水源地水体富营养化生态修复工程技术研究进展

细菌是自然界能够将死亡有机物分解成植物能吸收的无机盐，起“清道夫”作用的有益细菌的组合．该技术在 贵阳市红枫湖温流水养殖场污水治理工程中进行了现场实验．通过物理生态工程的方法对局部水域出现藻 类水华的红枫湖进行治理，取得了明显效果，，ＩＮ、１１Ｐ、非离子氨和亚硝酸盐氮都有显著降低【７Ｉ．
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增刊２
俞宁，等水源地水体富营养化生态修复工程技术研究进展
ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｌｇａｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｗａｌｌ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ｆｏｒ
ｈｙｄｒｏ－ｂｉｏｃｏｅｎ，ＭＯＴＨＢ）；（ｃ）捕藻技术（ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｙｃｌｅ
ｐｌｌｌＩｌｌｅ，硼ＡＰ）；（ｄ）固定化氮循环细菌技术（ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ
ｂａｃｔｅｒｉａ，ＩＮｃａ）ｔ ７｜．固氮循环
第３８卷增刊２
２０１０年ｌＯ月
河海大学学报（自然科学版）
Ｊ伽ｍａｌ ｏｆ Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
Ｖ０１．３８
Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ２
Ｏｃｔ．２０ｌＯ
水源地水体富营养化生态修复工程技术研究进展
俞 宁１，杨肖娥２
（１．宁波原水集团有限公司，浙江宁波３１５１００； ２．浙江大学污染环境修复与生态健康教育部重点实验室，浙江杭州３１００２９）
２影响植物一生态系统修复的因素
２．１植物的种类 植物作为植物一生态修复的主体，其种类对植物一生态修复的效果起着非常重要的作用．植物的生活习性 不同，生长速率不同，生物量不同，对氮磷的需求也不同，而且对不同形态的氮磷也有不同的需求．甚至对环 境中微生物的活性影响也各不相同．对氮磷等去除率的表观研究发现不同植物种类存在较大差异．高吉喜 等［２６］研究发现７种植物对Ｎ的去除率由高到低依次为：满江红，慈姑，水花生，菹草，金鱼藻，菱白，菱角．如 果从去氮、去磷、易成活性和适用性４个方面综合考虑，慈姑和茭白最佳，金鱼藻、水花生和满江红次之，菹草 和菱角最差．也有研究认为，植物优先吸收氨氮和其他还原态氮，仅仅当氨氮浓度极低或耗尽时，才会吸收硝 态氮，即水生植物对氨氮的去除率较高，且去除速率较快【引．王国祥等在研究中还发现，富营养化水体流经 植物群落后，硝态氮有不同程度的上升，表明氨氮发生了硝化，被转化为硝态氮．另外植物根系的形态也会对 营养盐的去除产生很大的影响，通常来讲，根毛发达的根系能够为微生物提供更多的附着空间，有利于微生 物的生长和繁殖，从而促进营养盐的去除． ２．２温度 温度是影响植物一生态修复富营养化水体的另一主要因素．首先温度会影响植物的生长，每一种植物都 会有自己最适宜的生长温度．在该温度条件下，植物生长状况良好，且生长的速率也很快，在生长过程中吸收 大量的营养元素，因此去除富营养化水体中的营养盐速率大，效果好．王旭明等【勰Ｊ认为在不同温度（１５℃和 ２０℃）条件下，水芹菜对营养的吸收率是不同的，对ＴＮ的吸收率分别为６６．６７％和７２．９８％，对ＮＩ－ｈ＋．Ｎ的吸收 率分别为９５％和１００％．其次温度还会影响水体中微生物的活动，在不同的温度下，适宜生存的微生物种群 不同，从而会促进或者阻碍修复的效果．