生物-生態修復技術在景觀污染水體治理中的應用

金小平,宋學宏,李蒙英,史全良,徐炳豐,張凌玲,宋 靖

(1.蘇州大學醫學部基礎醫學與生物科學學院,江蘇蘇州 215123;2.昆山市水利技術推廣站,江蘇 昆山 215300)

近年來隨著昆山市社會經濟的繁榮和發展,大量面源污染物和生活污水等進入河道、湖塘[1],造成水體富營養化,水生態系統遭到嚴重破壞,水體渾濁甚至發黑發臭,部分河流、湖塘水域已喪失工農業生產和生活供水的功能,城市景觀效果也急劇下降,嚴重影響城市環境和居民的生活環境。

目前,河道、湖塘等水體治理的方法主要有底泥疏浚、人工曝氣增氧、水循環、微生物制劑投加、植物凈化等方法[2-3],這些方法都在一定程度上改善了水質,可消除黑臭、藍藻暴發等現象,但水體仍渾濁、褐黃,無法達到清澈明亮的景觀效果,一旦停止增氧、水循環等措施,水質又會迅速惡化。為了提高水體的自凈能力,重建良好的水生態系統,達到標本兼治的目的,筆者采用生物治理和生態修復綜合技術相結合的方法[4-6]對昆山市環城北路景觀池塘受污染水體進行治理。

1 工程概況

昆山市環城北路景觀池塘(市民政局東側,圖1),地處居民較密集的市區,池塘水域面積為3750m2,池塘底呈鍋底形,沿岸淺水區水深1.0m左右,中心深水區水深達2.3 m;中心深水區底泥厚度50 cm,有2個排污口直接將生活污水排入池塘。工程實施前池塘全池長滿翠綠色藍藻,水體黑臭,水中有少量鯉魚、黑魚,無水生維管束植物生長。經測定,池塘透明度為20 cm。TN、TP的質量濃度分別為3.85 mg/L、0.52 mg/L,對照 GB 3838—2002《地面水環境質量標準》,該景觀池塘的水質屬劣Ⅴ類。針對上述狀況,采用水體生物治理與生態修復技術相結合的方法進行水體生態修復。

圖1 水質監測點示意圖

1.1 生物治理與良好水體生態系統的建立

2009年11 月開始對池塘底泥、污水排入量、水質指標、生物的種類和數量等情況進行監測。基于現有水體水質較差,直接栽培植物不能生長,生物治理工程采用分階段實施方案。

a.2010年2月對2個較大的生活污水排出口進行封堵和改道,接入城市污水管網;3月底將原有的污水抽入城市管網,留下50 cm水用生石灰1500 kg/hm2進行殺菌消毒。

b.消毒2周后,由于下雨,水位上升到1.5 m,4月中旬在亭子下面的隱蔽處、池塘中央設置生物膜水體自凈化設備(專利號:ZL200710135011.0)200套,并投加微生物制劑,促進在自凈化設備上快速形成生物膜,水質得到初步凈化,水體透明度從原來的20 cm增加到45 cm。

c.種植水草,放養水生動物。4月底在池塘四周淺水區(1～2 m)栽種治污先鋒植物輪葉黑藻(Hydrilla verticillata)、金 魚 藻 (Ceratophyllum demersum)、伊樂藻(Elodea nuttallii)等沉水植物,共計1 000 kg;同時,放入中華圓田螺(Cipangopaludina cathayensis)1 500 kg、褶紋冠蚌(Cristaria plicata)500 kg、規格為6～8尾/kg的鰱魚(Hypophthalmichthys molitrix)700尾、規格為 6～8尾/kg的鳙魚(Aristichthys nobilis)100尾 、規格為 200g/尾的花魚骨魚(Hemibarbusmaculatus)200尾、規格為150 g/尾的觀賞魚—草金(Carassius auratus)若干;再從周邊河道中捕撈枝角類、橈足類等浮游動物約3 kg。在上述生物中,通過沉水植物、浮游植物吸收水體的N、P營養鹽,通過鰱魚、浮游動物、螺螄、蚌食用浮游植物,通過花魚骨魚食用底層腐殖質,形成一個較長的食物鏈,最終以沉水植物、魚、螺類的協同作用去除水體的N、P營養鹽,到2010年5月中上旬初步建立起良好的水體生態系統。

1.2 水體生態系統穩定性調控

4月中旬,生物修復起到一定效果,但因周圍居民自發在池塘中放生紅鯉魚、金魚,其成魚在池中繁殖了大量魚苗,同時池塘邊上沒有被完全殺死的浮萍種子5月初再度萌發,并快速生長,再次覆蓋水面,紅鯉魚對沉水植物的破壞作用及浮萍的生長使沉水植物因得不到光照、無法生長而死亡。至2010年6月中旬,初步建立的、脆弱的生態系統遭到嚴重破壞。因此,通過投喂藥餌,殺死并及時撈取部分紅鯉魚、金魚等,通過人工打撈取出浮萍,再投放1 kg的微生物制劑凈化水質,補種1000 kg的輪葉黑藻、金魚藻、伊樂藻,補放規格為150 g/尾的草金100尾、規格為 100 g/尾的加州鱸魚(Micropterus salmoides)200尾等。通過這一系列的調控措施,池塘中水生植物和動物的品種、數量、比例重新得以補充和調整。7月初水質開始好轉,8月份水質已達到較好的狀態,直至2010年10月下旬重新建立起一個相對穩定的水體生態系統。

