水體富營養(yǎng)化的生物修復(fù)研究進展

黎銘軒 張妍 江學(xué)頂 李富華

摘? ?要：富營養(yǎng)化的水體對人們的生活環(huán)境造成了極大的負(fù)面影響，水體富營養(yǎng)化所產(chǎn)生的一系列問題甚至成為許多發(fā)展中國家經(jīng)濟發(fā)展的制約因素，嚴(yán)重時還會威脅到人類的生存。因此，如何修復(fù)富營養(yǎng)化的水體、降低其中的氮（N）、磷（P）等營養(yǎng)物質(zhì)的含量以及如何利用最經(jīng)濟實用的技術(shù)手段來恢復(fù)水體綜合功能已經(jīng)成為當(dāng)前全球環(huán)境研究的熱點問題。本文主要從不同的生物修復(fù)技術(shù)在富營養(yǎng)化水體的作用進行研究與評價，列舉出目前人類所掌握的富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)，及其在未來的應(yīng)用前景和展望。

關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化? 水體生物修復(fù)? 修復(fù)技術(shù)

作為一種新興的環(huán)境修復(fù)技術(shù)—生物修復(fù)技術(shù)，與物理化學(xué)修復(fù)相比，生物修復(fù)技術(shù)具有環(huán)境友好、成本低、無二次污染等優(yōu)點。該技術(shù)已經(jīng)引起了世界各國的關(guān)注，并在土壤、地表水和地下水的污染治理中發(fā)揮著越來越重要的作用。富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)有很多種，不同的生物修復(fù)技術(shù)對富營養(yǎng)化水體的影響不同，因此針對不同水體選擇合適的修復(fù)方案具有重要意義[1]。本文對水體富營養(yǎng)化的生物修復(fù)技術(shù)進行簡要總結(jié)歸納，并對生物修復(fù)技術(shù)的未來與展望進行探討。

1? 富營養(yǎng)化水體生物修復(fù)技術(shù)

1.1 植物修復(fù)技術(shù)

使用水生植物來修復(fù)水體是最常見的一種方法，不僅能耗低，經(jīng)濟效益高，而且生態(tài)效益好，效果顯著。水生植物種類繁多，可分為漂浮植物、水生植物、沉水植物等。

（1）沉水植物。

水下植物都在水層下，以適應(yīng)大型水生植物的生存。植物的各個部位都能吸收水分和養(yǎng)分，尤其是曝氣組織的發(fā)育，在水中缺氧的情況下能促進氣體交換。這也是有更顯著水凈化效果的原因。水下植物的品種很多，有螺旋藻、狐尾藻、苦草、金魚藻、鼠尾草等。與初始的底泥相比，矮生植物的根系沉積物中的典型酸性硫化揮發(fā)物（AVS）與亞鐵（Fe2+）還原性物質(zhì)分別減少了96.3%和92.6%。對比不同類型的修復(fù)水體，生長得更好的是矮慈姑，游離氨（NH4+-N）、總磷（TP）和葉綠素a（Chl-a）的平均濃度分別為2.1mg/s、1.3mg/s和301.6mg/s，遠低于對照系統(tǒng)。矮慈姑系統(tǒng)地吸收和利用導(dǎo)致富營養(yǎng)化的物質(zhì)，有效地抑制了底泥中污染物氮（N）、磷（P）的釋放[2]。如何選擇和正確匹配不同的修復(fù)植物具有重要的意義[3]。

（2）挺水植物。

挺水植物一般存在淺水區(qū)中，常出現(xiàn)有通氣組織。由于其生物量大，需要大量的營養(yǎng)物質(zhì)，不僅可減少富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)含量，且可為城市增添一道靚麗的風(fēng)景[1]。挺水植物常見的有荷花、水芹、茭白荀、蘆葦、蒲草、荸薺、蓮、香蒲等[4]。N和P是植物成長的基本元素之一，研究結(jié)果表明：黃花鳶尾、旱傘草、黃菖蒲、蒲葦、水蔥、西伯利亞鳶尾、花葉蘆竹、千屈菜、水生美人蕉等植物在培養(yǎng)時間35d里對富營養(yǎng)化水體中總氮（TN）的去除率分別為89.1%、89.1%、93.4%、88.8%、88.7%、89.0%、89.0%和92.4%;挺水植物的根系較發(fā)達，具有較強的輸氧能力，其根系易產(chǎn)生好氧的環(huán)境，促進植物生長與進一步除P[5]。