此外，水体中酶的作用也是在适宜的温度下才能发挥其最大效用，如 果温度过高会使酶失活，而温度太低酶的活性又减小，一般在自然状态下酶失活的可能性小，主要是温度过 低影响酶的活性．Ｓｏｎｇ等［２９Ｊ研究浮萍的结果表明，在低温条件下，细胞的生长和合成以及吸收的能力下降， 而保护酶类增加，在ｌｏ．２０℃时，植物的正常机制被破坏，不能应用于富营养化水体的修复． ２．３水体自身的性质 植物一生态系统对富营养化水体的修复效果还与水体自身的性质有关系，如水体中营养盐的浓度、营养 盐的形态，以及水体的ｐＨ值等．同一植物一生态系统，在不同富营养化程度的水体中，其修复能力也有差异．
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
土地处理技术作为一种生态处理系统，其去除对象主要是污染原水的有机污染物及氨态氮，对ｓｓ、浊 度、重金属、有害有毒元素、病源微生物等也有较好的去除效果．该技术目前在我国主要用于污水处理和微污 染原水的给水预处理．但国内相关研究报道较少，国外在这方面研究较多，目前已取得不少成果，且有实际工 程运行．ＪｕｔｔｎｅｒＴＭ Ｊ在Ｎｅｃｋａｒ河畔Ｈｅｉｂｒｏｎｎ市饮用水水源地“Ｂｏｃｋｉｎｇｅｒ Ｗｉｅｓｅｎ”进行河岸渗滤的研究表明，在距 离河岸３１ ｍ处，各种芳香族化合物去除率都达到８０％以上，大多数芳香族化合物已低于检出限值． １．２．５物理生态工程（ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＥＥＮ） 物理生态工程是濮培民等经过１０多年的研究总结出来的，在湖库富营养化的控制方面起到了重要作 用．该工程主要包括４项技术：（ａ）能适应多种底质、风浪、湖流条件的软隔离墙技术（ｓｏｆｔ ＳＷＡＴ）；（ｂ）水生生物群落镶嵌技术（ｍｏｓａｉｃ
１．２．６
生态浮岛技术（ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ
ｆｌｏａｔｉｎｇ－ｉｓｌａｎｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
人工生物浮床技术是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生植物，以浮床作为载体， 种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中的 Ｎ、Ｐ及有机物质，从而达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观【２２Ｊ．人工浮岛具有可移动式运行、无动 力、无维护、使用寿命长等特点，正日益受到关注．到目前为止，可用于防治水体富营养化的植物有近百种，其 中一部分植物不能够直接漂浮于水面或者植根于底泥中，而利用人工浮床就可以解决这一难题．利用人工浮 床可以将许多陆生经济植物和粮食作物种植在水面，既可起到对富营养化水体的修复作用，又具有一定的经 济效益，是当今治理富营养化水体的一种较好的方法．张村侠等旧Ｊ通过浮床栽培绿叶蔬菜，研究生菜和苋菜 对富营养化水体中Ｎ，Ｐ等营养元素的去除，发现这２种蔬菜在富营养化水体中都能正常地生长，在处理２８ｄ
１．２．３
ＳＡＴ系（ｓｏｉｌ
ａｑｕｉｆｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）