1.3 水體生態系統養護

2010年11 月開始進入水體生態系統養護期。不斷跟蹤觀測不同時期的水質和水體生態系統變化,根據情況對水體中微生物、水生植物和動物的品種、數量、比例進行微調,維護良好、穩定的水質和水體生態系統。

2 工程效果分析

2.1 水質指標監測分析

水體修復過程中,在塘中均勻設置4個采樣點(圖 1,采樣點號分別為 1、2、3、4),對水質進行連續監測。采樣時間分別為:2009年11月7日(治理前5個月),2010年3月12日(治理前 1個月),2010年5月13日(治理過程中),2010年8月5日(生態系統調試期)。修復過程中池塘水體主要水質指標變化情況見圖2。

由圖2(a)可見,2009年11月由于氣溫較低,葉綠素質量濃度較低;2010年3月中旬的初春季節溫度升高,水體中各種藻類迅速繁殖,葉綠素質量濃度達到135.6μ g/L,通過投放浮游動物和濾食性魚類,景觀池塘中藍、綠藻等浮游生物數量快速下降,至5月份葉綠素質量濃度下降到65.0μ g/L,到8月上旬僅為8.8μ g/L,水體透明度增加至1.1 m。葉綠素質量濃度大幅度下降表明,水體中藻量大大減少,由藍藻、綠藻導致的水體濃綠的惡劣景觀效果也得到大幅度改善。由圖2(b)可見,修復過程中TP質量濃度有所上升,這是由于隨著水溫的升高,一方面底泥中的N、P大量快速釋放到上覆水中,另一方面由于浮萍的瘋長致使大量的沉水植物死亡再度釋放N、P,但浮萍對水體N的吸收率大于對P的吸收率,因此,5月水體的TP質量濃度會升高。經人工打撈浮萍及補種沉水植物,水體TP質量濃度很快下降[7],到8月中旬僅為0.05 mg/L,與治理前的0.58 mg/L相比下降了90%。而圖2(c)顯示,修復過程中TN質量濃度一直呈下降趨勢,至8月5日降至1.3 mg/L,比治理前降低了85%。由圖2(d)可見,COD質量濃度大幅下降,由修復前的20.6 mg/L降至修復后的4.2 mg/L,去除率達79.61%。修復后的水體各項指標已達國家地表水Ⅲ類水質標準,水體景觀效果得到顯著改善,透明度達1.28 m。用塞氏盤法測得修復前后各水質監測點的水體透明度如表1所示。

表1 修復前后采樣點的水體透明度變化 cm

2.2 生物多樣性變化與研究

2.2.1 浮游生物的多樣性變化

在水質監測的4個采樣點采樣,利用顯微鏡法對浮游植物和浮游動物進行定性和定量測定,修復后水體浮游植物結構見表2,修復前后水體浮游動物的種群變化見表3。

表2 修復前后水體浮游植物結構變化

表3 修復前后水體浮游動物的種群變化

Shannon-Weaver曾提出種類多樣性指數這一概念[8],其計算公式如下:

式中:H′為種類多樣性指數;N為單位體積樣品中收集到的生物總數;ni為單位體積樣品中第i種生物的個數。

上式表明:生物種類越多,H′值越大,水質越好;反之,種類越少,H′值越小,水體污染越嚴重。其中,H′值與水質污染程度的關系如表4所示。

表4 H′值與水質污染程度的關系

根據Shannon-Weaver公式計算可得:修復前的浮游植物多樣性指數H′為0.2,修復后變為1.02,污染程度從重污染轉變為中度污染;修復前的浮游動物多樣性指數H′為2.18,屬輕度污染,修復后變為3.06,屬無污染。多樣性指數的增加,說明水體的生物鏈的平衡性增強,水質變好,水體生態系統穩定性增加。

2.2.2 高等動植物的種群結構變化

通過1個月的工程實施及4個多月的調試,經生態修復的景觀池塘中從沒有一株沉水植物到沉水植物的覆蓋率為60%左右,沉水植物的品種有金魚藻(占60%)、伊樂藻(占30%)、輪葉黑藻(4%～5%)及少量的苦草(Vallisneria natans)、狐 尾 藻(Myriophyllum verticillatum)(移栽時帶入的水草)。水體的螺螄經繁殖,生物量為引入時的2倍,褶紋冠蚌的生物量增加不顯著。水體中鰱鳙魚的成活率幾乎為100%,規格已增加到 400～500 g/尾,加州鱸魚規格達250g/尾,花魚骨魚是底層魚類,平時無法觀察到,而觀賞草金的數量達上千尾,規格大小不等。因此,水生態修復后的水體高等動植物已形成了較穩定的生物鏈結構,維持了水生態系統的平衡。

2.3 景觀效果評價

綜上所述,景觀池塘的水體經6個月的生物治理與生態修復后,池塘景觀發生了明顯改觀,水體透明度增加,各種游魚穿梭于水草之間。環城北路景觀池塘曾是昆山市民傳統的放生池塘,隨著水質變好,放生、垂釣等現象再度興起。

3 結 論

水體生物治理與生態修復技術在昆山市環城北路景觀池塘應用后,重新建成一個良好、穩定的水體生態系統,生物多樣性增加,水質各項指標達國家地表水Ⅲ類水標準,水體透明度達1.2 m左右,池塘景觀效果顯著改善。水體生物治理與生態修復技術具有無需清淤、能耗低、工程造價低特點,適合應用于沒有或僅有少量污水排入的河道、公園、城市景觀池塘等水體中。

[1] 李艷霞,王穎,張進偉,等.城市河道水體生態修復技術的探討[J].水利科技與經濟,2006,12(11):762-766.

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