水体的微生物——生态修复技术

水体的微生物——生态修复技术刘佳琦上海师范大学环境工程系2003级0313538摘要：利用植物或微生物对水体中的污染物进行处理，从而使水体得到净化，这一用生态—生物的方法来修复水体的技术，廉价实用，适用我国江河湖库大范围的污水治理[1]。关键词：生态、生物、污染、水体修复1、概述受污染的江河湖库水体进行修复，已是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要，特别是南水北调东线沿线的治污工程，量大面广，寻找先进实用、造价低廉的技术迫在眉睫。我国的江河湖库水体污染主要包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。另外，湖泊水库蓝藻及赤潮给水域生态、人体健康也造成了严重的危害。对于富营养化的控制，发达国家以控制营养盐为主，大多采取“高强度治污，自然生态恢复”的技术路线[2]，即控制外源磷污染负荷并配合生态恢复措施。去除藻类与控制其生长是湖泊水库水体恢复与保护的难题，目前国际上采用的技术主要有三类[3]：①化学方法：如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等，但是易造成二次污染；②物理方法：疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等，但往往治标不治本；③生态—生物方法：是国外近年来发展很快的一种新技术，水体生态—生物修复技术是按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌，强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体，这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，也是一条创新的技术路线。水体的生物－生态修复技术具有以下优点[4]：首先是处理效果好。其次，生物－生态水体修复的工程造价相对较低，不需耗能或低耗能，运行成本低廉。所需的微生物具有来源广、繁殖快的特点，如能在一定条件下，对其进行筛选、定向驯化、富集培养，可以对大多数有机物质实现生物降解处理。另外，这种处理技术不向水体投放药剂，不会形成二次污染。所以，这种廉价实用技术十分适用我国江河湖库大范围的污水治理工作。用生物－生态方法治污，还可以与绿化环境及景观改善相结合，在治理区建设休闲和体育设施，创造人与自然相融合的优美环境。2、主要处理工艺方法 生物处理技术包括好氧处理、厌氧处理、厌氧－好氧组合处理；利用细菌、藻类、微型动物的生物处理；利用湿地、土壤、河湖等自然净化能力处理等。以下重点介绍几种针对江河湖库污染大水体的修复技术。2.1生态塘处理法[5] 生态塘是以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生作物，进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统。在太阳能（日光辐射提供能量）的推动下，通过生态塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水中的有机污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且以水生作物、水产的形式作为资源回收，净化的污水也作为再生水资源予以回收再用，使污水处理与利用结合起来，实现了污水处理资源化。人工生态系统利用种植水生植物、养鱼、养鸭、养鹅等形成多条食物链。其中不仅有分解者生物、生产者生物,还有消费者生物，三者分工协作，对污水中的污染物进行更有效的处理与利用，并由此可形成许多条食物链，构成纵横交错的食物网生态系统。如果在各营养级之间保持适宜的数量比和能量比，就可建立良好的生态平衡系统。污水进入这种生态塘中，其中的有机污染物不仅被细菌和真菌降解净化，而其降解的最终产物，一些无机化合物作为碳源、氮源和磷源，以太阳能为初始能源，参与食物网中的新陈代谢过程，并从低营养级到高营养级逐级迁移转化，最后转变成水生作物、鱼、虾、蚌、鹅、鸭等产物，从而获得可观的经济效益。2.2土地处理技术土地处理技术[6]是一种古老、但行之有效的水处理技术。它是以土地为处理设施，利用土壤－植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化的目的。土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理等几种形式。国外的实践经验表明，土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。德、法、荷兰等国均有成功的经验。2.3生物膜法处理技术生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。其反应过程[7]是：(1)基质向生物膜表面扩散；(2)在生物膜内部扩散；(3)微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；(4)代谢生成物排出生物膜。生物膜法具有较高的处理效率。它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。日本、韩国等都有对江河大水体修复的工程实例。 2.4人工湿地处理技术人工湿地是近年来迅速发展的生物－生态治污技术，可处理多种工业废水，包括化工、石油化工、纸浆、纺织印染、重金属冶炼等各类废水，后又推广应用为雨水处理。这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统[8]是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等），形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。