微生物復合修復劑-沉水植物生態修復技術在湖泊治理中的應用研究

摘要 通過對微生物復合修復劑-沉水植物生態修復技術在湖泊治理過程中的應用研究，發現生態修復技術可以有效地降低湖泊富營養化程度，逐漸恢復湖泊的自凈能力。結果表明：當對湖泊實施生態修復技術后，湖水的透明度、溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）都呈上升趨勢，水體pH維持在6.0～9.0，透明度、DO和ORP最高值分別可以達到130 cm、8.21 mg/L和278 mv。修復后期，COD、NH3-N和TP濃度比修復之前分別下降了94.3%、92.0%和98.3%，表明生態修復技術對控制湖水COD、NH3-N和TP具有顯著效果，可為富營養化湖泊治理提供一種有效的方法。

關鍵詞 微生物復合修復劑;沉水植物;生態修復;湖泊治理;富營養化

中圖分類號 X 524? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0072-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the Application of Microbial Composite Remediation Agent-Submerged Plant Ecological Remediation Technology in Lake Management

CHENG Lang （Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.，Ltd.，Shenzhen，Guangdong 518048）

Abstract Through the application research of microbial compound remediation agent and submerged plants in the process of lake treatment，it was found that ecological restoration technology could effectively reduce the lake eutrophication，and gradually restore the lakes self-purification ability.The result showed that after the implementation of ecological restoration technology，the transparency，DO and ORP of the lake water were all on the rise，pH of the water maintained 6.0 - 9.0，and the maximum values of transparency，DO and ORP could reach 130 cm，8.21 mg/L and 278 mv respectively.At the later stage of the restoration，the concentration of COD，NH3-N and TP respectively decreased by 94.3%，92.0% and 98.3% compared with those before restoration，which indicated that ecological restoration technology contributed significantly to the control of COD，NH3-N and TP in the lake and it could provide an effective method for treatment on lake eutrophication.

Key words Microbial compound remediation agent;Submerged plants;Ecological restoration;Lake treatment;Eutrophication

作者簡介 程浪（1990—），男，湖北咸寧人，工程師，碩士，從事水生態修復、河湖治理及環境管理相關研究。

收稿日期 2021-02-18;修回日期 2021-03-18

湖泊作為生態系統的重要組成部分，為多種生物提供良好的生存環境，不僅保持了生物的多樣性，也對維持生態系統的平衡起著關鍵的作用[1]。隨著社會經濟的不斷發展，我國部分區域存在工業廢水和生活污水未經處理直接排入湖泊的現象，導致氮、磷不斷富集引起湖泊富營養化，湖泊的生態環境呈現不同程度的破壞[2-4]。因此，如何采取有效措施治理和修復富營養化湖泊已經成為國內外環境工作者關注的熱點。在湖泊治理方法中，按治理手段一般可以分為化學法、物理法和生物法等;其中物理化學法治理成本較為昂貴，且存在二次污染的風險;生物法不僅具有成本較低、環境友好、生態環保等特點，而且可以恢復水體中生態系統平衡和增加水體自凈能力，因而逐漸被廣泛應用于富營養化水體的治理中[5-8]。筆者以海口某人工湖為研究對象，通過生態修復的方法，向湖泊中投加微生物復合修復劑和種植沉水植物，不斷降解水體中的污染物，凈化水質，逐步恢復湖泊的生態平衡，最終達到修復湖泊生態系統的目的，以期為富營養化湖泊的治理和水環境質量改善提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料 該研究所使用的微生物復合修復劑為專利產品，主要由枯草芽孢桿菌、酵母菌和硝化細菌等微生物以及具有水質調節作用的微量元素組成。微生物可以降解水體中的有機物，微量元素可以絮凝沉淀水體中的顆粒等懸浮物。種植的沉水植物主要有輪葉黑藻、苦草，均采購于東莞市橋頭鎮水生植物苗圃。

1.2 儀器 JPSJ-606L型溶解氧儀（上海雷磁）;PHB-4精密酸度計（上海雷磁）;SD20透明度盤（北京普力特）;Lambda 365紫外可見分光光度計（美國PerkinElmer）。

1.3 試驗場地情況 試驗場地為海口某人工湖泊，湖泊大小約為11 860 m 水深為1.2～1.5 m。根據湖泊的地形特點，分別于湖泊東側觀景平臺和西側涼亭處各設定1個采樣點位，南北兩側環湖路中間位置各設定1個采樣點位，湖泊中心設定1個采樣點位，共計設定5個采樣點位，具體取樣點位分布見圖1。試驗階段，采樣頻率每周2次，采集水面以下0.5 m 的水樣。利用便攜式測量儀器現場測定溶解氧（DO）、透明度、pH，實驗室檢測水體的氧化還原電位（ORP）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）等指標。

1.4 湖泊水質狀況 采取生態修復措施之前（2018年5月底），對湖泊水樣進行取樣檢測分析，測得湖泊水質DO為2.10 mg/L，ORP為-78 mv，透明度為8 cm，pH為6.3 COD為89 mg/L，NH3-N為15.8 mg/L，TP為5.32 mg/L。對比《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類水質指標，湖泊COD、NH3-N和TP污染嚴重，表明水體富營養化嚴重。

