非耗能生態系統污染水體修復技術分析及其發展趨勢

王英麗 陳云思 曾攀

（廣東中大環保科技投資有限公司 廣東廣州 510601）

隨著我國社會經濟的迅速發展，用水量不斷增長，絕大部分污水未作處理直接排入江河湖泊，造成嚴重的水體污染。《2012年中國環境狀況公報》顯示2012年全國地表水國控斷面總體為輕度污染；十大流域的國控斷面中Ⅳ～Ⅴ類水質斷面比例為20.9%、劣Ⅴ類水質斷面比例為10.2%；三大湖中太湖、巢湖均為輕度污染，滇池為重度污染；在32個重要湖泊中有37.5%是Ⅴ類水質，18.8%是劣Ⅴ類水質。

水體修復技術經歷了若干年的發展，目前國際上采用的水體修復技術主要有物理法、化學法和生物-生態法。隨著我國對生態環境保護的重視，運用生態技術修復水體的方法日漸受到重視。本文綜述了水體修復技術及其優缺點，旨在更好的了解各種技術從而更好的將其應用的水體修復中。

1 物理法

包括底泥疏浚、引水換水、污水截留、造流曝氣、機械除藻等。

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚指把污染底泥從水體中清除出去，此方法可以較大程度地削減底泥對上覆水體的污染貢獻率，從而改善水質。在很多情況下，底泥疏浚是一種必需的措施，此法見效快，效果好。例如瑞典的Trummen湖[1]、滇池草海[2]等在疏浚工程實施后水質都有了明顯的好轉。

然而，對于疏浚的效果還存在一些爭議，南京的玄武湖、日本的Suwa湖都是疏浚失敗的例子[3]。疏浚底泥的環境效果與疏浚方法有關，疏?？赡軐ι鷳B修復產生負面影響[3]。此外，疏挖底泥費用昂貴，對水體生態破壞較大，清除的污泥處置困難，容易造成二次污染。底泥疏浚只能作為水體修復的輔助手段。

1.2 引水換水

引水換水是將外來清潔水源注入水體，起到稀釋水體污染物的作用，可以降低營養鹽濃度，減少藻類生長，對提高水體透明度有一定作用。但此種方法不僅對水質水量要求高，而且大流量調水成本高昂。

1.3 污水截流

污水截流即將原本直接排入水體的污水收集到污水廠處理后再排放。污水截流是削減排入受納水體的污染物總量。環境治理的一個共識是源頭治理最重要、過程治理次之、最后是終端治理。污水截流是源頭治理，是治理水體污染的前提條件。但是污水截流法不能消除內源污染、干濕沉降等面源污染，對于已污染的水體來講只依靠污水截流很難恢復其水質功能。

1.4 曝氣

曝氣是采用機械攪拌、壓縮空氣、水泵、噴射泵等方法進行曝氣，提高水體溶解氧濃度，抑制水體中藻類的爆發，增強水體自凈能力，有效修復受污染水體[4;5]。但是曝氣法存在投資費用高、安裝維護困難、運行費用高等問題，不適宜長期應用。

1.5 機械除藻

機械除藻是將藻類從水體中移出的一種方式，一般應用在藍藻富集區，采用固定式除藻設施和除藻船對區域內湖水進行循環處理，有效清除浮藻層。能直接大量清除湖面藍藻水華，可以作為藍藻大面積爆發時的應急措施。但是機械除藻速度遠比不上藻類生長速度，去除效率低，費用高，作用微弱，不能從根本上解決富營養化和水體景觀問題。除此之外，打撈出的藻類的處置也是一大難題。

2 化學法

2.1 化學修復

通過投加各種化學藥劑提高水體中的溶解氧量，抑制水體沉積物中污染物的釋放，促進污染物的降解、去除。研究表明，CaO2、Ca(NO3)2、聚鋁等都能能抑制沉積物中磷的釋放[6]，CaO2能增加水體的溶解氧[7]。但是化學藥劑不僅成本高，效果持續時間短，而且容易造成二次污染。投加化學藥劑只適用于應急處理。

2.2 化學除藻

化學除藻是利用噴灑除藻劑來去除水體中的藻類，是一種工藝簡單、操作方便的有效殺藻方法。但是化學除藻劑在抑藻的同時也造成了二次污染，對其它水生生物存在毒性。化學除藻劑未從根本上解決水體富營養化的問題，一旦停用藻類又會爆發，化學除藻法只能用于應急處理[8]。

3 生物—生態法

生物—生態修復法是利用培育的植物或培養、接種微生物的生命活動對水中的污染物進行遷移、轉化和降解，從而使水體得到凈化的技術。以下重點介紹幾種常用的生物-生態水體修復技術。

3.1 微生物強化法

微生物強化法是通過向水體中投加人工選育或基因工程培育的修復菌種，通過這些高效菌種快速去除水體中的氮、磷營養元素和有機污染物[9;10]。此技術操作簡單，管理方便，可快速改善水質。但由于水體中缺少微生物的附著基質，投加的微生物往往會隨水流損失，要保持良好的修復效果就要持續投加微生物，造成修復費用高昂。