（3）飄浮植物。

水葫蘆是我們生活中最常見的漂浮植物，對水中營養(yǎng)物質(zhì)有很高的吸收率。但由于其傳播擴散速度快，極易在水中形成危害，故需要進行定期打撈。研究結(jié)果表明，30天后，在N、P的濃度比較高的情況下TN和TP的去除率分別達到80.0%、90.0%，其他情況去除率可達到75.0%以上[6]?？梢姡J是理想的一種水體修復(fù)植物，也是一種觀賞植物，故在處理富營養(yǎng)化水體中得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 水稻修復(fù)技術(shù)

目前，有許多不同的生物修復(fù)技術(shù)，其中之一是利用水稻修復(fù)富營養(yǎng)化水體的技術(shù)[7]。其可行性主要表現(xiàn)在三個方面。首先，水稻具有很強的吸收和同化水中N、P的能力;其次，水稻是唯一能被淹沒和種植的糧食作物，在這方面具有固有的優(yōu)勢;第三，水稻對水庫、湖泊、生活污水、農(nóng)田取水、污水渠等富營養(yǎng)化的水體有著顯著修復(fù)能力[8]。

水稻修復(fù)富營養(yǎng)化有三種技術(shù)模式[9]：一是生態(tài)浮床水稻種植，成本低，效果好且易于管理，有利于生態(tài)系統(tǒng)的重建和恢復(fù)[10]。二是稻田濕地，可直接利用現(xiàn)有的稻田資源，大大降低濕地建設(shè)成本，且恢復(fù)過程簡單，操作管理方便[11]。三是稻魚共生，該方法有機地結(jié)合了兩種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：水稻種植和養(yǎng)魚。對水體中N、P養(yǎng)分吸收也有明顯的影響[12]。

1.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)是指在受控環(huán)境條件下，將有毒的污染物轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)的天然發(fā)生或經(jīng)特殊培養(yǎng)的微生物的處理方法。這個技術(shù)能夠有效降解目標(biāo)污染物，微生物在水中形成局部的優(yōu)勢菌群，抑制致病菌和腐敗菌的增殖，顯著促進水質(zhì)的改善與生物多樣性的改善[13]。

在工程實施方面，微生物修復(fù)可分為原位生物修復(fù)（In-SituBioremediation）和異位生物修復(fù)（En-Situ Bioremediation）兩種技術(shù)。微生物對水體的原位修復(fù)已經(jīng)是控制水體污染技術(shù)的主流。原位生物修復(fù)不會涉及污水的輸送，而直接對污染區(qū)進行修復(fù)。該過程取決于污染、水體中微生物的降解能力與人為創(chuàng)造的適宜微生物降解條件;而異位修復(fù)技術(shù)需從原來的位置移除至將被污染的目標(biāo)培養(yǎng)基，與支持材料、營養(yǎng)物質(zhì)和降解菌的接種劑進行濃縮混合處理[14]。

1.4 KQ復(fù)合微生物技術(shù)

KQ復(fù)合微生物主要是一種復(fù)合的菌群，通過特殊方法培養(yǎng)出光合細(xì)菌、酵母菌、乳酸菌、發(fā)酵絲狀菌、放線菌等十多種菌群[15]，這些符合的菌群可以快速分解濃縮的有機物，縮短氧化時間，提高其降解的效率。

通過微生物的代謝，利用微生物修復(fù)技術(shù)。富營養(yǎng)化水體中微生物種群的細(xì)胞壁將有機物吸收和消化，在這個過程中，產(chǎn)生代謝物也能提供營養(yǎng)給其他微生物等，直至富營養(yǎng)化水體中有機物完全被分解[16]。該方法極大提高了對水體的凈化效果且對環(huán)境的不良影響較小，具有良好的可持續(xù)性。

