城市景观水体的生物修复技术_王琳

城市景观水体的生物修复技术

王琳1,李季23,康文力2,张琴2,李银金2,屈冉3　(1.河南大学环境与健康工程研究中心,河南开封475001;2.中国农业大学资源与环境学院,北京100094;3.北京师范大学水科学研究院,北京100875)

摘要　介绍了城市景观水体的特点、污染来源及其污染状况,并且分别从物理、化学和生物方法3个方面综述了景观水体的各种污染控

制和管理措施,详述了微生物、水生动物、水生植物以及它们之间相互结合处理富营养化水体的修复技术,指出了目前的各种方法都存

在着一定的局限性,应采取综合治理措施,加强微生物、水生动物、水生植物之间的结合,尤其是不同方法、技术的综合研究和应用。

关键词　城市景观水体;富营养化;生物修复

中图分类号　X171.4 文献标识码　A 文章编号　0517-6611(2008)04-01569-02

Study on the Biorem ediation T echnology for U rb an Landscape W aters

W ANG Lin et al　(C ollege of Environm ent and Planning,H enan University,K aifeng,H enan475001)

Abstract　T he characteristics,pollution s ources and pollution status of urban landscape waters were introduced.All kinds of control and m anagem ent

m easures for the pollution of landscape waters were sum up from3aspects of physical,chem ical and biological m eth ods.T he rem ediation techn ology of eu2 trophic water b ody by using m icroorganisms,aquatic anim als,aquatic plants and their interaction were ex patiated.It was pointed out that all the m eth ods

at present had certain lim itations.C om prehensive control m easures sh ould be taken and the combination of m icroorganisms,aquatic anim als and aquatic plants sh ould be strengthened,especially for the combining research and application of different m eth ods and techn ologies.

K ey w ords　Urban landscape waters;Eutrophication;Biorem ediation

近年来,人们的生活水平不断提高,越来越向往“小桥流水、如诗如画”的生活环境。因此,随着城市绿地、公园和居住小区的建设,人工湖泊、人工河流、水族馆、喷泉、瀑布、景观池塘以及景观水池与日剧增。这些景观水体多为静止或流动性差的封闭性缓流水体,一般具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点,再加上当初设计的局限性、后期的污染以及水质管理措施等方面的问题,使其丧失了景观水体的功能,并严重影响周围的自然环境和人居环境[1]。因此,如何保持景观水体清洁是城市生态环境建设中一个亟待解决的问题。

城市景观水体的污染来源主要有以下方面:①大气沉降,主要是尘土、氮磷、硫化物等;②雨水,大气中的污染物(主要是地表积聚物、土壤颗粒、化肥农药残留物、营养盐等)随降雨冲刷径流进入景观水体;③枯枝落叶,水景岸边的植物以及水体中水生植物的枯枝落叶和残体等进入水体后,腐烂分解成为水体中的污染物;④鱼类饵料和排泄物;⑤不文明的游客随意丢弃的垃圾和杂物。因此,要想控制景观水体的富营养化,需要通过生态护岸、引水暗沟、水面保洁、鱼类控制等措施,杜绝上述污染物进入水体,控制外源污染。对于已经受污染的景观水体,应在有效控制外源性营养物质输入的同时,采取有效的方法,通过控制水体中的C OD、BOD5、总氮、总磷的含量而控制藻类的生长,保持水体的洁净。目前,景观水体内源性污染控制和管理措施主要有物理、化学和生物方法。

1　物理方法

用于处理富营养化水体的物理方法主要是稀释冲刷、深层排水、机械清淤、底泥就地处理和曝气充氧等。这些方法主要存在2个问题:①成本高;②不能从根本上控制水体的富营养化,对防止水体水质变坏及水体富营养化的发生只能

基金项目　北京市生态学重点学科项目(XK10019440);北京市都市农业学科群建设项目(XK100190553)。

作者简介　王琳(1980-),女,河南周口人,讲师,从事污水的生物处理研究。3通讯作者。

收稿日期　2007209212起到延缓作用,不能从根本上解决水体水质逐渐变坏的问题。其中,采用曝气的方法给封闭水体充氧在一定程度上可以防止因藻类大量繁殖而导致的鱼类死亡,对维持水体生态平衡起到一定的作用。曝气的方法可以与化学方法或生物处理方法结合应用。