1.5 試驗設計 該研究于2018年6月5日開始對湖泊實施生態修復，所用微生物復合修復劑用量為10～30 g/m 使用前用清水將微生物復合修復劑溶解，然后采用水上作業機械噴灑的方式投入到湖泊中。在具體實施修復過程中，要根據水體的污染特征、受損程度和實施修復的效果合理調整生物復合修復劑配方、用量及用法。根據修復時間和效果，改變投加頻率修復前期（2018年6—9月）投加頻率為每周5～7次，修復中期（2018年10—12月）投加頻率為每周3～4次，修復后期（2019年1—2月）投加頻率為每周1～2次。水生植物于2018年12月開始種植，采用拋種的方式，輪眼黑藻與苦草種植比例約為3∶7，100～150叢/m 8～12棵/叢。

1.6 測定分析方法

溶解氧采用JPSJ-606L型溶解氧儀測定，pH和氧化還原電位均采用PHB-4精密酸度計測定，透明度采用SD20透明度盤測定。化學需氧量、氨氮、總磷和葉綠素等指標均按照《水和廢水監測分析方法》（第四版）中的規定進行測定[9]。

1.7 數據統計分析 試驗數據采用Excel 2016進行存儲和分析計算，并采用Origin 9.0繪圖。

根據污染物前后濃度的變化計算污染物的去除率，具體公式為

η=C0-CtC0×100%，式中，η為污染物的去除率（%），C0為湖泊未修復前的污染物濃度（mg/L），Ct為湖泊修復后污染物濃度（mg/L）。

2 結果與分析

2.1 pH、透明度、溶解氧和氧化還原電位的變化

從湖泊修復前后水體中pH、透明度、溶解氧和氧化還原電位等指標的變化（圖2）可以看出，隨著修復時間的增加，水體的pH和透明度不斷增加。整體來說pH穩定在6.0～9.0，這是由于在富營養化湖泊中，藻類大量的繁殖，不斷吸收水中CO 使得湖泊的pH升高[10]。水體感官由渾濁逐漸變為清澈，透明度最大可以達到130 cm左右，湖泊幾乎清澈見底。水體透明度一般由懸浮物含量決定，透明度顯著升高的主要原因包括：①微生物復合修復劑中含有具有絮凝作用的鐵、鋁等微量元素，可以有效絮凝沉淀水中的懸浮物;②后期種植的沉水植物也可以有效降低沉積物再次懸浮，且對懸浮物有一定的吸附作用;③浮游植物生物量的逐漸減少，也使得水體的透明度不斷提高[11-13]。

同時，水體的溶解氧呈不斷上升的趨勢，溶解氧最高可以達到8.21 mg/L，這是由于前期藻類的繁殖，導致水體的溶解氧不斷升高，后來隨著水生植物的種植和生長，也可以不斷向水體釋放氧氣，所以湖泊溶解氧不斷升高。氧化還原電位也不斷增加，最高可以達到278 mv，一方面由于微生物的作用，不斷降解水體中的還原性等有機物，另一方面水體的溶解氧不斷升高，兩者綜合作用使得水體的氧化還原電位不斷升高。

2.2 化學需氧量的變化

從湖泊修復前后水體中化學需氧量（COD）的變化（圖3）可以看出，使用微生物復合修復劑前期（2018年6月）湖泊COD濃度為最高（81 mg/L），與未實施生物修復前相比，去除效果不明顯，去除率僅為8.9%。隨著微生物復合修復劑的持續使用，水體中COD濃度呈下降趨勢，修復中期（2018年11月），COD濃度降低至22 mg/L，去除率為75.3%;修復后期，COD濃度趨于穩定，2019年1月降到最低（5 mg/L），相對于修復前，COD去除率最高，達到94.3%。

微生物復合修復劑含有枯草芽孢桿菌，枯草芽孢桿菌具有繁殖快、對環境適應性強、無毒無污染等特點，其胞外酶能分解水體和底泥中的有機質從而降低水體的富營養化風險，且對氨氮、亞硝酸氮和化學需氧量有良好的去除效果[14]。因此，隨著修復時間的增加，微生物復合修復劑中的枯草芽孢桿菌逐漸發揮作用，不斷降解水體中的有機物質。枯草芽孢桿菌為好氧菌，隨著水體溶解氧的不斷增加，枯草芽孢桿菌的繁殖加快，有利于對COD的降解。修復后期，隨著COD濃度的逐漸降低到較低水平，枯草芽孢桿菌繁殖受基質中的碳源控制，在低基質濃度下，細胞繁殖趨于穩定，所以修復后期COD濃度變化不大[15]。

