生物修复技术对水体污染治理的应用

生物修复技术对水体污染

治理的修复技术

摘要

关键词生态生物修复水体污染

1. 中国水环境状况及危害

1.1 中国水环境状况

据2000年统计，我国河流水质在11.4万km评价河长中，符合和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7%，比上年下降3.7%。在评价的24个湖泊中，9个湖泊水质符合或优于Ⅲ类水，4个湖泊部分水体受到污染，11个湖泊水严重污染。其中，太湖Ⅳ类水质断面占64%，Ｖ类水质断面占12%。滇池水质劣于Ｖ类，处于富营养状态。在评价的139座主要水库中，有118座达到Ⅱ、Ⅲ类水质标准，在未达到Ⅲ类水标准的水库中，有8座劣于Ｖ类。在对93座水库进行营养化程度评价时，处于中营养化状态的水库65座，处于富营养化状态的水库14座。这些情况说明我国江河湖库水体污染状况严重，且有明显恶化趋势。

1.2 水污染的危害

(1)危害人的健康水污染后，通过饮水或食物链，污染物进入人体，使人急性或慢性中毒。砷、铬、铵类、笨并(a)芘等，还可诱发癌症。被寄生虫、病毒或其它致病菌污染的水，会引起多种传染病和寄生虫病。重金属污染的水，对人的健康均有危害。被镉污染的水、食物，人饮食后，会造成肾、骨骼病变，摄入硫酸镉20毫克，就会造成死亡。铅造成的中毒，引起贫血，神经错乱。六价铬有很大毒性，引起皮肤溃疡，还有致癌作用。饮用含砷的水，会发生急性或慢性中毒。砷使许多酶受到抑制或失去活性，造成机体代谢障碍，皮肤角质化，引发皮肤癌。有机磷农药会造成神经中毒，有机氯农药会在脂肪中蓄积，对人和动物的内分泌、免疫功能、生殖机能均造成危害。稠环芳烃多数具有致癌作用。氰化物也是剧毒物质，进入血液后，与细胞的色素氧化酶结合，使呼吸中断，造成呼吸衰竭窒息死亡。我们知道，世界上80%的疾病与水有关。伤寒、霍乱、胃肠炎、痢疾、传染性肝类是人类五大疾病，均由水的不洁引起。

(2)对工农业生产的危害水质污染后，工业用水必须投入更多的处理费用，造成资源、能源的浪费，食品工业用水要求更为严格，水质不合格，会使生产停顿。这也是工

业企业效益不高，质量不好的因素。农业使用污水，使作物减产，品质降低，甚至使人畜受害，大片农田遭受污染，降低土壤质量。海洋污染的后果也十分严重，如石油污染，造成海鸟和海洋生物死亡。

(3)水的富营养化的危害在正常情况下，氧在水中有一定溶解度。溶解氧不仅是水生生物得以生存的条件，而且氧参加水中的各种氧化-还原反应，促进污染物转化降解，是天然水体具有自净能力的重要原因。含有大量氮、磷、钾的生活污水的排放，大量有机物在水中降解放出营养元素，促进水中藻类丛生，植物疯长，使水体通气不良，溶解氧下降，甚至出现无氧层。以致使水生植物大量死亡，水面发黑，水体发臭形成“死湖”、“死河”、“死海”，进而变成沼泽。这种现象称为水的富营养化。富营养化的水臭味大、颜色深、细菌多，这种水的水质差，不能直接利用，水中断鱼大量死亡。

2.生物修复的方法与水体净化机理

2.1生物修复的概念及方法

2.1.1生物修复的概念

所谓生物修复就是利用特定的生物，包括微生物（土著微生物或外源微生物）、植物、动物，在一定的条件下进行去除或富集环境污染物，从而达到对污染环境进行恢复或改良的生物过程。