2　化学方法

化学方法主要是应用除藻剂、混凝沉淀(石灰、铁盐、铝盐)除磷等。化学药剂通过破坏某些藻类的细胞壁、细胞膜及其内含物而使其失活甚至解体,从而可杀灭活体细胞。应用除藻剂等化学法的优点是氮、磷及有机碳的去除率较高,一般可达75%～85%,处理效果稳定。但是,在处理过程中使用的化学试剂常引起二次污染,且污泥产量较大,运行费用极高。另外,还可能危害水生生物及人体的健康。因此,使用药剂杀藻需要科学评估。

3　生物方法

3.1　微生物修复　微生物在废水处理和固体废弃物处理等环境污染防治中应用广泛,是目前环境生物修复的主要形式[2]。该方法是直接向富营养化景观水体中投入单一、复合微生物或者是商品化的环境生物制剂,利用投加的微生物激活水体中原本存在的可以自净的、但被抑制而不能发挥其功效的微生物,通过它们的迅速增殖,大量吸收转化水体中的氮、磷等盐类,抑制藻类的生长,治理水体的富营养化。

对于投菌技术,已有许多关于光合细菌、硝化细菌、芽孢杆菌等以及它们组成的复合微生物改善富营养化水体的研究报道。曹式芳等按1∶1∶1的比例将光合细菌、硝化细菌和复合细菌进行混合,处理富营养化景观水体,结果表明有机物与叶绿素的去除率分别达到60%和90%,含氮化合物的去除率达到50%以上,而且投入微生物可使水体DO值由1 mg/L增加到7mg/L[3]。庞金钊等投加光合细菌、硝化细菌、复合菌的混合液对水体浊度的去除率达到88%,并且C OD Mn、氨氮、叶绿素a等的含量均明显降低[4]。唐玉斌等采用纯天然物质制成的生物激活剂Bio Oxidator T M(BO)和Nutra C om plex T M(NC)对上海植物园兰室和牡丹园的湖水进行修复,

安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2008,36(4):1569-1570,1572 责任编辑　刘永　责任校对　马君叶

结果表明施用生物激活剂BO和NC对水体C OD、BOD、TP、浊度等均有显著的去除效果,并可显著提升水体溶解氧[5]。方一丰等用由酵母膏、氨基酸和维生素等组成的生物激活剂对实际景观水体进行修复,结果表明投加生物激活剂的水样C OD Cr去除率比空白增加了27.3%,溶解氧提升21.2%,浊度的去除率增加了23.6%,氨氮的去除率增加了11.5%[6]。

目前,处理效果较好的环境生物制剂。如,美国Alken2 Murry公司研制的C lear2Flo系列微生物制剂用于富营养化水体的修复,已有很多成功的案例。1992年美国M oulin Vert水渠使用C lear2Flo12003个月,NH4+从0.02mg/L降为0.00 mg/L,C OD降低了84%,BOD5降低了74%,无毒性检出,连续接种处理几年后,逐渐恢复了水渠的自净容量。另外,还有美联环保的利蒙LLM O、日本的E M菌剂等。李捍东等采用E M对污水进行处理,向水面定期投放E M菌液,BOD5的去除率达70.7%,C OD的去除率在60%以上,E M还能将造成水体富营养的氮转化成亚硝酸盐或硝酸盐,并且对磷的去除率可达75%[7]。