ＳＡＴ系统即以色列的Ｄａｎ Ｒｅｇｉｏｎ工程，属于污水回用工程．污水经过氧化塘、石灰反应器澄清、撇渣池， 然后经泵站打入ＳＡＴ系统，通过渗池入渗回到含水层中，使污水通过土壤一含水层系统达到净化，净化水通 过回收井回收．物理化学及生物反应过程主要发生在非饱和带及含水层中，包括过滤、化学沉淀、吸附、离子 交换、有机物生物降解、硝化、反硝化、微生物再碳化、细菌死亡、病毒活性降低等作用．Ｄａｎ Ｒｅｇｉｏｎ工程中ＳＡＴ 系统的去除效果对Ｐ，ＢＯＤ，ＣＯＤ，ＤＯＣ和ＴＮ分别为９８．８％，９０％，７６％，８２％和４５％，对藻类数、颗粒ＢＯＤ、颗 粒ＣＯＤ和颗粒有机氮的去除效果均为１００％，但日处理能力并不高．Ａｍｙ等汹Ｊ将氯化消毒的二级或三级处 理水运用ＳＡＴ系统进行深度处理，ＤＯＣ（溶解有机碳）和ＴＯＸ（总有机卤化物）的去除率分别达到９０％和 ８５％，说明ＳＡＴ与其他工艺相结合，是可以实现将中水进行处理，达到饮用水水质标准的． １．２．４土地处理技术（ｓｏｉｌ
摘要：随着经济社会的迅速发展，水源地上游的大量氮磷营养盐不断输入水体，造成水源地水体富 营养化程度越来越严重．从控制和修复角度对水体富营养化的生态修复工程及其影响植物一生态系 统修复效率的因素进行了相关的综述和总结，以期为类似的水源地水体富营养化的防治工作提供
依据． 关键词：水源地；富营养化；生态修复工程；植物一生态系统 中图分类号：Ｘ８３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００一１９８０（２０１０）Ｓ２－０１０３—０５
后生菜对ＴＮ的去除率达到６９．８３％，Ｎｌ－ｈ＋．Ｎ的去除率达到８５．４ｌ％，Ｐ嘲一．Ｐ的去除率达到８２．１６％，而苋菜 对，ＩＮ、氨氮、Ｐ０主一．Ｐ的去除率也分别达到７４．９ｌ％，８９．５８％和８４．７ｌ％．郭沛涌等ｍＪ研究了浮床黑麦草对富
营养化水体中Ｎ的去除作用，采用围隔对猪场的废水进行处理，发现浮床黑麦对富营养化水体中ＴＮ的净化 效果显著，经过５个月的处理，当黑麦草的覆盖率为３０％时去除效果最好，去除率可达到７４．９ｌ％．该方法的 缺点就是浮床材料的问题，目前在浮床支撑载体和基质的选材上绝大部分存在缺陷，国内外主流材质为聚苯 乙烯或聚氨酯泡沫和海绵，这些材料不容易被分解，有可能给环境造成压力．近年来，已有厂家在生产亲自然 的材料如椰壳、陶粒等作为浮岛支撑材料．有专家在浮床材料的改进方面进行了研究，并取得了一定的进展． 吴平凡等【２５Ｊ提出了利用稻草秸秆为主要原材料制备一种新的可降解的人工浮床支撑材料的技术，研究表明 采用高温浸泡后的稻草秸秆，热压后，冷却，再采用疏水剂浸渍制作的人工浮床支撑材料，无论是防水性能还 是物理机械性能都适合作为人工浮床的支撑材料．
２５７
ｍ２的人工湿地，该湿地正常运行时对ＴＮ，１１Ｐ的去除率为６０％，５０％．越来越多
的研究显示，位于水体和陆地生态系统之间的生态交错带具有过滤功能及缓冲器功能【１９］，不但可吸附和转 移来自面源的污染物、营养物，改善水质，而且可截留固定颗粒物，减少水体中的颗粒物和沉积率，同时湿地 可以提供生物繁育生长栖息地，对于保护生物多样性、减少洪涝灾害、保持水土资源等具有重要意义．在湖库 周边建立和修复水陆交错带，是整个湖库生态系统恢复的重要组成部分．
１生态修复与生态工程
１．１生态修复与生态工程概述 水体富营养化既是一个水环境问题，更是一个生态问题．应用生态方法防治水源地水体富营养化是当前 富营养化水体修复的热点．生态修复技术，就是以植物为主体，将物理、微生物的作用综合放大的修复技术． 在实际应用中需要根据不同地域、不同水质特点和不同污染类型，因地制宜地制定适当的生态修复措施．譬 如，针对非点源污染，美国科学家利用湿地生态系统作为湖泊周边流域和湖区之间的化学和水文缓冲器，提 出了保护湖区水质的湿地生态工程…１． 将一系列生态修复的研究成果与技术转化应用到实际富营养化水体修复的过程中，即为生态工程．１０ 余年来，国内外科学家运用生态工程技术净化富营养化水体，恢复富营养化水体生态系统良性循环，取得了 一些成功的经验［２－６］．