生物修复又称生物改良, 是指利用生物的生命代谢活动, 来减少污染环境中的有毒有害物质的浓度或使其无害化, 从而污染了的环境能够部分或完全地恢复到原始状态的过程[。生物修复根据不同的分类条件有不同的种类: 根据其所利用的生物种类, 可以分为微生物修复、植物修复、动物修复; 根据被修复的污染环境, 可以分为土壤生物修复、水体生物修复和大气生物修复; 根据生物修复的实施方法, 可分为原位生物修复和异位生物修复。

生物修复始于20世纪70年代, 在20世纪90年代得到迅速发展。欧洲各发达国家从20世纪80年代中期就对生物修复进行了初步研究, 并完成了一些实际的处理工程。美国也于1991年开始实施庞大的土壤、地下水、海滩等环境危险污染物的治理项目。我国的生物修复较发达国家晚, 处于刚刚起步阶段, 并从20世纪90年代开始显得尤为重视。目前在海面溢油、河流和湖泊的富营养化、地下水系污染等环境修复工程中广泛应用生物修复技术, 而其经济、高效、生态性等优势也使其在环境污染的治理中发挥着更为重要的作用。

2.1.2生物修复的工艺方法

水体生物修复包含植物修复、微生物修复、综合处理技术（生态工程修复）几大类，它们之间需要相辅相成。

由于水体污染问题产生的原因不同、区域不同及污染对象不同, 生物修复技术在水污染治理方面的应用也有很大的区别。目前, 在水污染治理中常用的生物修复技术方法主要包括以下几个方面:

(1) 投菌法: 直接向污染环境中接入外源的污染降解菌, 以及提供这些菌生长所需的营养, 从而达到降解污染物、净化环境的目的。

(2) 生物培养法: 为了满足污染环境中已经存在的降解菌的需要而定期地向污染环境中投加过氧化氢和营养, 以便使污染环境中的微生物通过代谢将污染物彻底矿化为二氧化碳和水, 从消除污染物, 净化环境。

（3）植物修复法: 在污染环境中栽种对污染物吸收力高、耐受性强的植物, 利用植物的生物吸收及根区修复机理达到从污染环境中去除污染物或将污染物予以固定的目的, 净化环境。

2.2水生生态系统及其净化机理

水生生态系统的结构包括:构成非生产组分的环境因素，作为生产者的藻类及水生植物，作为分解者的微生物，作为消费者的原生与后生动物。

（1）环境因素环境因素包括阳光、水、营养物质以及其他各种自然因素。阳光是水生生态系统最基本和最重要的能源，然而水生植物的光能利用率一班小于1%，水既是水生生物的生存条件，又是生态系统代谢的介质，水生生态系统的生物化学反应一班均通过水才得以实现。水体中含有中有机、无机组分，这些组分是水生生物生存必不可少的物质，同时也是造成水生生态系统之间差异的重要因素（2）藻类及水生植物藻类及水生植物均为水生生态系统的主要生产者。作为水生生态系系统最初级的生产者，藻类通常具有很高的生产能力；水生植物是水生生态系统污染净化的主体。衡量一种植物是否具有驱除污染物的能力，取决于他的净化效率、对污染适应能力、生长速度、是否具有综合利用价值等因素。常见的具有净化功能的水生维管束植物有26种，分属蕨类植物和被子植物2门18科。

（3）微生物在水生生态系统的净化功能中微生物起着最为主要的作用，他将水体中的污染物、生产者和消费者的排泄物及其尸体等有机物分解，转变为无机物，并从中获取自身生长的营养物质。

（4）水生动物水生动物主要是浮游动物、鱼和其他水生动物。浮游动物是藻类和水体最终消费者-鱼类之间的中间环节，污染水体中常见的细菌种类可分为原生与后生动物。

原生动物。原生动物是最低等的点细胞动物，其个体长度一般在100—300μm。原生动物在生理上是一个完善的有机体，与众多细胞动物一样具有呼吸、排泄、生殖等功能。

后生动物。后生动物为多细胞动物，水体中常见的有轮虫、甲壳类动物、水生昆虫。

水体中其他的动物（如软体动物等），出兑污染物具有一定的同化作用外，尚可用以作为水体污染的指示生物。

3.生物修复技术的实际应用

3.1日本坂川古崎净化场

位于日本江户川支流坂川古崎净化场，是采用生态—生物方法对河道大水体进行修复的典型工程，从1993年投入运行至今已有8年的运行历史，观测结果表明，河道污染水体的水质有了明显改善。