1.5 生態(tài)草技術(shù)

生態(tài)草技術(shù)是一種新型的仿生設(shè)計凈化技術(shù)，其來源包括天然植物區(qū)系和人工植物區(qū)系。該技術(shù)由阿克曼生態(tài)群、仿生生態(tài)草和線性生態(tài)填料組成，在發(fā)達國家里得到了良好的應(yīng)用，有顯著效果。新型的填料正在逐步興起，能提高裝在的效果，并可以根據(jù)不同的應(yīng)情況進行定制。因此這個技術(shù)的水體凈化與修復(fù)功能和承載功能都得到了很大的改善，在水體處理中得到了廣泛的應(yīng)用[17]。

1.6 微生物-植物原位生物修復(fù)

基于種植植物和添加生物制劑的微生物-植物原位生物修復(fù)技術(shù)不但能處理富營養(yǎng)化的水體，還可維持水體中的生態(tài)平衡。該生物修復(fù)技術(shù)利用微生物來降解水體的有機物，并且通過植物將其轉(zhuǎn)化為無機養(yǎng)分[18]。N、P的吸收轉(zhuǎn)化和積累，使富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)的綜合去除，對進一步加強抑制富營養(yǎng)化的作用。另外，空氣的氧可通過植物通氣組織到達其根部，進而擴散到根部的表面，為微生物提供一個好氧的環(huán)境，為根區(qū)以外的微生物提供一個缺氧的環(huán)境，這種缺氧環(huán)境更有利于清除水體。對于N、P元素，微生物可將大分子的有機物轉(zhuǎn)化程小分子的無機物用于植物生長。植物與微生物共同作用，維持水體的生態(tài)平衡，減少污染物，提供更便利的生活條件[19]。

1.7 人工濕地的錯配

人工濕地污水凈化是微生物、基質(zhì)和植物相互作用的一種結(jié)果。目前，人工濕地生態(tài)過程中的污水處理技術(shù)可分為地表流和地下流。在地下水流的基礎(chǔ)上，又可將其轉(zhuǎn)化為垂直流和波形流的人工濕地系統(tǒng)。地表的徑流人工濕地通過植物根系生物膜的降解和根系的截留來去除污染物;而地下水流的人工濕地可很好地利用濕地的基質(zhì)。垂直流的人工濕地為地下流和地表流相結(jié)合的結(jié)果;在波形流人工濕地中隨著水流的曲率的增加，污水流經(jīng)內(nèi)部矩陣濕土壤的多次波流，并添加擋板的傳統(tǒng)設(shè)計淹沒流濕地為一波流分布模式。與傳統(tǒng)的濕地系統(tǒng)相比，垂直流的波形濕地系統(tǒng)的污水處理效果更加明顯[20]。研究指出，對不同類型的濕地植物進行錯配形成的復(fù)合人工濕地，能取得較好的處理效果，如表1所示。

2? 結(jié)論與展望

總的來看，在富營養(yǎng)水體修復(fù)技術(shù)中，對于水體微生物修復(fù)技術(shù)，使用該技術(shù)能夠增加生物的多樣性，構(gòu)建水體微生態(tài)平衡。同時也具有操作簡單、投資小、二次污染風(fēng)險低等特點，具有可觀的發(fā)展前景[20]。對于水生植物修復(fù)技術(shù)，只要操作得當(dāng)以及留心注意事項，能夠很好且有效地對水體富營養(yǎng)化進行修復(fù)，但由于試驗的時間較短及環(huán)境條件的限制，水生植物對水中TN、TP的去除效果在實際工程中還達不到。不同植物生長習(xí)性的不同也給試驗控制增加了難度，如何全面的評價水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果還需在以后的試驗中進一步研究。而對于人工濕地污水處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的處理方法相比，該方法可以降低成本，提高凈化效率，但易受氣候條件和土地占用的影響。在綜合分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國的實際情況，該技術(shù)在未來污水處理領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展趨勢[21]。

參考文獻

[1] 朱麗麗，張路，李換平，等.富營養(yǎng)化水體凈化研究進展[J].綠色科技，2017（4）：44-49.

