湖泊富营养化治理及EM技术研究进展

王兴顺

（鸿宇勘测咨询服务（常州）有限公司，江苏 常州 213000）

引 言

湖泊是地球上重要的淡水资源库，与人类生产生活息息相关，在流域生态、生活供水、气候调节、调蓄洪水等方面有着不可替代的作用。中国湖泊众多，全国共有1 km2以上的湖泊2 759个，总面积约91 019 km2，占我国国土面积的0.95%，其中约三分之一的湖泊为淡水湖泊。几十年来，随着人类干预活动的加剧，很多湖泊出现了湖面萎缩、水质下降、富营养化等水环境问题，相应地，其供水能力、洪水调蓄能力等社会服务功能都大大减弱，这些都极大地影响了经济社会的可持续发展。

其中，由湖泊富营养化引起的一系列水环境问题引起了社会的高度关注，比如富营养化比较严重的滇池、巢湖、太湖，一时成为社会讨论的焦点。经过数年的治理，取得较大成效，但依然任重道远[1]。

本文主要综述了湖泊富营养化的发生机理及主要治理方法，并试图从微生物的层面探索EM技术在湖泊富营养化治理中的应用。

1 湖泊富营养化的发生及治理措施

1.1 湖泊富营养化发生的原因

富营养化（Eutrophication）这一词汇来源于拉丁语，基本含义是营养盐过剩[2]。富营养化本来是水体自然状态下的演化进程，但由于人类活动的干预，湖泊的这一演化进程大大加快，大量的湖泊出现了人为富营养化情况。富营养化主要表现为水体初级生产力即浮游植物丰度和生物量的异常增大。

Shelford[3]在1911年提出：生物对各种环境因子的适应有一个生态学意义上的最小量和最大量，它们之间的幅度称为耐受限度或生态幅，超出了这个阈值范围，就会影响生物的生长和发育而成为限制性因子。对于影响浮游植物生长的营养盐限制因子来说，就是接近或超过浮游植物的耐受极限，以致妨碍其生存、生长、繁殖和扩散的营养盐。Stumm[4]曾对藻类的化学成分进行过分析研究，提出了藻类的“经验分子式：C106H263O110N16P”，根据该经验分子式，计算出磷在藻类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]的相关研究结果表明，影响湖泊富营养化的因子众多，如C、N、P、Si、Fe等，均可能成为水生生态系统的限制性营养因子。

湖泊富营养化的发生可归因于氮、磷等生源要素的过快、过多积累。湖泊富营养化的主要表现为湖泊内TN、TP负荷过高，超过湖体本身的自净能力。人类在一定时期内，由于经济生产发展的需要，一方面以点、面源形式通过河道沟渠等径流向湖泊水体排放工业、生活和农业污水，另一方面破坏了水生生物生态系统，减小了湖体环境容量，湖泊沿岸的各种工农业生产活动的扰动，加速了湖泊富营养化进程。据统计，在巢湖流域（1995年），农业面源污染贡献了63%的TN和73%的TP；在太湖流域（1994年），生活污水贡献了60%的TN，农业面源污染和生活污水分别贡献了TP的37.5%和25%[6]。

1.2 湖泊富营养化的治理措施

随着湖泊富营养化引发的各种问题的凸显，如2007年太湖蓝藻暴发，人们开展了大量的关于富营养化发生机理和治理措施的研究和实践工作，形成了一系列、多角度的治理湖泊富营养化的技术措施[7-17]。近些年来，人们逐渐认识到，湖泊富营养化的治理工作并不能局限于湖泊本身或者某一单一治理措施，基于流域尺度的综合治理方法是治理错综复杂的富营养化问题的较好选择。

1.2.1 物理化学方法

（1）营养盐减排控制技术

营养盐的过量富集是导致湖泊富营养化的直接原因，所以从工业点源污染、农业面源污染、生活污水污染等各种源头控制营养盐的量是非常有力的措施。这主要包括工业减排、农业合理施肥及各种废水处理工艺。

（2）营养盐抑制或去除技术

研究表明，湖泊内源性营养盐释放是影响湖泊富营养化的重要因素[18-19]。利用沉积物氧化、化学沉淀、底泥覆盖等措施，可以使底泥处于氧化状态或增加沉积物对营养盐的束缚能力，或是在沉积物表面形成覆盖层，从而抑制内源营养盐的释放[20]。还可直接进行底泥疏浚，其适用条件及长期效果与湖泊大小、类型以及水动力条件等有关[21-22]。

1.2.2 生物技术

1.2.2.1 微生物方法

湖泊生态系统中的微生物在维系生物链和新陈代谢、促进环境的物质能量循环和信息传递方面发挥着重大作用。所以在治理富营养化方面，微生物方法也是一个有效的方向。比如，利用微生物的反硝化作用去除水体中的氮。有实验表明，在小型湖泊中，合理地加入微生物制剂后，总氮、总磷、COD等指标明显降低，对水体的透明度、叶绿素a含量的改善有明显效果[23]。

1.2.2.2 水生植物净化

利用水生植物对营养盐类的吸收、过滤和吸附作用，减少或者固化湖体营养盐。比如利用这一原理发展起来的生态浮床技术，水生植物所起到的作用主要有以下三个方面：①水生植物的同化作用。水生植物在生长过程中合成自身所需各类物质需要不断从水体中吸收各类元素，不同植物的同化作用各异。②植物根系的物理化学作用。水生植物在生长过程中会形成非常密集的根系，相互缠绕形成网状结构并伴随一定的分泌物，对流过其中的各类污染物形成截留、吸附、絮凝、螯合等效应，能够达到一定的污染物去除效果；另外密集生长的水生植物茎叶对污染物也具有一定的拦截效果。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积，其表面可吸附生长大量的、生理生化特性各异的微生物，这些微生物可大量增殖，进而较好地降解各类污染物[24]。

