富营养化水体原位生态修复技术研究进展

毛红梅，税永红，周 添，余 鹏

(成都纺织高等专科学校 废水处理集成创新团队，四川成都 611731)

富营养化水体原位生态修复技术研究进展

毛红梅，税永红，周 添，余 鹏

(成都纺织高等专科学校 废水处理集成创新团队，四川成都 611731)

原位生态修复技术遵循自然规律，能强化水体本身的自净能力，恢复水体中生态系统的平衡，具有运行维护成本低、二次污染小等优点，是当前富营养水体修复技术研发和应用的热点和重点。其主要包括人工湿地、稳定塘、沉水植物、生态浮床等技术。通过研究以上技术的原理及进展，认为人工湿地技术和生态浮床技术是我国富营养化水体修复技术应用的主要方向，并对如何进一步提高原位生态修复技术的处理效率提出了建议。

原位生态修复 人工湿地 稳定塘 沉水植物 生态浮床

0 引言

近年来，随着我国人口、社会经济的快速发展，农业化肥的大量使用，未经处理或简单处理的工业废水的大量排放，生活污水和畜禽粪便的大量产生以及人类不合理的开发利用水资源造成我国的水体富营养化现象十分严重[1]，严重影响水体的供水、养殖、娱乐等社会服务功能，破坏水体生态平衡。因此，治理富营养化水体技术的发展和研究具有重要的意义。

富营养化水体修复技术在空间上可分为原位修复和异位修复。异位修复是先将受污染的水体移出，在异地进行处理后再返回到原来的水体中，其建造、运行、管理费用过高，带有二次污染，应用有一定局限性。原位修复是直接在水体内部进行处理，投资低、环境友好。原位修复技术主要分为原位生态修复、原位生物修复、原位固定化学修复等[2]。原位生态修复技术遵循自然规律，强化水体自净能力，能恢复水体生态系统的平衡，而且运行维护成本低，是当前富营养水体修复技术研发的热点和重点，具体分为人工湿地、稳定塘、沉水植物、生态浮床。本文通过分析以上技术的原理、发展情况，来分析未来富营养化水体修复技术的主要研究方向。

1 人工湿地

1.1 人工湿地的原理

人工湿地是通过模拟天然湿地的结构与功能发展而来。人工湿地技术是利用基质、水生植物和微生物一系列物理的、化学的以及生物的协同作用，如过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用来完成对污染物的高效去除，使水质得到改善，实现对污水的净化。

1.2 人工湿地的研究进展

人工湿地用于处理富营养化水体已非常成熟，如泰晤士河[3]、官厅水库[4]，人工湿地总体上表现出投资低、耗能低、运行费用低、出水水质稳定、抗冲击力强、操作简单以及具有美学价值等优点，但也有如下缺点：易受气候影响、占地面积较大、基质易堵塞。

人工湿地脱氮除磷工艺具有投资少、处理效果好、环境友好等优点。相比表面流人工湿地，水平潜流及垂直流人工湿地具有脱氮除磷效果好，少恶臭、受气候影响小等优点。Guo[5]等发现间歇曝气(1h开，1h关)可提高氨氮的去除率(为90%)，但总氮的去除效率没有明显提高(为53%)，通过污水回流(1:1)，可将总氮的去除率提升到71%，在此基础上添加碳源，总氮的去除率可提升到82%，通过铁活性炭电解系统，总氮的去除率可达到86%。王玮[6]构建了一种新型喷淋增氧系统和反硝化排气管投加碳源系统，改善了水平潜流人工湿地内氧环境不佳，抑制硝化反应的情况，同时在反硝化脱氮过程中供应碳源，可提高硝酸盐氮的去除率。对于磷的去除，目前认为基质的吸附起主要作用，Drizo等[7]比较了七种常见基质对磷酸盐磷的吸附能力，发现粉煤灰和页岩具有较强的吸附能力，页岩的最高吸附量可达730mgP/kg；其次是铝土矿、石灰石、陶粒、油性页岩、沸石。HX Tan 等[8]研究了钢渣、页岩、棕色土、碎石对磷的吸附能力，其最大吸附量分别为2500mgP/kg、666 mgP/kg、2.25 mgP/kg、0.54 mgP/kg。针对基质易堵塞的问题，采取周期性排水可将堵塞在空隙中的SS冲刷出去，从而延长潜流湿地运行寿命，并且发现采用较大长宽比也可防止前端堵塞和短流现象[9]。