为了克服基因易遗失的问题,提高其降解效率,利用生物工程技术构建的基因工程菌,不仅具有混合菌的功能,而且纯培养菌株要求单一、生理代谢稳定、易于调控,还具有生长繁殖迅速、絮凝性好和高降解活性的优点。构建高效的基因工程菌可显著提高污染物的降解效率,解决生物修复周期长等问题。目前,基因工程菌应用的关键是安全性问题。3.2　水生植物修复　在城市景观水体处理中,水生植物占据着十分重要的地位[8],一方面起着代替曝气机输氧的作用,另一方面为微生物群落创造了有利的活动场所。用于处理富营养化水体的植物一般具有以下特点:耐污能力强,抗寒性强,生长快,能积累大量的氮磷等营养物质,易收割,易控制,具有一定的观赏价值和经济价值。目前,国内外已利用的水生植物主要有凤眼莲(Eichhornia crassipes)、睡莲(Nymphaea linn.S pp)、满江红(Azalla imbricate Nakai)、美人蕉(Cana generalis Bailey)、香蒲(T ypha linn.S pp)、茭白(Zizania Iatifolia S tapf)[9-12]等。它们吸收水体中多余的营养物质,进而消除水体的富营养化。水生植物主要通过3个重要作用净化富营养化水体:①直接吸收利用氮、磷等营养物质,并吸附一些有毒有害物质;②为微生物提供好氧、厌氧条件;③增强和维持介质的水力传输能力。另外,植物通过光合作用为净化水体提供能量,节省能源,并且通过定期收割回收了资源;植物与浮游藻类竞争营养物质和光能,进而抑制藻类的生长;植物具有观赏性,能改善景观生态环境;植物增加了系统的生物多样性,提高了系统抵抗外界的干扰能力,使水生生态系统的结构更加稳定。

国外许多学者早就认识到水生植物在富营养化水体中的调控作用,对其生物净化的机理和可行性进行了研究[13-14]。Jurgen用芦苇处理生活污水,C OD、总氮、总磷的去除率均达80%～90%[15]。大量的研究表明,植物的存在对人工湿地脱氮除磷有很大的帮助。然而,植物不同以及多种植物的组合不同,脱氮除磷的效果也不同。Philip等认为,混合植物系统对硝态氮的去除效果好于单一植物系统,增大人工湿地中的植物密度有利于提高去除率[16]。然而,Reeta等研究了凤眼莲、石莲花、

大3种植物及其混合种植对污水中营养盐的去除效果,表明不同的植物搭配种植的去除效果并不是最优的[17]。同样,Lauchlan等认为,尽管混合植物对污水中氮、磷的去除有显著效果,但是与单一植物的效果并没有明显差异[18]。因此,混合植物对净化污水的效果并不是均高于单一植物,需要对不同的条件、搭配比例等进行深入的研究,才能找出混合植物的最佳组合,进一步提高其净化效果。

3.3　水生动物修得　水生动物以水体中的细菌、藻类、有机碎屑等为食,可有效减少水体中的悬浮物,提高水体透明度。投放数量合适、物种配比合理的水生动物,可延长生态系统的食物链、提高生物净化效果。定期打捞浮游动物和底栖动物,可以防止其过量繁殖造成的污染,同时也可以将已转化成生物有机体的有机质和氮磷等营养物质从水体中彻底去除。

石岩等研究了草食性浮游动物水、蚌和螺类及养殖草食性鱼类净化富营养化水体的效果[19]。韩士群等研究了在每升水体中放养长肢秀体600个以上,即可对水体中浮游动物、藻类的数量、生物量、群落结构产生显著影响,同时降低水体中总氮、总磷和C OD Mn的浓度,增加水体的透明度[20]。S ongsangjinda等研究了牡蛎对水体中氮的去除[21]。G ifford等研究了牡蛎对水体中的营养物质和重金属的去除[22]。结果表明,这些水生动物对总氮、氨氮、总磷等几种指标都有很明显的降低作用。

4　结语

随着人们对周围环境的日益重视和环保意识的不断增强,人们对于城市景观水体处理的重要性及必要性将有更深入的认识。要想使城市景观水体一直保持良好的水质,日常维护尤其重要,要定时进行生物养护、设备检验和水质监测,确保水体具有良好的水生生态系统,对系统中各物种的生长、配比定时监测,进行补充或去除,维持系统的平衡,并且定时进行水质监测,充分了解水体水质情况,及时归纳使用措施的效果和预测水体动态变化的趋势。

