湖泊富營養化治理及EM技術研究進展

王興順

（鴻宇勘測咨詢服務（常州）有限公司，江蘇 常州 213000）

引 言

湖泊是地球上重要的淡水資源庫，與人類生產生活息息相關，在流域生態、生活供水、氣候調節、調蓄洪水等方面有著不可替代的作用。中國湖泊眾多，全國共有1 km2以上的湖泊2 759個，總面積約91 019 km2，占我國國土面積的0.95%，其中約三分之一的湖泊為淡水湖泊。幾十年來，隨著人類干預活動的加劇，很多湖泊出現了湖面萎縮、水質下降、富營養化等水環境問題，相應地，其供水能力、洪水調蓄能力等社會服務功能都大大減弱，這些都極大地影響了經濟社會的可持續發展。

其中，由湖泊富營養化引起的一系列水環境問題引起了社會的高度關注，比如富營養化比較嚴重的滇池、巢湖、太湖，一時成為社會討論的焦點。經過數年的治理，取得較大成效，但依然任重道遠[1]。

本文主要綜述了湖泊富營養化的發生機理及主要治理方法，并試圖從微生物的層面探索EM技術在湖泊富營養化治理中的應用。

1 湖泊富營養化的發生及治理措施

1.1 湖泊富營養化發生的原因

富營養化（Eutrophication）這一詞匯來源于拉丁語，基本含義是營養鹽過剩[2]。富營養化本來是水體自然狀態下的演化進程，但由于人類活動的干預，湖泊的這一演化進程大大加快，大量的湖泊出現了人為富營養化情況。富營養化主要表現為水體初級生產力即浮游植物豐度和生物量的異常增大。

Shelford[3]在1911年提出：生物對各種環境因子的適應有一個生態學意義上的最小量和最大量，它們之間的幅度稱為耐受限度或生態幅，超出了這個閾值范圍，就會影響生物的生長和發育而成為限制性因子。對于影響浮游植物生長的營養鹽限制因子來說，就是接近或超過浮游植物的耐受極限，以致妨礙其生存、生長、繁殖和擴散的營養鹽。Stumm[4]曾對藻類的化學成分進行過分析研究，提出了藻類的“經驗分子式：C106H263O110N16P”，根據該經驗分子式，計算出磷在藻類分子量中所占的重量百分比最小，氮次之，氧所占的重量百分比最大。Sundareshwar[5]的相關研究結果表明，影響湖泊富營養化的因子眾多，如C、N、P、Si、Fe等，均可能成為水生生態系統的限制性營養因子。

湖泊富營養化的發生可歸因于氮、磷等生源要素的過快、過多積累。湖泊富營養化的主要表現為湖泊內TN、TP負荷過高，超過湖體本身的自凈能力。人類在一定時期內，由于經濟生產發展的需要，一方面以點、面源形式通過河道溝渠等徑流向湖泊水體排放工業、生活和農業污水，另一方面破壞了水生生物生態系統，減小了湖體環境容量，湖泊沿岸的各種工農業生產活動的擾動，加速了湖泊富營養化進程。據統計，在巢湖流域（1995年），農業面源污染貢獻了63%的TN和73%的TP；在太湖流域（1994年），生活污水貢獻了60%的TN，農業面源污染和生活污水分別貢獻了TP的37.5%和25%[6]。

1.2 湖泊富營養化的治理措施

隨著湖泊富營養化引發的各種問題的凸顯，如2007年太湖藍藻暴發，人們開展了大量的關于富營養化發生機理和治理措施的研究和實踐工作，形成了一系列、多角度的治理湖泊富營養化的技術措施[7-17]。近些年來，人們逐漸認識到，湖泊富營養化的治理工作并不能局限于湖泊本身或者某一單一治理措施，基于流域尺度的綜合治理方法是治理錯綜復雜的富營養化問題的較好選擇。