对于植物的研究主要是植物的选种和不同组合对污染物的去除效果。蒋跃平等[10]研究了黄菖蒲、斑茅、美人蕉、菖蒲、线穗苔草、紫露草、 吉祥草、芦竹、芋、花叶芦竹、香蒲、荻、菩提子、菰、 黑麦草、鸢尾和鸭跖草等17种植物对轻度富营养化水体的降解作用，发现美人蕉和菖蒲具有最高的氮磷富集能力(24.48g/m2、1.95 g/m2)，鸢尾的氮富集能力最低(2.10 g/m2)，菰的磷富集能力最低(0.23g/m2)。Curia A C等发现在较低温度的情况下，芦苇和香蒲间隔种植对人工湿地去除污染物更为有利[11]。

2 稳定塘

2.1 稳定塘的原理

稳定塘是一种利用菌藻共同作用发生的物理、化学及生化作用净化水质的生物处理构筑物。有机物通过微生物的吸附和生物代谢作用、有机物大颗粒的沉降作用及填料的截留作用去除。氮经过硝化-反硝化作用、植物的吸收及氨氮的挥发等方式去除，基质对磷酸盐的吸附、植物对磷的吸收及有机磷的氨化等作用促进磷的去除。

2.2 稳定塘的研究进展

稳定塘能充分利用地形，具有建设费用低，运行、维护和操作较为方便简单等优点。同时，稳定塘可用于极寒地区,如处理加拿大北极的污水[12]。但稳定塘也存在停留时间长、占地面积相对大、积泥严重和散发臭味的缺点，导致稳定塘多用于低浓度污水的处理或深度处理。针对这些缺点，研究了许多新型塘和组合塘工艺。如：以色列Shelef&Azov等人开发的活性藻系统可以减少人工供氧量， Oswald提出的高效藻类塘创造了有利于藻类和细菌生长繁殖与相互作用的环境，降低了水利停留时间，减少了占地面积。赵学敏等组合预处理塘、好氧塘、水生植物塘、养殖塘处理大清河黑臭水体取得了良好的效果[13]。

同时，由于稳定塘具有良好的沉淀性能，其置于湿地之前，能有效的解决湿地基质的堵塞问题，提高湿地的使用寿命。其置于湿地之后可实现对氮磷进一步的去除，稳定出水水质。

3 沉水植物

3.1 沉水植物的原理

沉水植物是指根扎于底质中，茎叶飘浮生长在水气界面以下的大型水生植物类群。在其生长过程中，根、茎、叶可以同化吸收和富集水体与底质中的氮、磷和其他元素，释放氧气，抑制底泥中氮、磷等污染物质的溶解和释放，释放的化学物质可以杀死部分藻类。同时，生长良好的沉水植物对营养物质和光照的竞争优势可以抑制藻类的生长，为大型浮游动物提供栖息面积，提高水生态系统的生物多样性，净化水质，改善水生态环境。

3.2 沉水植物的研究进展

沉水植被的恢复作为富营养化湖泊的内源污染负荷控制和生态恢复的重要手段，具有投资和管理成本低、操作简单、环境友好等特点。同时，具有减少水土流失和防止侵蚀等作用。但沉水植被的自然恢复易受外界因素的影响，如温度、光照、营养盐、食草动物的活动以及较低的透明度等使沉水植物的成活率降低，恢复过程费时费力。水位调控法[14]、半浮式载体移栽技术[15]、水箱养草[16]，可以克服富营养化水体透明度低、食草动物的干扰等的问题。金树权等[17]研究了轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、穗状狐尾藻、微齿眼子菜等5种植物对氮、磷去除能力大小，发现去除率大小顺序依次为：轮叶黑藻>金鱼藻>苦草>穗状狐尾藻>微齿眼子菜。

4 生态浮床

4.1 生态浮床的原理

生态浮床由无土栽培技术发展而来，其通过水生植物根系的吸收、吸附、截留作用，微生物的降解，以及水生动物的摄食作用来消减水体中的污染物质。生态浮床按其形态分为有框式和无框式。有框式生态浮床强度大，可以抵御水力和风力干扰，使用寿命长，是目前使用的主要浮床。其主要由框架、床体、基质、固定装置、连接装置、植物等几部分组成。

