極寒地區(qū),如處理加拿大北極的污水[12]。但穩(wěn)定塘也存在停留時(shí)間長、占地面積相對大、積泥嚴(yán)重和散發(fā)臭味的缺點(diǎn)，導(dǎo)致穩(wěn)定塘多用于低濃度污水的處理或深度處理。針對這些缺點(diǎn)，研究了許多新型塘和組合塘工藝。如：以色列Shelef&Azov等人開發(fā)的活性藻系統(tǒng)可以減少人工供氧量， Oswald提出的高效藻類塘創(chuàng)造了有利于藻類和細(xì)菌生長繁殖與相互作用的環(huán)境，降低了水利停留時(shí)間，減少了占地面積。趙學(xué)敏等組合預(yù)處理塘、好氧塘、水生植物塘、養(yǎng)殖塘處理大清河黑臭水體取得了良好的效果[13]。

同時(shí)，由于穩(wěn)定塘具有良好的沉淀性能，其置于濕地之前，能有效的解決濕地基質(zhì)的堵塞問題，提高濕地的使用壽命。其置于濕地之后可實(shí)現(xiàn)對氮磷進(jìn)一步的去除，穩(wěn)定出水水質(zhì)。

3 沉水植物

3.1 沉水植物的原理

沉水植物是指根扎于底質(zhì)中，莖葉飄浮生長在水氣界面以下的大型水生植物類群。在其生長過程中，根、莖、葉可以同化吸收和富集水體與底質(zhì)中的氮、磷和其他元素，釋放氧氣，抑制底泥中氮、磷等污染物質(zhì)的溶解和釋放，釋放的化學(xué)物質(zhì)可以殺死部分藻類。同時(shí)，生長良好的沉水植物對營養(yǎng)物質(zhì)和光照的競爭優(yōu)勢可以抑制藻類的生長，為大型浮游動(dòng)物提供棲息面積，提高水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，凈化水質(zhì)，改善水生態(tài)環(huán)境。

3.2 沉水植物的研究進(jìn)展

沉水植被的恢復(fù)作為富營養(yǎng)化湖泊的內(nèi)源污染負(fù)荷控制和生態(tài)恢復(fù)的重要手段，具有投資和管理成本低、操作簡單、環(huán)境友好等特點(diǎn)。同時(shí)，具有減少水土流失和防止侵蝕等作用。但沉水植被的自然恢復(fù)易受外界因素的影響，如溫度、光照、營養(yǎng)鹽、食草動(dòng)物的活動(dòng)以及較低的透明度等使沉水植物的成活率降低，恢復(fù)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。水位調(diào)控法[14]、半浮式載體移栽技術(shù)[15]、水箱養(yǎng)草[16]，可以克服富營養(yǎng)化水體透明度低、食草動(dòng)物的干擾等的問題。金樹權(quán)等[17]研究了輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜等5種植物對氮、磷去除能力大小，發(fā)現(xiàn)去除率大小順序依次為：輪葉黑藻>金魚藻>苦草>穗狀狐尾藻>微齒眼子菜。

4 生態(tài)浮床

4.1 生態(tài)浮床的原理

生態(tài)浮床由無土栽培技術(shù)發(fā)展而來，其通過水生植物根系的吸收、吸附、截留作用，微生物的降解，以及水生動(dòng)物的攝食作用來消減水體中的污染物質(zhì)。生態(tài)浮床按其形態(tài)分為有框式和無框式。有框式生態(tài)浮床強(qiáng)度大，可以抵御水力和風(fēng)力干擾，使用壽命長，是目前使用的主要浮床。其主要由框架、床體、基質(zhì)、固定裝置、連接裝置、植物等幾部分組成。

4.2 生態(tài)浮床的研究進(jìn)展

生態(tài)浮床由于其成本低，易制作維護(hù)，景觀效果好，不占面積，二次污染小等，在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于治修復(fù)富營養(yǎng)化水體，如日本霞浦湖[18]，北京、上海等城市污染河的生態(tài)修復(fù)[19]。但也存在處理時(shí)效性不高、植物回收資源化等問題。目前對于生態(tài)浮床的研究主要集中在浮床材料、優(yōu)勢植物篩選組合、浮床工藝改進(jìn)等三方面。