2.3 氨氮的變化

氮、磷是藻類生長必需的營養物質，消除湖泊富營養化的關鍵在于降解水體中的氮、磷負荷。該研究重點研究了湖泊修復前后水體中氨氮隨修復時間的變化，從圖4可以看出，使用微生物復合修復劑前期（2018年6月）湖泊氨氮濃度開始降低，與未實施生物修復前相比，氨氮去除率為33.1%。隨著修復時間的不斷增加，水體中氨氮濃度呈下降趨勢，修復中期（2018年11月），氨氮濃度降低到2.5 mg/L，去除率達到84.4%;修復后期，氨氮濃度趨于穩定，2019年2月降到最低（1.3 mg/L），相對于修復前，氨氮去除率最高，達到92.0%。

氨氮的降解主要是微生物的作用，包括枯草芽孢桿菌和硝化細菌。一方面硝化細菌為自養好氧型微生物，可以將水體中的氨氮轉化為硝態氮，當湖泊溶解氧濃度逐漸升高時，有利于硝化反應的進行;另一方面枯草芽孢桿菌通過同化水體中的氮源維持繁殖，既可利用氨氮和硝態氮，也可以利用硝態氮合成自身所需的營養物質。在好氧的環境下，枯草芽孢桿菌可以促進硝化作用的進行，但是反硝化反應會受到抑制，硝態氮的還原受到阻礙[16]。當修復后期COD濃度較低、微生物所需碳源不足時，枯草芽孢桿菌的同化受到抑制，去除效果變得緩慢，氨氮濃度變化不大，趨于穩定。

2.4 總磷的變化

從湖泊修復前后水體中總磷（TP）隨修復時間的變化（圖5）可以看出，使用微生物復合修復劑前期（2018年6月）湖泊TP濃度降低明顯，與未實施生物修復前相比，TP去除率為62.6%。隨著修復時間的不斷增加，水體中TP濃度呈下降趨勢，修復中期（2018年11月），TP濃度降低至0.27 mg/L，去除率達到94.9%;修復后期，TP濃度趨于穩定，2019年1月降到最低（0.09 mg/L），相對于修復前，TP去除率最高，達到98.3%。

由于微生物復合修復劑中含有鐵、鋁等微量元素，可以與湖水中的可溶性磷發生絮凝沉淀反應，生成磷酸鹽沉降于湖底沉積物中;在堿性環境下，部分鐵鹽和鋁鹽會生成對應氫氧化物，也會起到助凝劑的作用，從而促進磷酸鹽的絮凝沉淀反應。已有研究表明，當水體溶解氧濃度較高時，湖底沉積物幾乎不會向水體中釋放磷，即好氧可以抑制磷的釋放，厭氧加速磷的釋放[10]。修復后期，湖泊中沉水植物的覆蓋可以有效減少水-沉積物界面的擾動，降低沉積物中磷的釋放;沉水植物的生長可以直接從水中吸收磷素，并同化為自身的結構物質，從而促進水體中磷營養元素的去除。

2.5 浮游植物的變化

生物指標是衡量水質質量的一個重要指標，為了監測湖泊中生物指標的變化，定期取水樣檢測，分析湖泊中生物的生長變化情況。取樣時間分別為修復前期（2018年6月）、修復中期（2018年11月）、修復后期（2019年1月）;取樣頻率為每周2次，并計算出月平均值。

湖泊修復前后水體中浮游植物豐度及比例隨修復時間的變化如圖6所示。從圖6可以看出，隨著時間的增加，浮游植物的豐度逐漸下降，從最高豐度10.70×104 cell/L降低至0.87×104 cell/L。修復前期，湖泊水體富營養化現象嚴重，氮磷含量較高，浮游植物的豐度也處于較高水平;隨著修復進程的推進，水體氮磷含量逐漸下降，到了修復后期浮游植物的豐度降到最低。湖泊不同時期生物指標的變化如表1所示，由表1可知，湖泊整體屬于富營養、混合的渾濁水體。在整個修復過程中，絲狀藍藻比例處于較高水平，球狀藍藻逐漸消失，浮游植物的豐度不斷降低，說明湖泊富營養化得到有效改善，修復后期湖泊生態系統逐漸趨于穩定。沉水植物與浮游植物均為湖泊中主要初級生產者，在生長過程中兩者之間會競爭湖泊中的營養鹽與光照;同時沉水植物具有化感作用，可以抑制浮游植物的生長，隨著沉水植物的構建，浮游植物生物量也會明顯降低[17]。

3 結論

該研究周期為2018年6月至2019年2月，通過微生物復合修復劑和沉水植物對富營養化湖泊實施生態修復，并對湖泊水體的pH、透明度、DO、ORP、COD、NH3-N和TP等理化指標進行連續監測，根據水質監測結果，得出以下結論：

（1）當對湖泊實施生態修復技術后，湖水的透明度、DO和ORP都呈上升趨勢，水體pH維持在6.0～9.0，透明度、DO和ORP最高值分別可以達到130 cm、8.21 mg/L和278 mv。

（2）修復后期，COD、NH3-N和TP濃度比修復之前分別下降了94.3%、92.0%和98.3%，表明生態修復技術對控制湖水COD、NH3-N和TP具有顯著效果。

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