4.2 生态浮床的研究进展

生态浮床由于其成本低，易制作维护，景观效果好，不占面积，二次污染小等，在国内外已被广泛应用于治修复富营养化水体，如日本霞浦湖[18]，北京、上海等城市污染河的生态修复[19]。但也存在处理时效性不高、植物回收资源化等问题。目前对于生态浮床的研究主要集中在浮床材料、优势植物筛选组合、浮床工艺改进等三方面。

(1)浮床床体的作用是支撑植物、提供浮力，浮床材料的选择要求稳定、耐久、经济、浮力强大。目前，最常用的是聚苯乙烯泡沫板。另外，竹筐、椰壳、棕丝、废旧橡塑、轮胎等材料可以实现资源再利用，也被大力推广。向床体中引入人工填料，将蛭石、陶粒、珍珠岩、塑料、纤维等材料，可以有效富集微生物，如刘娅琴等[20]将沸石装入小孔径的尼龙网袋，悬挂至浮床上形成的框式复合型生态浮床比传统的聚苯乙烯泡沫板浮床对有机物、N、P的去除效果更好，并可以更好地抑制颤藻和螺旋藻的生长。

(2)优势植物筛选与组合。植物是净化水体的主体，优先选用本地植物，同时还要求根系发达、繁殖能力强。目前常用的浮床植物有芦苇、美人蕉、菖蒲、石菖蒲、香蒲、香根草、凤眼莲、水浮莲、水芹菜、水稻等。王敏等[21]选用旱生美人蕉、水生美人蕉、旱伞草、鸢尾、马蔺、菖蒲六种植物应用于处理天津大沽排污河，结果表明：鸢尾、菖蒲、马蔺对总氮的去除能力较强; 鸢尾、马蔺和美人蕉对氨氮的去除效果较好; 美人蕉、马蔺和旱伞草对总磷的去除能力最强。

(3)新型浮床工艺，如微曝气强化生态浮床、以“植物-动物-微生物”为核心的组合式生态浮床、浮床湿地技术等，可以充分利用浮床立体空间、延长浮床系统食物链，加快微生物的新陈代谢，强化浮床的微生物富集特性，提高生态浮床的净化能力。税永红等[22]发展了由白三叶草、无纺布、基质组成的浮床湿地系统，其对于TN、NH3的去除效果明显。王芳等[23]构建上层为浮床支架，中层为生物挂膜基质与生物碳源(玉米芯)，下层为填料沉箱与沉水植物(苦草)立体式生物质生态浮床，脱氮效率高，微生物相当丰富。

生态浮床技术对污染负荷变化的适应性较强，对水深没有特别要求，出水的生物安全性也较高，可以有效解决净化周期长、微生物数量少、水中溶解氧少、占地面积大等问题。同时，将生态浮床技术与现代农业技术结合，还能维持很高的经济效益[24]，具有很好的推广应用前景。

5 结语

各种原位生态修复技术在国内富营养化水体原位修复中的应用越来越多，且各有优缺点，应根据我国的气候和地理条件选择合适的修复技术。其中，人工湿地和生态浮床工艺成熟，成本低廉、处理效果好、易于普及，是我国富营养化水体修复技术应用的主要方向。需要指出的是，人工湿地和生态浮床都存在冬季去除效率低、植物越冬困难的问题，未来对于植物的研究可以考虑常用水生植物如(美人蕉、菖蒲等)组合多年生植物(如万年青、栀子花、白三叶草、夹竹桃等)。生态浮床和人工湿地添加挂膜基质(组合填料、无纺布)、吸附基质(如钢渣、铁活性炭)、改善水力条件(如曝气、回流)等，可以强化其脱氮除磷的能力。如何进一步的提高原位生态修复技术的处理效率，降低成本，仍然有广阔的研究空间。

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2017-06-20

四川省科技厅科技支撑计划项目(2016GZ0424)，四川省教育厅重大成果转化项目(16CZ0037)。

毛红梅(1991-)，女，硕士，助教，研究方向：环境、可持续发展研究及教学工作。

税永红(1968-)，女，硕士,教授。

X52

A

1008-5580(2017)04-0156-04