1.2.3 生态修复技术

生态修复技术主要是从整个生态系统健康的角度出发，恢复生态系统结构的完整性和层次多样性，同时，其相应功能也能得到恢复。而一个健康的生态系统被认为具有较好的稳定性以及自净能力和自我恢复能力，这些能力的恢复对于湖泊营养盐耐受能力的提高和营养化水平稳定性的保持都是十分重要的。

所以，将湖泊生态系统从一个严重富营养化的状态转换为自然的、健康的、功能比较完备的状态是富营养化治理的目标。有学者将湖泊生态系统的状态转换归纳为四个过程：外部环境的扰动、生态系统的反弹、临界阈值的达到、生态系统变化的延迟，并认为对于富营养化湖泊，生态恢复就是利用各种干预措施，把蓝藻水华频发、水质较差的富营养化藻型湖泊生态系统转化为水生植物茂盛、水质清澈的草型湖泊生态系统[25]。

另一方面，湖体外流域生态系统的部分功能有利于入湖营养盐量的控制，比如，人工湿地技术，这一技术目前已经广泛应用于流域各个部分的污染治理。人工湿地系统可有效降低湖泊污染负荷，对湖泊生态系统的非生物环境进行有效调控，研究表明，湿地对于氮、磷有较好的去除效果。

2 EM技术

2.1 EM菌简介

EM菌（Effective Microorganisms）为有效微生物群的英文缩写，也被称作EM技术（EM Technology）。它包括光合细菌、乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、醋酸菌、双歧杆菌、放线菌七大类微生物中的10属80种微生物，这些微生物以特定的比例组成的菌群能非常有效地提高对有机物的分解效率。这项技术是由世界著名应用微生物学家日本琉球大学比嘉照夫教授在20世纪70年代首先发明的，目前是世界上应用范围最大的一项生物工程技术，在农业、养殖业、废水处理、水体净化等领域有着广泛的应用。

2.2 EM技术的基本原理

根据微生态学的原理，EM中兼有厌氧和好氧微生物，其生长过程中产生的分泌物成为各自或相互间生长的基质和原料，通过这种共生关系，得以形成一个复杂而稳定的微生态系统，可提高有机物的降解效率，同时发挥多种功能。所以，通过严格控制各种条件，充分利用各菌群的共生增殖作用，形成较好的微生态系统，从而更加高效地完成各类污染物降解等复杂过程。通过这一微生态系统的带动作用，激活水体中具有净化功能的原生动物、微生物和水生植物，从而形成自净能力较强的良性水生生态系统。

2.3 EM技术在我国水域净化领域中的应用

首先，EM技术在水环境领域主要用于工业废水、生活污水和养殖废水的净化。张凤杰、杨宝灵[26]等按VEM/V污水比1/2 000向活性污泥中加入4 mL EM原液进行培养，结果显示污泥的沉降性能好，污泥产量减少了约20%。当水力停留时间为6 h，COD、BOD5、氨氮和总氮的去除率分别为95.92%、99.03%、91.87%和96.77%；有关研究在青虾和常规鱼养殖池利用EM菌制作EM发酵基肥，泼洒于池塘中，实验发现pH无明显变化，透明度有所改善，3天内溶解氧平均增加48%，氨氮平均下降57%。

近年来，随着EM技术在种植、养殖、废水处理等领域的应用，人们对于该技术的熟悉和掌握程度逐渐加强，EM技术对于富营养化水体治理方面的实验研究和实际应用也逐渐增多。2000年，中山大学开展的实验表明，EM技术对污染水体的透明度、高锰酸盐指数（CODMn）、溶解氧（DO）、总氮（TN）、总磷（TP）、叶绿素a均有明显的改善效果[23]。2006年，在无锡市宜兴大浦镇浦南村的浦南、厚和、河渎3个自然村，中国环境科学研究院实施了前置库面源污染强化净化示范工程，利用筛选的土著微生物建立微生物－水生生物强化系统，对区域地表径流和其他污染源中的营养盐、悬浮固体、有机污染物进行拦截，有效减少了太湖入湖污染负荷[27]。随后，在实验研究基础上开展了大量的实际应用，并取得了良好的效果，特别是在小型水体富营养化治理和营养 盐的去除工作中。

综上所述，首先，EM技术对于各类废水的处理，可大大降低其营养盐类含量，这直接减小了湖泊外源性营养盐入湖压力；另一方面，EM技术结合其他技术，如水生植物净化技术，对富营养化的湖体进行综合治理可直接产生较好的效果。

2.4 EM技术在湖泊富营养化治理中的限制性因素

EM技术虽然在实验条件下和小型水体中显示了较好的营养盐类去除效果，但直接应用于湖泊，特别是水力条件和环境比较复杂的较大型湖泊时，出现了比较多的限制因素：

（1）湖泊水体中可能存在抑制EM菌群的物质；

（2）所需菌群难以在湖泊中形成优势种；

（3）水体的流动性弱化了菌群的作用。

3 结语和展望

湖泊富营养化是一个具有时空差异性的复杂问题，对于其具体发生机理尚有争论。湖泊富营养化治理工作不是一蹴而就的，而是一项长期的任务。目前，对于其发生机理，特别是在沉积物内源性营养盐释放和固化机理的研究方面尚有很多工作要做。在治理过程中，要以更大的视野，从更广的尺度上进行流域的综合管理，根据不同湖泊的不同情况，制定综合治理措施，采取相对应的各种技术手段。另外，对于各种具体治理技术的研究还有待深入，特别是在微生物领域，各种菌群相互影响机理和有利于治理富营养化的发生条件的研究是其中的重要环节。