3.2 生物載體法

生物載體法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纖維）為載體，在其表面形成一種特殊的生物膜，生物膜表面積大，可為微生物提供較大的附著面積，有利于加強對污染物的降解作用，提高水體自凈能力。但目前生物載體法還存在以下問題[11]：1）實際應用范圍較窄；2）應用過程中對水域生態系統的結構和使用功能造成一定影響，如在污染水體中使用的載體會影響到水域的航運和泄洪等功能；3）生物膜技術在基建及運行方面所需費用較高。

3.3 水生植物法

水生植物法是利用水生植物及其共生微生物吸收和分解污染物，從而起到凈化水體的作用。水生植物還可以改變湖水與底泥間的物質交換平衡，促使懸浮或溶解在水中的污染物向底泥轉移，澄清凈化水質。植物還可以與浮游藻類形成營養競爭，抑制藻類爆發。據研究報道[12;13]，被制成浮床的大榕草、香根草、水芹、水蕹草、多花黑麥草等，對去除水體N、P和抑制藻類孳生均有明顯的作用。通過對水生植物收割去除水體中的氮、磷。水生植物法投資成本低，能促進水生生態系統的發展，提高水體景觀效果。

3.4 生物操縱法

生物操縱理論可分為經典和非經典生物操縱理論。經典生物操縱理論是通過人工清除水體中濾食魚類或增加肉食魚類的數量，使浮游動物數量的增加和組成種類體型大型化，從而提高浮游動物對浮游植物的攝食效率，降低浮游植物的數量；非經典生物操縱理論是通過放養濾食性魚類直接控制浮游植物數量[14]。實驗表明[15]通過鰱、鳙等的放養有效控制微囊藻和藍綠藻水華，改善水體的透明度。但由于某些復雜因素的存在，試驗中往往會出現浮游植物數量增多[16]，水體缺氧，水生生物死亡等現象[17]。生物操縱理論還存在爭議，應用于實際水體修復還不現實。

3.5 人工濕地

人工濕地一般由人工基質(多為碎石)和生長在其上的水生植物(如蘆葦、茳芏等)組成，是一種獨特的“土壤—植物—微生物”生態系統。利用濕地基質對污染物進行物理吸附、過濾、微生物降解和植物吸收，能有效可靠的處理廢水。人工濕地最大的問題是堵塞，美國環境保護署通過對多個運行中的人工濕地調查發現有近50%的人工濕地系統在投入使用5年后出現了不同程度的堵塞[18]。人工濕地的植物必須按時收割，否則容易造成二次污染。填料更換和植物的管理大大增加了人工濕地的維護成本。

4 構建完整生態系統法

隨著我國生態文明建設進程的不斷加速，完整生態系統的理念也漸漸應用到水體修復中，取得了良好的效果。

4.1 生態系統完整性內涵

生態系統完整性的內涵從生態系統的系統特性角度闡釋主要表現在以下3個方面[19]：1）生態系統健康，即在常規條件下維持最優化運作的能力；2）抵抗力及恢復力，即在不斷變化的條件下抵抗人類脅迫和維持最優化運作的能力；3）自組織能力，即繼續進化和發展的能力。

4.2 非耗能生態系統完整性在水體修復中的應用

構建完整的水下生態系統，恢復水體的自凈能力與活力。通過投加微生物和大型食藻溞，清除水體中原有的藻類、腐屑等懸浮物，快速提高水體的透明度，為沉水植物生長創造條件。在水體種植沉水植物，如苦草、黑藻等；在水體中放養適量的魚、蝦、螺、貝類等水生動物。沉水植物的光合作用吸收CO2釋放O2使水體富氧，為水體中的其它生物創造良好的生活環境。構建完整生態系統法是多種生物—生態法的有效組合。生態系統構建后，構成了具有水下分解者、生產者、消費者的完整生態系統，如圖1所示。

此水下生態系統具備了完整生態系統的三個特性：1）生態系統健康：系統中的生產者、消費者、分解者之間的物質循環正常進行，水體保持健康狀態；2）抵抗力及恢復力：水體具有良好的自凈能力，能承載一定量的污染負荷；3）自組織能力：生態系統中生產者、消費者和分解者的種類不斷增多，生物多樣性增多，系統的穩定性增強。北京圓明園鳳麟洲于2007年9月至11月，方河、鑒碧亭和玉玲瓏3個景觀湖于2008年4月至6應用了構建完整生態系統技術進行水體修復[20]，修復后，濁度、COD、TN、TP分別下降了74%～99%、63%～87%、77%～85%、77%～85%，水質從V～劣V類改善到II～III類，修復效果持續至今。此種修復技術不是單一的某種生物—生態修復，而是構建一個完整的生態系統，發揮水體的自凈能力。該生態系統不僅維護方便、不耗能而且還具有良好的景觀效果。

圖1 水下生態系統

5 展望

水體修復的技術經過多年的發展，每種技術各有利弊。河流、湖泊等水體是一個復雜、動態的系統，并不是單一的一種修復方法就能解決污染問題，必須對其生態系統深刻了解,才能合理確定其水體修復方法。生物—生態修復技術是環境友好的，經濟可行的一類技術，但單一的生物—生態技術存在修復持續性差、管理困難、影響水體功能（如防洪泄洪等）等問題。構建完整生態系統法是將各種生物—生態法的有機組合，發揮各種方法的優點，恢復水體自我修復功能，具有良好的有效性、經濟型和景觀性性，值得大力研究和推廣。

總而言之，各種修復方法并不是孤立的，應結合水體自身的現狀綜合運用，充分發揮各種方法的優點。

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