人工湖水質(zhì)生物凈化技術(shù)研究

魏歡歡

（陜西地建土地綜合開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西西安710075）

隨著城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)日益受到重視，景觀水體人工湖越來越多的出現(xiàn)在城市公共休閑區(qū)和居民居住區(qū)里。作為景觀水體重要組成部分，人工湖具有生態(tài)、景觀、人文等多方面的功能，同時(shí)其對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境具有重要作用[1]。然而，由于人工湖水體流動(dòng)性小、水體自凈能力差，加之外源污染物輸入等原因，人工湖在運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)普遍出現(xiàn)水體透明度下降，濁度增大和富營(yíng)養(yǎng)化等污染問題[2]。因此，尋求有效方法凈化人工湖水質(zhì)，改善人工湖生態(tài)環(huán)境成為一項(xiàng)亟須解決的科學(xué)問題。

根據(jù)水質(zhì)凈化原理的差異，現(xiàn)有水質(zhì)凈化技術(shù)可分為物理、化學(xué)和生物凈化技術(shù)[3]。相比物理和化學(xué)凈化技術(shù)，生物凈化技術(shù)因具有操作簡(jiǎn)單、處理效果好、安全無二次污染、成本低廉等特點(diǎn)[4]，當(dāng)前在人工湖水質(zhì)凈化技術(shù)研究中得到廣泛關(guān)注。本文綜述了人工湖水質(zhì)凈化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)分析了水質(zhì)生物凈化技術(shù)研究現(xiàn)狀、面臨的問題及解決方法，以期為人工湖水質(zhì)生物凈化技術(shù)研究及應(yīng)用提供理論參考。

1 人工湖水質(zhì)污染的原因

目前，城市景觀水體人工湖水質(zhì)污染原因主要有以下幾方面[5-6]。

1.1 補(bǔ)給水源問題

人工湖補(bǔ)給水源質(zhì)量對(duì)人工湖水質(zhì)質(zhì)量具有重要影響，補(bǔ)給水源N、P等營(yíng)養(yǎng)元素及其他污染物含量超標(biāo)是造成人工湖水質(zhì)污染的重要因素之一。

1.2 水體流動(dòng)性差

人工湖水體多為靜止?fàn)顟B(tài)，水體流動(dòng)性小，普遍存在曝氣不足、溶解氧含量低等情況。加之人工湖生態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水體自凈能力差，從而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象頻發(fā)。

1.3 外源污染物輸入

主要包括：大氣沉降污染，主要包括塵土、硫化物、N、P等顆粒態(tài)和溶解態(tài)污染物；雨水徑流作用下地表積聚物和地表土壤中的營(yíng)養(yǎng)鹽和農(nóng)藥殘留物進(jìn)入人工湖水體；人工湖內(nèi)水生植物及岸邊植物枯枝落葉落入水體后分解形成的污染物；游客拋撒的生活垃圾和人工湖周邊區(qū)域生活污水偷排進(jìn)入人工湖。

1.4 護(hù)岸設(shè)計(jì)不合理

目前，城市人工湖護(hù)岸多為硬質(zhì)材料（石塊、水泥）建成的垂直護(hù)岸，不具備緩沖功能，對(duì)地表積聚物等垃圾進(jìn)入人工湖無攔截作用。

2 人工湖水質(zhì)凈化技術(shù)發(fā)展概述

自20世紀(jì)50年代以來，世界各國(guó)對(duì)湖泊水體污染治理進(jìn)行了大量研究，并取得了眾多顯著成果。歐洲國(guó)家針對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問題頒布了《水框架指令》等法規(guī)政策，另外，采用污染湖水外排、引入水源稀釋污染湖水、增強(qiáng)湖水循環(huán)流動(dòng)性、曝氣增氧、撒施石灰粉、挖泥疏浚、清理藻類植物、生物降解等措施解決水體富氧化問題[7]。20世紀(jì)70年代，美國(guó)開展并實(shí)施了湖泊清潔計(jì)劃，通過定制流域土地利用規(guī)劃和水質(zhì)保護(hù)計(jì)劃、減少含磷污水排放[8]，設(shè)置污水處理廠、加強(qiáng)居民環(huán)境教育等措施對(duì)湖泊水體進(jìn)行修復(fù)和保護(hù)。日本以琵琶湖為研究對(duì)象開展了水體污染與富營(yíng)養(yǎng)化研究，提出了不同治理方法[9]。日本的水污染技術(shù)也成功應(yīng)用于韓國(guó)和中國(guó)湖泊水質(zhì)修復(fù)治理過程中，其主要措施為治理污染源、增設(shè)污水處理廠、制定蘆葦群落保護(hù)計(jì)劃、疏浚污泥等[9]。

從20世紀(jì)70年代起，我國(guó)東部地區(qū)出現(xiàn)了程度較深的湖泊水體污染情況。20世紀(jì)90年代初，在被調(diào)查研究的120個(gè)大型湖泊中約50%的湖泊存在富營(yíng)養(yǎng)化問題[7]。2005年，在被調(diào)查的133個(gè)湖泊中富營(yíng)養(yǎng)化污染湖泊數(shù)量超過85%[10]。針對(duì)日益嚴(yán)重的湖泊水污染情況，我國(guó)于20世紀(jì)80年代開始湖泊水污染治理研究[11]，經(jīng)過近幾十年的研究，取得了諸多研究成果。當(dāng)前主要采用的措施包括：物理方法（引水稀釋、曝氣增氧、底泥處理、人工打撈清理等）；化學(xué)方法（藥劑除藻、混凝沉淀、氧化還原等）；生物方法（生物膜法、水生植物修復(fù)、微生物修復(fù)等）。物理方法操作簡(jiǎn)單、見效快，但工程量大，成本較高，容易對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。化學(xué)方法經(jīng)濟(jì)高效，但易產(chǎn)生二次污染。生物方法同物理和化學(xué)方法相比，具有成本低、處理效果好、環(huán)保無污染等特點(diǎn)，當(dāng)前在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注。