1.2.1 物理化學方法

（1）營養鹽減排控制技術

營養鹽的過量富集是導致湖泊富營養化的直接原因，所以從工業點源污染、農業面源污染、生活污水污染等各種源頭控制營養鹽的量是非常有力的措施。這主要包括工業減排、農業合理施肥及各種廢水處理工藝。

（2）營養鹽抑制或去除技術

研究表明，湖泊內源性營養鹽釋放是影響湖泊富營養化的重要因素[18-19]。利用沉積物氧化、化學沉淀、底泥覆蓋等措施，可以使底泥處于氧化狀態或增加沉積物對營養鹽的束縛能力，或是在沉積物表面形成覆蓋層，從而抑制內源營養鹽的釋放[20]。還可直接進行底泥疏浚，其適用條件及長期效果與湖泊大小、類型以及水動力條件等有關[21-22]。

1.2.2 生物技術

1.2.2.1 微生物方法

湖泊生態系統中的微生物在維系生物鏈和新陳代謝、促進環境的物質能量循環和信息傳遞方面發揮著重大作用。所以在治理富營養化方面，微生物方法也是一個有效的方向。比如，利用微生物的反硝化作用去除水體中的氮。有實驗表明，在小型湖泊中，合理地加入微生物制劑后，總氮、總磷、COD等指標明顯降低，對水體的透明度、葉綠素a含量的改善有明顯效果[23]。

1.2.2.2 水生植物凈化

利用水生植物對營養鹽類的吸收、過濾和吸附作用，減少或者固化湖體營養鹽。比如利用這一原理發展起來的生態浮床技術，水生植物所起到的作用主要有以下三個方面：①水生植物的同化作用。水生植物在生長過程中合成自身所需各類物質需要不斷從水體中吸收各類元素，不同植物的同化作用各異。②植物根系的物理化學作用。水生植物在生長過程中會形成非常密集的根系，相互纏繞形成網狀結構并伴隨一定的分泌物，對流過其中的各類污染物形成截留、吸附、絮凝、螯合等效應，能夠達到一定的污染物去除效果；另外密集生長的水生植物莖葉對污染物也具有一定的攔截效果。③吸附在水生植物根系的微生物降解作用。水生植物根系具有巨大的比表面積，其表面可吸附生長大量的、生理生化特性各異的微生物，這些微生物可大量增殖，進而較好地降解各類污染物[24]。

1.2.3 生態修復技術

生態修復技術主要是從整個生態系統健康的角度出發，恢復生態系統結構的完整性和層次多樣性，同時，其相應功能也能得到恢復。而一個健康的生態系統被認為具有較好的穩定性以及自凈能力和自我恢復能力，這些能力的恢復對于湖泊營養鹽耐受能力的提高和營養化水平穩定性的保持都是十分重要的。

所以，將湖泊生態系統從一個嚴重富營養化的狀態轉換為自然的、健康的、功能比較完備的狀態是富營養化治理的目標。有學者將湖泊生態系統的狀態轉換歸納為四個過程：外部環境的擾動、生態系統的反彈、臨界閾值的達到、生態系統變化的延遲，并認為對于富營養化湖泊，生態恢復就是利用各種干預措施，把藍藻水華頻發、水質較差的富營養化藻型湖泊生態系統轉化為水生植物茂盛、水質清澈的草型湖泊生態系統[25]。

另一方面，湖體外流域生態系統的部分功能有利于入湖營養鹽量的控制，比如，人工濕地技術，這一技術目前已經廣泛應用于流域各個部分的污染治理。人工濕地系統可有效降低湖泊污染負荷，對湖泊生態系統的非生物環境進行有效調控，研究表明，濕地對于氮、磷有較好的去除效果。

2 EM技術

2.1 EM菌簡介

EM菌（Effective Microorganisms）為有效微生物群的英文縮寫，也被稱作EM技術（EM Technology）。它包括光合細菌、乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、醋酸菌、雙歧桿菌、放線菌七大類微生物中的10屬80種微生物，這些微生物以特定的比例組成的菌群能非常有效地提高對有機物的分解效率。這項技術是由世界著名應用微生物學家日本琉球大學比嘉照夫教授在20世紀70年代首先發明的，目前是世界上應用范圍最大的一項生物工程技術，在農業、養殖業、廢水處理、水體凈化等領域有著廣泛的應用。