(1)浮床床體的作用是支撐植物、提供浮力，浮床材料的選擇要求穩(wěn)定、耐久、經(jīng)濟(jì)、浮力強(qiáng)大。目前，最常用的是聚苯乙烯泡沫板。另外，竹筐、椰殼、棕絲、廢舊橡塑、輪胎等材料可以實(shí)現(xiàn)資源再利用，也被大力推廣。向床體中引入人工填料，將蛭石、陶粒、珍珠巖、塑料、纖維等材料，可以有效富集微生物，如劉婭琴等[20]將沸石裝入小孔徑的尼龍網(wǎng)袋，懸掛至浮床上形成的框式復(fù)合型生態(tài)浮床比傳統(tǒng)的聚苯乙烯泡沫板浮床對有機(jī)物、N、P的去除效果更好，并可以更好地抑制顫藻和螺旋藻的生長。

(2)優(yōu)勢植物篩選與組合。植物是凈化水體的主體，優(yōu)先選用本地植物，同時(shí)還要求根系發(fā)達(dá)、繁殖能力強(qiáng)。目前常用的浮床植物有蘆葦、美人蕉、菖蒲、石菖蒲、香蒲、香根草、鳳眼蓮、水浮蓮、水芹菜、水稻等。王敏等[21]選用旱生美人蕉、水生美人蕉、旱傘草、鳶尾、馬藺、菖蒲六種植物應(yīng)用于處理天津大沽排污河，結(jié)果表明：鳶尾、菖蒲、馬藺對總氮的去除能力較強(qiáng); 鳶尾、馬藺和美人蕉對氨氮的去除效果較好; 美人蕉、馬藺和旱傘草對總磷的去除能力最強(qiáng)。

(3)新型浮床工藝，如微曝氣強(qiáng)化生態(tài)浮床、以“植物-動(dòng)物-微生物”為核心的組合式生態(tài)浮床、浮床濕地技術(shù)等，可以充分利用浮床立體空間、延長浮床系統(tǒng)食物鏈，加快微生物的新陳代謝，強(qiáng)化浮床的微生物富集特性，提高生態(tài)浮床的凈化能力。稅永紅等[22]發(fā)展了由白三葉草、無紡布、基質(zhì)組成的浮床濕地系統(tǒng)，其對于TN、NH3的去除效果明顯。王芳等[23]構(gòu)建上層為浮床支架，中層為生物掛膜基質(zhì)與生物碳源(玉米芯)，下層為填料沉箱與沉水植物(苦草)立體式生物質(zhì)生態(tài)浮床，脫氮效率高，微生物相當(dāng)豐富。

生態(tài)浮床技術(shù)對污染負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，對水深沒有特別要求，出水的生物安全性也較高，可以有效解決凈化周期長、微生物數(shù)量少、水中溶解氧少、占地面積大等問題。同時(shí)，將生態(tài)浮床技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合，還能維持很高的經(jīng)濟(jì)效益[24]，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

各種原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)富營養(yǎng)化水體原位修復(fù)中的應(yīng)用越來越多，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)我國的氣候和地理?xiàng)l件選擇合適的修復(fù)技術(shù)。其中，人工濕地和生態(tài)浮床工藝成熟，成本低廉、處理效果好、易于普及，是我國富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的主要方向。需要指出的是，人工濕地和生態(tài)浮床都存在冬季去除效率低、植物越冬困難的問題，未來對于植物的研究可以考慮常用水生植物如(美人蕉、菖蒲等)組合多年生植物(如萬年青、梔子花、白三葉草、夾竹桃等)。生態(tài)浮床和人工濕地添加掛膜基質(zhì)(組合填料、無紡布)、吸附基質(zhì)(如鋼渣、鐵活性炭)、改善水力條件(如曝氣、回流)等，可以強(qiáng)化其脫氮除磷的能力。如何進(jìn)一步的提高原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)的處理效率，降低成本，仍然有廣闊的研究空間。

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2017-06-20

四川省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2016GZ0424)，四川省教育廳重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(16CZ0037)。

毛紅梅(1991-)，女，碩士，助教，研究方向：環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展研究及教學(xué)工作。

稅永紅(1968-)，女，碩士,教授。

X52

A

1008-5580(2017)04-0156-04