3 人工湖水質(zhì)生物凈化技術(shù)研究現(xiàn)狀

生物凈化是通過動(dòng)植物或微生物的吸附、富集、降解、轉(zhuǎn)化等功能對(duì)水體中的污染物進(jìn)行清除，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化效果[12]。目前生物凈化技術(shù)主要包括：生物膜凈化技術(shù)、植物凈化技術(shù)、微生物凈化技術(shù)等。

3.1 生物膜凈化技術(shù)

生物膜凈化是指在水中設(shè)置人工填充濾料或載體使微生物附著在其表面生長(zhǎng)形成生物膜，豐富水體微生物數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)，通過微生物絮凝、吸附、氧化分解等作用清除水體污染物。應(yīng)用較為廣泛的生物膜凈化技術(shù)有礫間接觸氧化法和仿生生物填料接觸氧化法。生物膜凈化技術(shù)凈化效果好、管理方便，但同時(shí)其也存在受水位影響大、大面積使用成本較高等缺點(diǎn)[4、12]。

3.2 植物凈化技術(shù)

植物凈化是在湖泊中種植改良陸生植物或水生植物，通過植物對(duì)水體污染物的阻截、吸附、富集以及植物根區(qū)生物共生體的吸收、轉(zhuǎn)化等作用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化和生境改善效果。按照植物類型的差異，植物凈化技術(shù)分為生物浮島、沉水生物種植。生物浮島是在水面浮島載體上種植水生或改良陸生植物，通過植物吸附、吸收水體污染物，從而凈化水體[13]。生態(tài)浮島在吸收水體污染物的同時(shí)還具有抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化藻類生長(zhǎng)，提升水體景觀效果等作用。但同時(shí)，生態(tài)浮島受植物種類、生物量和季節(jié)影響的限制[14]。沉水植物種植是在水面下種植先鋒沉水植物對(duì)水體氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬進(jìn)行吸收去除。一般認(rèn)為相比漂浮植物，沉水植物具有更強(qiáng)的重金屬去除效果。但同時(shí)沉水植物也存在擴(kuò)散生長(zhǎng)快、管控難度較大等缺點(diǎn)。

按照對(duì)水體污染物去除種類的差異，植物凈化可分為N、P污染處理型、重金屬污染處理型。N、P污染處理型植物主要有千屈菜、鳳眼蓮、燈芯草、水生美人蕉、金魚藻、銅錢草、空心蓮子草等。王斌等研究表明[15]：三種不同水生生物中燈芯草和空心蓮子草分別對(duì)N、P的去除率最高。重金屬污染處理型植物主要有蘆葦、千屈菜、香蒲、鳳眼蓮、茭白、浮萍、水蔥等。有研究表明，茭白可對(duì)重金屬CU、ZN、MN的富集達(dá)60%[16]。

3.3 微生物強(qiáng)化技術(shù)

微生物降解是水體污染物降解的重要途徑之一，當(dāng)水體微生物數(shù)量和污染物降解作用缺乏時(shí)，可通過增加微生物數(shù)量和提高微生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從而增強(qiáng)污染水質(zhì)凈化效果。其主要技術(shù)有投加微生物菌劑和投加微生物生長(zhǎng)促生劑等。微生物菌劑和生長(zhǎng)促生劑的使用可加快微生物對(duì)水體污染物處理啟動(dòng)速度，提高微生物對(duì)水體污染物的降解能力，增強(qiáng)水體污染物凈化效果。馬文林等[17]研究表明，使用微生物生態(tài)修復(fù)劑后水體化學(xué)需氧量降低了73.03%，總磷量降低了65.48%。但微生物菌劑和生物生長(zhǎng)促生劑的使用會(huì)受到水體溫度等條件的影響。另外，受本土微生物菌劑和生長(zhǎng)促生劑研發(fā)能力的制約，使用進(jìn)口產(chǎn)品存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

當(dāng)前在人工湖水質(zhì)凈化方面生物凈化技術(shù)受到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究和成果較多，然而，其在技術(shù)研究和應(yīng)用方面仍存在一些亟待解決的問題。植物和微生物在水質(zhì)凈化過程中的生理生態(tài)響應(yīng)機(jī)制尚未研究透徹，相關(guān)研究還需進(jìn)一步深入。隨著微觀機(jī)理機(jī)制的進(jìn)一步明晰，其將為水質(zhì)生物凈化技術(shù)發(fā)展提供有力的科學(xué)理論支撐，同時(shí)還可為借助基因工程手段培育更高效的治污水生植物和微生物提供科學(xué)指導(dǎo)。

當(dāng)前，植物凈化水質(zhì)的研究多集中在利用單一生活型植物進(jìn)行水質(zhì)凈化，對(duì)不同組合、不同配置模式下的植物水質(zhì)凈化效果研究較少。單一生活型植物對(duì)水體污染物的凈化種類和凈化效果有限，通過組合、搭配多種生活型植物可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類水體污染物更高效的凈化效果，在未來的研究中應(yīng)對(duì)組合植物凈化水質(zhì)效果進(jìn)行相關(guān)研究。另外，受不同地區(qū)氣候差異的影響，同一生活型或組合型植物在不同地區(qū)的污水凈化效果不同。為實(shí)現(xiàn)不同氣候區(qū)域植物水質(zhì)凈化效果最優(yōu)化，在植物種類選擇上應(yīng)注意盡量選擇土著植物。