[2] 高帥強，陳志遠，李鋒民，等.沉水植物矮慈姑對重污染底泥的耐受及其中主要污染物的去除[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2019，39（7）：2182-2189.

[3] 張之浩，吳曉芙，李威.沉水植物在富營養(yǎng)化水體原位生態(tài)修復(fù)中的功能[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2018，38（3）：115-121.

[4] 徐秀玲，陸欣欣，雷先德，等.不同水生植物對富營養(yǎng)化水體中氮磷去除效果的比較[J].上海交通大學(xué)學(xué)報：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2012，30（1）：8-14.

[5] 王彬彬，許光耀，楊軍中.華北地區(qū)常見九種挺水植物氮磷凈化效果優(yōu)選[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018（5）：100-104.

[6] 曾樂媛.5種水生植物對富營養(yǎng)水體的凈化研究[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2016.

[7] 梁偉林.湖泊富營養(yǎng)化評價方法研究及其系統(tǒng)設(shè)計[D].電子科技大學(xué)，2017.

[8] 盧進登，陳紅兵，趙麗婭，等.人工浮床栽培7種植物在富營養(yǎng)化水體中的生長特性研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006（7）：58-61.

[9] Zhou X H， Wang G X. Nutrient concentration variations during Oenanthe javanica growth and decay in the ecological floating bed system[J]. Journal of? ? ?Environmental Sciences，2010，22（11）：1710-1717.

[10]黃央央，江敏，張飲江，等.人工浮島在上海白蓮涇河道水質(zhì)治理中的作用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（8）：108-113.

[11]吳啟俠，朱建強，李谷，等.不同水管理模式下稻田對養(yǎng)殖肥水的凈化效果研究[J].灌溉排水學(xué)報，2011，30（4）：5-9.

[12]馮金飛，李鳳博，吳殿星，等.稻作系統(tǒng)對淡水養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化的修復(fù)效應(yīng)及應(yīng)用前景[J].生態(tài)學(xué)報，2014，34（16）：4480-4487.

[13]唐偉，張遠，王書平，等.微生物菌劑在水體修復(fù)中的應(yīng)用進展[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2019，9（2）：151-158.

[14]喻龍，龍江平，李建軍，等.生物修復(fù)技術(shù)研究進展及在濱海濕地中的應(yīng)用[J].海洋科學(xué)進展，2002（4）：99-108.

[15]李成森.利用微生物技術(shù)修復(fù)黑臭和富營養(yǎng)水體的研究[J].科技資訊，2018，16（6）：131-132.

[16]雷靜，年夫喜，馮國棟，等.富營養(yǎng)化水體清淤后的微生物脫氮技術(shù)應(yīng)用[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（7）：3949-3955.

[17]陳亮.城市水環(huán)境治理生物修復(fù)技術(shù)的研究[J].智能城市，2018，4（18）：108-109.

[18]丁鋼.生物修復(fù)技術(shù)在富營養(yǎng)化水體中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（10）：204.

[19]劉鑫，陳明明，張俊英.生物修復(fù)技術(shù)在水體富營養(yǎng)化中的應(yīng)用進展[J].綠色科技，2017（14）：130-134.

[20]李靜.人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2019（4）：36-37.

[21]Guédron S，Point D，Acha D，Bouchet S，Baya P A，Tessier E，Monperrus M，Molina C I，Groleau A，Chauvaud L，Thebault J，Amice E，Alanoca L，Duwig C，Uzu G，Lazzaro X，Bertrand A，Bertrand S，Barbraud C，Delord K，Gibon F M，Ibanez C，F(xiàn)lores M，F(xiàn)ernandez Saavedra P，Ezpinoza M E，Heredia C，Rocha F，Zepita C，Amouroux D. Mercury contamination level and speciation inventory in Lakes Titicaca & Uru-Uru （Bolivia）： Current status and future trends.[J]. Environmental pollution （Barking， Essex ： 1987，2017，231.