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微生態修復湖泊富營養化——天意EM菌

發布時間:2019-09-27 09:50人氣:

 

  前言

  近年來, 隨著我國經濟的迅速發展,排污量日益增加,加上長期以來人們對湖泊資源的不合理開發,大量含有氮、磷元素營養物質的污染物不斷排入湖(庫), 使水體的營養物質負荷量不斷增加,造成水體富營養化。水體富營養化不僅對水體水質有嚴重影響,而且影響到周邊水環境和人文景觀 。根據近幾年的數據顯示,我國湖泊富營養化非常嚴重且呈惡化趨勢。2007中國環境狀況報顯示,28 個國控重點湖泊中,滿足Ⅱ類水質的2個,占7.1%;Ⅲ類的6個,占21.4% ;Ⅳ類的4個,占 ;Ⅴ類的5個,占17.9%;劣Ⅴ類的11個,占39.3%。主要污染指標為總氮和總磷。在監測的26個湖泊中, 重度富營養的2個, 占7.7%;中度富營養的3個, 占11.5%; 輕度富營養的9個, 占34.6%。因此, 預防和治理湖泊的富營養化勢在必行。僅僅依靠建立污水處理廠和制定嚴格的排放標準來減少排入水體的有毒有害物質是遠遠不夠的,也是很被動的一種預防措施。隨著水生態修復理論的不斷完善和深入,近年來水生態修復技術發展較快。水生態修復技術是根據水生生態學及恢復生態學基本原理,對受損的水生態系統的結構進行修復,促進良勝的生態演替,達到恢復受損生態系統生態完整性的一種技術措施 。

  1 水體富營養化的成因與危害

  1. 1水體富營養化的成因

  富營養化是一種氮、磷等植物營養物質含量過多所引起的水質污染現象。在自然條件下,隨著河流夾帶沖擊物和水生生物殘骸在湖底的不斷沉降淤積, 湖泊會從貧營養湖過渡為富營養湖, 進而演變為沼澤和陸地, 這是極為緩慢的過程。但由于人類的活動, 將大量工業廢水和生活污水以及農田徑流中的植物營養物質排入湖泊、水庫、河口、海灣等緩流水體后, 水生生物尤其是藻類將大量繁殖, 使生物量的種群種類數量發生改變, 破壞了水體的生態平衡。大量死亡的水生生物沉積到湖底, 被微生物分解, 消耗大量的溶解氧, 使水體溶解氧含量急劇降低, 水質惡化, 以致影響到魚類的生存, 大大加速了水體的富營養化過程。目前判斷湖泊富營養化一般采用的指標是:總氮含量大于0.300 mg/L,總磷含量大于0.025mg/L, 透明度小于25m, 葉綠素a含量大于0.010 mg/L。水體富營養化的形成主要受營養物質、溶解氧、氣溫、光照、水動力和底泥等因素的影響。

  1.1.1 營養物質。水體富營養化的根本原因是營養物質的增加。淡水水域藻類大量增殖的限制因子主要是磷,其次是氮,可能還有碳、微量元素或維生素。在適宜的光照、溫度、pH值和具備充分營養物質的條件下, 天然水中藻類進行光合作用, 合成本身的原生質。有學者提出了藻類的經驗分子式C106H263O110N16 P1。這就是說,氮磷比按元素計為16:1;按重量計為7.2:1. 0。當氮、磷比小于該比值時,氮將限制藻類的增長;當大于該比值時,則可認為磷是藻類增長的限制因素。但在一般情況下,水體中藻類能通過生物固氮作用從大氣中獲得所需要的氮元素,可利用的氮遠比可利用的磷多同時, Leibig最小因子定律( Leibig law of them-inmi um)指出:植物生長取決于外界提供給它的所需養料中數量最少的一種。由此可以認為, 磷是控制湖泊藻類生長的主要因素 。

  1. 1. 2 溶解氧。根據湖水中光合作用產氧和污染物氧化降解的耗氧過程可知,水體溶解氧下降有利于藍藻的生長,而對其他藻類生長不利。當水體中氮磷過量富集,水中營養物質增多,促使自養型生物生長旺盛,特別是藍藻和紅藻的個體數量迅速增加,而其他藻類的種類則逐漸減少。魚類等對藻類的消費能力趕不上藻類的繁殖速度,水中藻類越長越多,藻類生物集中在水層表面,光合作用釋放出的氧溶解在水體表層,表層水面形成氧飽和溶液,從而阻止了大氣向水體進行復氧。與此同時,大量死亡的海藻在分解時也要消耗水中的溶解氧,這樣水中的溶解氧就會急劇減少,甚至可降至零,從而導致水中的魚類等動物大量窒息死亡,水體生態平衡被破壞,水質惡化。