实施生态工程可以改善富营养化湖库的局部水质，修复部分区域的生态系统．然而全面 治理水体富营养化、控制藻类暴发、恢复健康稳定的湖库生态系统，仍然是一个世界性难题，尤其是对于大湖 大库，更是需要相当长的时间．濮培民等【７Ｊ的物理生态工程经过ｌＯ余年的发展完善，在富营养化湖泊的除 藻、水质改善、生态修复等方面取得了一系列成果．生态恢复已成为全球淡水生态系统研究的前瞻性研究领 域【８】８，恢复湖库生态系统结构和功能的完整性不单是湖库富营养化综合治理的长远目标，也是湖库富营养化 防治的重要手段．对富营养化湖库生态系统的恢复，就是通过各种工程措施，修复富营养化湖库生态系统结 构，恢复湖库生态系统功能，使湖库生态系统趋于健康、稳定、完善，趋于更加适应湖库多功能的同步实现．生 态工程被认为是生态恢复的最佳工具【９Ｊ９，因地制宜地将生态工程与环境工程、生物工程相结合，可以修复受 损的生态系统，提高水体自净能力，改善富营养化湖库水质，并建立湖库健康生态系统【７Ｊ． １．２生态工程种类 饮用水源地水体富营养化预防与修复工程主要从控制Ｎ，Ｐ等营养物进入水体，以及对已经进入水体的 Ｎ，Ｐ等营养物进行脱除２个方面人手．针对污染源的类型与水体的脱氮除磷技术，目前国内外比较成熟的生
收穑日期：２０１０－０７－２７
作者简介：俞宁（１９ｒ７１一）。男。浙江宁波人，高级工程师，主要从事水资源保护与管理研究
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河海大学学报（自然科学版）
第３８卷
态工程有以下６类． １．２．１砂滤处理系．ｇ（Ｓａｎｄ
Ｆｉｌｔｅｒ
Ｓｙｓｔｅｍ）
砂滤处理系统实际上是一种土地处理系统，常用于处理农村生活污水【１０Ｊ．一般采用填砂作为介质，让污 水经过砂体渗滤排除系统，以达到净化水质的目的．污水在系统中的流动方式包括水平渗流和垂直渗流，其 优点是维护和操作非常简便，投资节省，且处理效果较好，其中对ｓｓ、ＢＯＤ、ＣＯＤ、病源微生物的去除率一般可 达８０％以上，对Ｎ，Ｐ的去除率也可达４０％一８０％．缺点是水力负荷较低，处理能力较小．有研究表明，在瑞典 运用这种技术处理生活用水，每人需要占用渗滤面积３矗［ｎ－ｔ２］． １．２．２湿地系统（ｗｅＬｌａｌｌｄ ｓｙｓｔｅｍ） 湿地系统包括天然的和人工构建的、地表渗流的和地下渗滤的、有植物体系的和无植物体系的等多种形 式．湿地系统一般较为重视植物一土壤复合系统的综合净化功能．目前国内外对各种湿地系统的研究较 多【１３－１７Ｊ，共同发现自然湿地系统的主要问题是水力负荷不高、处理能力较低．相反，人工构建的地下渗滤湿 地系统具有如下优点：系统采用人工建造，不受场地条件限制，且不会因渗漏对地下水环境造成影响的问题； 渗滤介质可采用不同的人工材料回填，根据污染控制性因子进行调整，增加系统对污水的净化能力；系统运 作方式采用地下渗流，系统表层可与绿化建设相结合，既减少地表占地，又提高处理效果，对ＣＯＤ、ＢＯＤ、ＳＳ、 病源微生物的去除率可达８０％～９０％，对Ｎ，Ｐ的去除率可达４０％一６０％．此外，具有投资少，运行管理方便， 操作简便，系统所需仪器、设备简单，系统本身无需额外动力，不存在二次污染问题等优点．刘文祥【１８Ｊ用滇池 边的低洼弃耕地改建了ｌ
随着经济社会的快速发展以及城镇人口的不断增加，我国的水环境面临巨大的破坏压力，特别是营养化 已经成为水源地保护最为突出的问题之一．所谓水体富营养化，主要是由于排入水体的营养物质超过了水体 的自净能力，从而破坏了水环境生态平衡，致使土著植物逐步消亡退化，浮游植物大量繁衍，水体丧失部分功 能．目前我国的许多湖库水体都呈现富营养化状态，已经严重威胁到饮用水安全．因此，对于饮用水源地开展 生态修复工程等防治水体富营养化技术研究，已经成为水环境保护的研究重点．