目前,在城市景观水体富营养化治理中还没有哪种单一的方法能彻底地去除水体中的氮、磷等营养物质。某些处理措施在理论上或在一定条件下是可行的,但在实际应用或者大范围应用中,往往达不到预期效果。目前的各种方法都存在着一定的局限性,应采取综合治理措施,加强生物强化技术和植物修复之间的结合,尤其是不同方法、技术的综合研究和应用,从而实现技术可行、经济有效、合乎城市生态要求的新方法,使景观水体真正成为城市一道亮丽的风景。

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灌草型封育的封育年限为3年;在残林、疏林中进行育苗补植,平茬补播(主要树种为杨树),加强病虫害防治,建立封山育林技术档案。

2.4　沟道治理工程设计

2.4.1　谷坊设计。由于小流域内河沟主沟长450m,沟道平均比降2%,集雨面积49hm2。水文标准为10年一遇24h最大降雨(10年一遇24h最大降雨强度为52.3mm)。在距沟道比降在8%,集雨面积6.2hm2的上游沟道修筑土谷坊,尺寸分别为高2.5m、顶宽1m、迎水坡1∶2、背水坡1∶2、底宽11m。谷坊间距33m,谷坊底到溢口底高度2.0m,原沟床比降8%,谷坊淤满后的不冲比降0.5%。土谷坊溢洪口设在土坝的一侧,上下两座谷坊的溢洪口左右交错布设,溢洪口志士按明渠流公式试算:渠底比降I=1/200,溢洪口水深h=0.3m,溢洪口边坡系数P=1.5,溢洪口底宽b=1.0m,经计算满足泄洪要求。谷坊土方量163m3,谷坊上下边坡均采用草皮护坡,护坡面积135m2。

2.4.2　沟头防护设计。根据沟头附近的地形和来水情况,采用蓄水型沟头防护工程。主要在沟头以上5、10m处,围绕沟头修筑2条围埂,均为土质梯形断面,设计埂高0.8m、顶宽0.4m、内外坡比1∶1,沟底宽0.5m、坡比1∶1、深1.0m,沟内每隔1m设一土挡,在第2道围埂上每隔10m挖深0.3m、宽1m的溢水口,并用草皮覆盖。

2.5　小型水利水保工程—蓄水池设计　蓄水池主要面向耕地布设,在山坡、沟头与排水沟结合使用,根据该小流域实际情况布设蓄水池1个。根据地形,蓄水池设计为矩形方池,其尺寸为长12m、宽8m、深2m。池深2m,直立型挡土墙,四壁浆砌石结构,M10砂浆抹面,顶宽30cm、宽100cm,基厚30 cm、宽40cm;底板厚8cm,砼,C18;四面边坡1∶200,草皮护坡;底铺双层塑料膜;蓄水池土方开挖330m2,砼7.68m3浆砌石40m3。

2.6　作业路设计　作业路的修建在小流域治理前完成。作业路的施工环山等高,并通过治理区的中心位置。路面宽度4～6m,纵向坡度不大于15°,最小路弯半径不小于15m,路面横向基本水平,作业路两侧应配置边沟,并栽植路树。动用土石方600m3/km。

3　效益分析

3.1　基础效益　通过对该小流域多年资料的分析,对各项治理措施进行保水保土效益计算,小流域综合治理后的年均保水效益约为2

4.46万m3,年均保土效益约为1.17万t[6-7]。

3.2　经济效益　经计算,小流域综合治理措施的经济内部收益率为13.4%。经济净现值为

4.00万元,经济效益费用比值为1.49[6]。

3.3　生态效益　小流域通过综合治理后,生态环境将得到明显改善。小流域内的降雨得到有效的拦截、分散、滞缓、增大了常水流量,减少了洪旱灾害。土壤蓄水保墒能力得到提高,土壤理化性质得到改良,土壤的透水性、抗蚀性和抗冲性增强。治理后森林覆盖率由18.3%提高到4

4.2%以上。

3.4　社会效益　过水土保持综合治理,可减轻水土流失对土地资源的破坏,保持水土,提高河道行洪能力,增加常水流量,减少汛期洪水灾害,减轻干旱对农业生产的威胁[8-9]。促进治理区社会进步,通过治理,可有效调整小流域的土地利用结构和农业生产结构,提高土地利用率和劳动生产率,提高了环境容量,增加群众的经济收入,促进小流域经济的发展。

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