  1. 1. 3 溫度和光照。溫度和光照是影響藻類生長的最重要的物理因子。在一定范圍內, 藻類數量隨光強及溫度的增加而增加,并且溫度的影響大于光強, 在20~ 30℃的條件下,當光強從1 000 lx增加到4 000 lx時,藻類數量增加較快,4 000 lx以后漸趨平衡, 在5 000 lx基本上達到最大值。如果光照和溫度都較適宜,則藻類過量生長,?水體可能產生富營養化。

  1. 1. 4 水動力。水體富營養化需要有合適的場所和緩慢的水流流態,一般多在湖泊、水庫、河口、海灣、內海等水體內發生。緩流水體一方面不利于營養物質的擴散,加劇了營養物質特別是氮、磷的積累,為藻類的繁殖、生長提供了營養基礎;另一方面,緩流的水體為一些較適應緩流水體的藻類如藍藻、綠藻的生存提供了適宜的水力條件。 我國大部分地區都屬于大陸性季風氣候,風力對水體的流動有很大的影響。在風力較適中的季節, 由于受風力的作用,水流將從水體下部向上流動。在水體流動的過程中,底泥中的營養鹽被水流攪起隨水流進入水體,從而使水體中營養鹽含量增加。在其他條件都適宜的條件下, 藻類會大量生長, 同樣也會導致水體富營養化的產生。

  1.1. 5 底泥。對許多湖泊的調查資料表明,在湖泊環境發生變化時, 如入湖營養鹽負荷量減少或完全截污后,湖泊仍然可以發生富營養化,甚至出現水華,這一現象在淺水湖泊中表現得尤為突出。究其原因,主要受湖泊沉積物的影響,在一定條件下, 沉積物中的營養鹽可能成為湖泊富營養化的主導因子。營養元素在水體及其底部沉積物間存在溶解、沉積動態平衡,外源性營養物進入水體后,通過物理、化學和生物學作用沉積到底泥中,而當水體營養物含量降到一定限度時, 底泥中的營養物將重新釋放到水體中。

  1. 2 水體富營養化的危害

  1. 2. 1 對漁業生產的影響。水體富營養化危害水產養殖業。富營養化造成水體透明度降低,陽光難以穿透水層,從而影響水中植物的光合作用和氧氣的釋放;同時,浮游生物的大量繁殖,消耗了水中大量的氧,使水中溶解氧嚴重不足,造成魚類缺氧窒息死亡。有些藻類的分泌液或死亡分解后產生的黏液,可以附著在魚蝦貝類的鰓上,使它們窒息死亡。魚蝦貝類吃了含有毒素的藻類后, 也會發生中毒死亡。

  1. 2. 2 對水生生態的影響。處于富營養化的水體,水體的正常生態平衡被破壞,原有的水生生物類群被打破,水生生物種類減少,多樣性受到破壞。湖泊自身各種功能特別是生態系統嚴重退化,最后可能會使某些湖泊老化, 成為生命力喪失的死水,甚至干枯死亡。

  1. 2. 3對人體健康的危害。水體富營養化導致水體的水質下降,對人體健康產生很大的威脅。水質下降有時只表現為感官性狀的變化,使水體變得腥臭難聞,如束絲藻屬和魚腥藻屬呈現豬糞味,腔球藻屬呈現爛草味,空球藻呈現魚腥味;有時卻可能含有致病毒素,如藍藻門的不定腔球藻、銅綠微囊藻分泌的帶毒性的物質可引起人畜消化道疾病。另外, 富營養化水體中含有過量的亞硝酸鹽和硝酸鹽,人畜長期飲用這些物質含量超過一定標準的水或食用這種水中生長的魚、植物則會導致中毒、致病。

  2 水體富營養化的生物修復定義及目標

  2.1 水體富營養化的生物修復定義

  生態修復本質是恢復系統的必要功能并使系統達到自我維持的狀態。修復的目的是要再現一個自然的,能自我調節的湖泊生態系統,使其與所在的生態景觀形成一個完整的統一體。針對具體受損的生態系統,找出目前環境條件的限制性因子,根據生態工程學原理,對系統實施種群組建或重建,恢復湖泊其原有的生物多樣性,使其達到具備自我維持與自我調節的能力。該類技術的特點是修復措施與退化水生態系統緊密融合,對于我國淺水型湖泊的富營養化防治是一項應用潛力很大的技術。通過生物操縱或沉水植物重建,減輕營養負荷的再懸浮程度,促使藻型富營養化水體向草型富營養化水體演替,抑制藍藻暴發,達到提高水質安全性的目的。