人工湿地的显著特点[9]之一是其对有机污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。3、国外工程实例[10]——湿地生态工程日本渡良濑蓄水池位于栃木县，是一座人工挖掘的平原水库，总库容2640万m3，水面面积4.5km2,水深6.5m左右。这座蓄水池平时为茨城县等六县市64万人口供水，日供水量21.6万m3。蓄水池周围是渡良濑川的滞洪区，汛期时洪水由溢流堤流入蓄水池，此时蓄水池用于调洪，提供调洪库容1000万m3。由于上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入，致使渡良濑蓄水池出现霉臭等水质问题。自1993年起在蓄水池一侧滞洪洼地上建人工湿地，将蓄水池的水引到具有芦苇荡的湿地内，通过吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，达到对水体进行自然净化的目的。芦苇具有十分好的净化功能，污染物与其茎部接触产生沉淀作用，芦苇的根部与茎部可吸收某些污染物。另外，附着在茎部上的微生物可对污染物产生吸附分解作用。 图中：1—渡良濑蓄水池；2—蓄水池泵站；3—橡胶坝；4—旁通水渠；5—地下水渠；6—连接渠；7—调节渠；8—取水泵站；9—进水渠；10—荻草荡；11—芦苇荡净化设施；12—出水渠；13—集水池；14—芦苇荡泵站；15—北闸。表1治理前后动植物种类变化　植物昆虫鸟类199331科，104种19科，45种18科，22种199845科，166种45科，116种25科，50种4、生物－生态修复技术前景广阔[11]随着社会经济的发展和资源的不合理利用，产生了一系列的环境问题。尤其是化肥和农药的超量施用，已危及地表土体和地下水的质量安全。大量的氮素没有被农作物吸收经微生物硝化作用后，以硝态氮的形式进入土体和地下水。浅层地下水已普遍受到氮素不同程度的污染。治理大面积土体和地下水的污染仍是一个世界性的技术难题，现有的物理化学技术水平几乎束手无策，世界许多国家都在加大投入探索开发新的治理技术，土壤、地下水原位微生物修复技术的开发与研究已受到许多国家环境科学界的广泛关注。尤其是近年来生物修复技术已被认为是最有生命力的对土壤、地下水污染的修复技术。在美国和欧洲许多国家，污染土壤、地下水的生物修复技术已在一些有毒有害有机污染的修复计划中得到应用。通过利用微生态观点开发出的，对我国农业化肥污染土体和地下水的修复，提供了经济有效的技术与方法，不仅对于土地资源的开发与利用、水资源保护与规划等具有重要意义，而且为开发研制对其它污染物的大面积污染修复提供了经验与技术支撑。事实证明[12]，利用微生物分解有毒有害有机污染物是修复治理大面积区域污染的一种有效方法，其方法费用低，简单易行，不产生二次污染是一项具有广阔发展前景的高新技术。5、总结生物－生态污水处理技术[13]，是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术。近年来这种技术发展很快，在国外已经达到工程实用化的程度，并且积累了系列观测数据。生态—生物方法[14]：是国外近年来发展很快的一种新技术，水体生态—生物修复技术是按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌，强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体，这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，也是一条创新的技术路线。 作为学环境工程的学生，对这方面应有一定的了解，而且，近年来世界各国对环境的重视程度越来越高，我国的环境问题又十分严重，因此我认为各部门应在这方面加大投入，用自然界的力量去改善环境，为人类创造一个良好的生活环境。在众多的生态—生物方法中，我认为生物膜法处理技术是一种值得广泛应用的方法。因为生物膜法处理处理的效果较其他几种要更明显，而且这种方法更容易推广到我们生活生产的各个方面。不过，如何选择经济有效的生物膜是我们面临的一个比较棘手的问题。虽然，近年来在这方面有很大的进展，但仍需要不断的改进，相信只要找到了适宜的生物膜，生物膜法处理技术一定会被广泛的应用于实际生活中，为人类造福，从而使我们生存的环境更加美好。参考资料：[1]刘蒨等,受污染水体的生物－生态修复技术,中国湖泊志,2001,6:35-40[2]张振克,中国流域湖泊水环境问题、成因与对策,长江流域资源与环境,2004,5(8):12-17[3]王苏民,中国的水体修复技术,中华环保互联网,http://www.chinaep.net/xiufu/index.htm[4]张甲耀等,生物修复技术研究进展,应用与环境生物学报,2001,3(3):25-32[5]濮培民,健康水生态系统的退化及其修复——理论、技术及应用,湖泊科学,2001,2:45-53[6]王宝贞,生态塘,简易高效的污水处理技术设计应用,城市环境与城市生态,1998,6:22-34[7]孙铁珩,周启星,污水生态处理技术体系与展望,院士论坛,2001,2:54-60[8]董哲仁等,受污染水体的生物/生态修复技术,水利水电技术,2002,5(3):105-110[9]曾向辉,生态-生物方法水体修复技术,水利工程网,http://www.cfej.net/introduce.htm[10]沈德中,污染环境的生物修复,化学工业出版社,北京,2001[11]夏威林,邓南圣, 生物修复技术研究进展,自然资源学报,2002,5:13-18[12]李文朝,污染土地和地下水的生物修复技术,地球科学进展,2002,3:45-51[13]施雅风,水体富营养化生物修复技术.中国环境报.2004,3:12-14[14]国家环境保护总局．1997年中国环境状况公报,环境保护,1998,5:3-81.