江户川是日本东京都和千叶县附近的主要河流，从河道中引出70m3/s的流量为该地区城市、农业、工业供水，其中城市供水占60%。靠江户川下游的金町、古崎和栗山三个水厂为630万人供水。坂川是江户川的一条支流，在金町等三个水厂上游附近汇入江户川。由于坂川河道治理不力，大量生活污水排入坂川，致使水质恶化，BOD等指标严重超标，同时浮游植物繁殖迅速。坂川水质恶化，直接对金町等三个水厂构成威胁，居民对饮用水味道不佳多有怨言。为治理坂川，采取工程设施将坂川改道，先流入古崎净化场。经过古崎净化场后，坂川的污染减少了60%～70%，处理过的河水流入称为松户川的新开人工渠道，然后注入江户川。

古崎净化场是利用卵石接触氧化法对水体进行净化。古崎净化场建在江户川的河滩地下，充分节省了土地，是地下廊道式的治污设施。净化场结构十分简单，主体结构是高4.5m、长28m的地下矩形廊道，内部放置直径15～40cm不等的卵石。用水泵将河水泵入栅形进水口，经导水结构后水流均匀平顺流入廊道。另外有若干进气管将空气通入廊道内。净化作用主要由以下三方面组成：①接触沉淀作用：污

水经过卵石与卵石间的间隙，水中的漂浮物触到卵石即沉淀；②吸附作用：由于污染物自身的电子性质，或由于卵石表面生物膜的微生物群产生的黏性而产生吸附作用；③氧化分解作用：卵石表面形成一种生物膜，生物膜的微生物把污染物作为食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。通过净化场后，水质明显提高，效果十分显著，见表1。其中BOD反映有机物的含量；SS反映浮游于水中的固体物，造成水体浑浊；2-MIB反映水中蓝藻类物质，蓝藻类异常繁殖是造成水体腐臭的主要原因。

坂川的河水经改道注入古崎净化场后，清洁的水流入新开的人工渠道——松户川。其设计理念颇有新意，它一改传统设计形式，不采用混凝土或块石衬砌的直线渠道，而以微弯曲的河道形态，岸坡间有大小卵石，植有繁茂的芦苇和其他植物，

居民提供一个与自然相融合的休闲环境，而且对水体也能起进一步的净化作用。松户川注入江户川后，大大缓解了江户川的环境压力。

3.2日本渡良濑蓄水池的人工湿地

渡良濑蓄水池位于日本枥木县，是一座人工挖掘的平原水库，总库容2640万m3，水面面积4.5km2水深6.5m左右。平时为茨城县等6县市64万人口供水，日供水量21.6万m3。蓄水池周围是渡良濑川的滞洪区，汛期蓄水池能提供1000万m3的调洪库容。

随着近年来上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入，渡良濑蓄水池出现霉臭等水质问题。为保护蓄水池的水质，自1993年起在蓄水池一侧滞洪洼地上建人工湿地，这是一座设有人工设施的芦苇荡。将蓄水池的水引到芦苇荡，通过吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，达到对水体进行自然净化的目的。这种净化过程循环进行，确保蓄水池水质洁净，类似医学上的对病人血液体外透析处理。芦苇具有很好的净化功能，污染物与其茎部接触产生沉淀作用，芦苇的根部与茎部可吸收某些污染物。另外，附着在茎部上的微生物可对污染物产生吸附分解作用。

渡良濑人工湿地在蓄水池出水口建高3.5m、宽40m的充气式橡胶坝，用以控制出水口。水流经引水渠到达设于地下的泵站。其所以设于地下，是为满足景观的要求。泵站安装单机流量为1.25m3/s