  2.2 水體富營養化的生物修復目標

  湖泊富營養化治理一般應該遵循的路線是控源、生態修復和流域管理。控源包括流域上各種外源負荷以及沉積物釋放所產生的內源負荷, 這對淺水湖泊富營養化控制非常必要。在控源的基礎上,進行以水生植物恢復為核心的生態修復工作 。湖泊生態修復的目的, 一方面是為了控制底泥內源污染,這在淺水湖泊中特別需要;另一方面是控制藍藻水華。從技術上說, 消除湖泊富營養化的關鍵還在于削減湖泊水體的氮、磷以及底泥有機碳和氮、磷的負荷, 消除水

  體中藻類瘋長的基礎,達到降低水體中藻類生物量、提高水體透明度的目的。以地表水和湖泊水水質國家標準為修復目標。環境管理部門要求控制3項基本指標:氨氮、全磷、透明度。通常把氨氮定在地表水Ⅱ類標準:0. 500 mg/L;總磷定在湖泊水Ⅲ類標準:0. 025 mg /L(地表水Ⅲ類標準可放寬到0. 100mg /L);透明度定在湖泊水Ⅳ類標準:1. 5 m( 地表水透明度無標準;富營養化湖泊水體透明度一般僅0. 2~ 0. 3 m)

  3 微生物修復技術

  微生物作為生態系統中的分解者,對污染物的去除和養分的循環起著很重要的作用。尤其當水生態系統中接納大量的無機營養物質時,該作用尤其突出。通過對氮的氨化、硝化、反硝化作用, 微生物驅動著水體中氮的生物地球化學循環;微生物還參與著有機磷的分解作用, 可以促進水生植物的吸收利用。當氮磷濃度不斷增加時, 碳有可能成為新的限制因子, 因此,高濃度的有機物也可能引起藍藻暴發,依靠接種有益微生物菌株來加速碳、氮和磷在水體環境中的生物地球化學循環,并強化對這些營養物質的去除, 可以作為生物修復中的一項重要手段。接種的微生物既可單獨使用, 也可作為植物修復的配套技術使用。 目前在生物修復工程中大多應用土著微生物,一方面是土著微生物具有生物降解的巨大潛力;另一方面是,接種的微生物在環境中難以保持較高的活性。此外, 考慮到安全性等因素, 工程菌的應用也受到較嚴格的限制,引進外來微生物和工程菌時必須注意這些微生物對當地土著微生物的影響。在生物修復中被廣泛應用的微生物還有高效降解菌,其大多系多種微生物混合而成的復合菌群,其中不少已被制成商業化產品。如光合細菌( PSB, Photosyn thetio Bacteria), 這是一類在厭氧光照下進行不產氧光合作用的原核生物的總稱, 它在厭氧光照及好氧黑暗條下都能以有機物為基質進行代謝和生長, 因此對有機物有很強的降解轉化能力,同時對硫、氮元素的轉化也起了很大的作用。對比傳統的處理工藝, 利用基因工程菌對水體生物進行修復具有處理費用低、操作簡便、二次污染小、生態綜合效益明顯、處理效果顯著等特點。沈士德將基因工程菌用于治理徐州市黃河故道的富營養化水體, 從試驗可以看出, 在消氮細菌和沉降細菌作用下,水中的COD、氨氮等指標值明顯降低, 隨著水中藻類的減少和下沉,水體的濁度明顯下降, 從而改善了水體的景觀 。經研究認為, 該方法經濟可行, 這對處理生活污水和小型湖庫的富營養化起到了借鑒作用。

  4 結語

  水體富營養化破壞了水體原有生態系統的平衡,給環境帶來很多危害。對受污染的江河、湖泊、水庫水體進行修復,是經濟社會發展以及生態環境建設的迫切需要。生物修復技術投資少、運行方便、能耗低, 是一條合理的水體污染治理 路線。此外, 應將湖泊作為一個有機的整體來對待, 治理湖泊富營養化時, 應避免采用單一的修復方法。水生植物修復、微生物修復及水生動物修復并不是相互孤立的,水體中任何生物種類的變化均會影響其他生物種群和數量的改變。因此,多種生物修復技術可以同時采用, 或與其他修復技術結合使用,使其取得更好的處理效果。在運用生物修復技術對富營養化水體進行治理的過程中, 也應考慮到物種間的相互影響和生態安全。

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