2.2 EM技術的基本原理

根據微生態學的原理，EM中兼有厭氧和好氧微生物，其生長過程中產生的分泌物成為各自或相互間生長的基質和原料，通過這種共生關系，得以形成一個復雜而穩定的微生態系統，可提高有機物的降解效率，同時發揮多種功能。所以，通過嚴格控制各種條件，充分利用各菌群的共生增殖作用，形成較好的微生態系統，從而更加高效地完成各類污染物降解等復雜過程。通過這一微生態系統的帶動作用，激活水體中具有凈化功能的原生動物、微生物和水生植物，從而形成自凈能力較強的良性水生生態系統。

2.3 EM技術在我國水域凈化領域中的應用

首先，EM技術在水環境領域主要用于工業廢水、生活污水和養殖廢水的凈化。張鳳杰、楊寶靈[26]等按VEM/V污水比1/2 000向活性污泥中加入4 mL EM原液進行培養，結果顯示污泥的沉降性能好，污泥產量減少了約20%。當水力停留時間為6 h，COD、BOD5、氨氮和總氮的去除率分別為95.92%、99.03%、91.87%和96.77%；有關研究在青蝦和常規魚養殖池利用EM菌制作EM發酵基肥，潑灑于池塘中，實驗發現pH無明顯變化，透明度有所改善，3天內溶解氧平均增加48%，氨氮平均下降57%。

近年來，隨著EM技術在種植、養殖、廢水處理等領域的應用，人們對于該技術的熟悉和掌握程度逐漸加強，EM技術對于富營養化水體治理方面的實驗研究和實際應用也逐漸增多。2000年，中山大學開展的實驗表明，EM技術對污染水體的透明度、高錳酸鹽指數（CODMn）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a均有明顯的改善效果[23]。2006年，在無錫市宜興大浦鎮浦南村的浦南、厚和、河瀆3個自然村，中國環境科學研究院實施了前置庫面源污染強化凈化示范工程，利用篩選的土著微生物建立微生物－水生生物強化系統，對區域地表徑流和其他污染源中的營養鹽、懸浮固體、有機污染物進行攔截，有效減少了太湖入湖污染負荷[27]。隨后，在實驗研究基礎上開展了大量的實際應用，并取得了良好的效果，特別是在小型水體富營養化治理和營養 鹽的去除工作中。

綜上所述，首先，EM技術對于各類廢水的處理，可大大降低其營養鹽類含量，這直接減小了湖泊外源性營養鹽入湖壓力；另一方面，EM技術結合其他技術，如水生植物凈化技術，對富營養化的湖體進行綜合治理可直接產生較好的效果。

2.4 EM技術在湖泊富營養化治理中的限制性因素

EM技術雖然在實驗條件下和小型水體中顯示了較好的營養鹽類去除效果，但直接應用于湖泊，特別是水力條件和環境比較復雜的較大型湖泊時，出現了比較多的限制因素：

（1）湖泊水體中可能存在抑制EM菌群的物質；

（2）所需菌群難以在湖泊中形成優勢種；

（3）水體的流動性弱化了菌群的作用。

3 結語和展望

湖泊富營養化是一個具有時空差異性的復雜問題，對于其具體發生機理尚有爭論。湖泊富營養化治理工作不是一蹴而就的，而是一項長期的任務。目前，對于其發生機理，特別是在沉積物內源性營養鹽釋放和固化機理的研究方面尚有很多工作要做。在治理過程中，要以更大的視野，從更廣的尺度上進行流域的綜合管理，根據不同湖泊的不同情況，制定綜合治理措施，采取相對應的各種技術手段。另外，對于各種具體治理技術的研究還有待深入，特別是在微生物領域，各種菌群相互影響機理和有利于治理富營養化的發生條件的研究是其中的重要環節。