芦苇荡。芦苇荡占地20hm2，最大净化水体能力为2.5m3/s。水流在芦苇荡中蜿蜒流

动，以增加净化效果，遂从出口汇入集水池，再回到蓄水池，完成一次净化循环。人工湿地内主要种植芦苇，高2～3m。此外，还种植同属稻科的荻，高为1.0～2.5m。人工湿地建成后，不仅水质得到改善，动植物的生态系统也得以极大改善，生物多样性有所恢复，见表2。该人工湿地已经成为日本最大的芦苇荡，也成为对居民、儿童进行环保及爱水教育的场所。

为净化渡良濑蓄水池的水体，还在蓄水池中部建一批人工生态浮岛，种植芦苇等植物，其根系附着微生物，可提供充足氧气，并通过迁移、转化水中的氮、磷等物质，降解水中有机质。浮岛还设置为鱼类产卵用的产卵床，也为小鱼设有栖身地，水中的浮游植物成了鱼饵。人工生态浮岛保证了蓄水池水质的洁净。

3.3韩国良才川水质生态—生物修复设施

良才川是汉江的一条支流，位于汉城的江南区。由于河流地处住宅区，加之治理不善，良才川的水质受到较大污染，也影响了汉江的水质。1995年起主要采用生态—生物方法治理良才川。

水质净化设施主体是设于河流一侧的地下生态—生物净化装置。采用卵石接触氧化法，即强化自然状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象，利用微生物的活动将污染物转化为二氧化碳和水。净化设施日处理能力为32000t。净化的工作流程如下：拦河橡胶坝（长18m、高1m）将河水拦截后引入带拦污栅的进水口，水流经过进水自动阀，经污物滤网进入污水管，污水管连接有４座污水孔墙，污水孔墙两侧各有一座接触氧化槽（长20m、宽13.6m、高14.8m），共有8座。污水从孔墙的孔中流入接触氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通过氧化槽得到净化后分别流入４座清水孔墙，再汇集到清水出水管中，由清水出口排入橡胶坝下游。污水在接触氧化槽内被净化产生的主要作用是：接触沉淀、吸附和氧化分解作用。与上述日本古崎净化场相比，这种净化装置的主要优点是几乎不耗能，运行成本很低。该设施建成至今已6年，治污效果显著。

除接触氧化槽以外，良才川的环境治理工程还包括恢复河流自然生态的方法，即用石块、木桩、芦苇、柳树等天然材料进行护岸，形成类似野生的自然环境，同时种植菖蒲等植物，恢复鱼类栖息环境，适于鳜鱼等鱼类生长，也为白鹭、野鸭等禽类群落生存创造条件，又开辟散步、骑自行车小路和木桥等，为居民提供与水亲近的自然环境。

4.生物修复技术的展望

大量的实验与例证可证明生物修复的效果明显优于物理、化学方法。利用生物修复技术具有以下特点:

(1)投资成本低, 处理效果好。许多例子证明, 生物修复这种利用动、植物等的代谢活动所进行的环境污染治理方法不仅投资成本低而且处理效果好, 比利用物理、化学方法治理污染具有更高的经济性、成功性和安全性。

(2)无二次污染, 环境安全性高。生物修复技术是利用特定的生物(植物、微生物或原生动物)降解、吸收、转化或转移环境中的污染物。利用生物修复技术治理环境不仅不会对环境造成二次污染, 还可以将被污染环境已经失衡的生态系统重新调动起来, 通过环境因子、生物因子、营养成分等的改变, 让生态系统实现自我修复, 保障系统安全, 提高治污效果。

生物修复技术与传统修复方法相比, 虽然有许多优点, 但也存在一些不足, 如: 有毒物质(如

重金属) 对生物降解有抑制作用; 某些污染物不能被生物降解; 有些污染物在降解的过程中会转化成有毒的代谢产物等。若能将生物修复技术与其他技术相结合, 将生物修复技术渗透到基因工程、酶工程、细胞工程等先进技术领域里, 形成联合的修复技术体系, 必将为人类有效地解决环境问题做出更加巨大的贡献。

参考文献