景观水体生物-生态修复技术
治理富营养化水体的传统方法有机械过滤、气浮除藻、疏浚底泥、引水稀释等物理措施, 以及投放有絮凝、杀藻、除臭等作用的物质。这些方法均存在投资大、维护成本高、不利于水体生态系统的健康发展等负面影响, 不适宜应用于观赏水体。生物—生态技术以生物学以及生态学理论为基础, 改善水生生物的生存环境, 优化水生生物群落, 提高水生态系统的自净能力, 维持水生态系统的稳定健康发展, 是治理富营养化观赏水体的有效途径。水生生物在富营养化水体修复中的作用
1.1 水生植物在富营养化水体修复中的作用
种植水生植物是治理富营养化水体的有效途径之一。水生植物不仅吸收水体、底泥中的营养物质, 植物体表面还附着多种生物集群, 分解有机物和营养盐, 增加水体透明度、改善水质, 同时水生植物还能够通过化感作用抑制藻类的生长。
水生植物包括挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物 4 种生活型, 不同生活型的水生植物改善水质的机理与作用有一定差异。沉水植物是水域生态系统的重要组成部分, 对维护水域生态系统结构的完整性和稳定性有决定性作用 , 沉水植物通过吸附水体中生物性和非生物性悬浮物质, 提高水体透明度, 增加水体溶解氧, 吸收固定底泥和水中的营养盐, 向水体释放化感物质抑制浮游植物的生长, 有效增加空间生态位等改善水体的生态因子 。挺水植物生长在水岸边, 通过对水流的阻尼和减小风浪扰动使悬移质沉降, 并通过与其共生的生物群落的吸收和分解作用净化水质 。漂浮植物浮生在水面,在光照竞争中占绝对优势, 直接吸收水体中的营养物质。但漂浮植物的繁殖力很强, 极易影响其他植物的生长, 并形成优势种, 大大降低水生生态系统的物种多样性, 阻隔水体与外界的阳光、空气交换, 降低水体中的溶解氧, 不利于生态系统的健康发展 。浮叶植物从大气中吸收供光
合用的 CO 2 , 在一般的浅水湖泊中有良好的净化水质效果 。
1.1.1 水生植物对氮、磷等营养物质的吸收
沉水植物对总氮、总磷的去除能力较强, 正常情况下,沉水植物体内的氮含量为 13mg/g , 磷为 3mg/g 以上 。沉水植物对不同污染程度的富营养化水体均有较强的净化作用。宋福等利用穗状狐尾藻( Myiophyllum spicatum ) 、菹草( Potamogeton crispus ) 、苦草( Vallisneria spiralis ) 、伊 乐 藻 ( Ceratophyllum demersum) 、 金 鱼 藻( C.demersum ) 、篦齿眼子菜 (Potamgeton pectinatus) 、轮藻(Chara spp.)7 种沉水植物对总氮含量为 16.667mg/L 、总磷含量为 1.67mg/L 的水体 ( 含底泥 ) 对氮、磷的去除速率进行了试验研究。结果表明: 在试验的 27d 内, 对总氮、总磷的平均去除百分率分别为 80.31% 和 89.82% ; 去除能力最低的是篦齿眼子菜, 对总氮、总磷的去除百分率分别是 78.33% 和 87.42% ; 对总氮去除能力最强的是菹草,对总氮的去除百分率是 82.95% ; 对总磷去除能力最强的是轮藻, 对总磷的去除百分率是 92.22% 。童昌华等的研究表明, 金鱼藻、狐尾藻、微齿眼子 菜( Potamgetonmaackianus ) 、马来眼子菜( P. malaianus ) 、苦草等沉水植物对总氮为 4.282mg/L 、总磷为 0.027mg/L 的富营养化水中总氮、总磷和硝态氮有较好的去除效果, 而以狐尾藻和微齿眼子菜的效果最好, 1 个月后对总氮的去除率分别 为 83.84% 和 77.54% , 对 硝 态 氮 的 去 除 率 分 别 为95.85% 和 90.65% , 总磷的去除率都达到了 91.7% 。
挺水植物在光照竞争中处于优势地位, 能够从底质沉积物及水中补充营养, 在水生植物群落中占据营养竞争 优 势 , 生 物 量 大 。柳 骅 等 的 研 究 表 明 ,千 屈 菜(Lythrum salicacia) 种植在总磷浓度 0.05～0.4mg/L 的水体中, 30d 后水体中总磷的浓度均在 0.01 以内 。马井泉等的研究表明, 梭鱼草 (Pontederia cordata) 、茭白 (Zizanialatifolia) 、香蒲 (Typha spp.) 对总氮浓度为 4.9～5.6mg/L的水体 30d 的净化效率分别达到 75% 、 57% 和 80% , 对总磷浓度为 0.49～0.57mg/L 的水体 30d 的净化效率分别为 90% 、 97% 和 90% 。
漂浮植物繁殖力强, 在光照竞争中占绝对优势, 能有效吸收水体中的营养物质。娄敏等的研究表明, 紫萍(Lemma polyrhiza) 、大薸 (Pistia stratiotes) 和凤眼莲(Eichhornia crassipes)6d 后对 总氮与总磷 浓度 分 别 为52.2mg/L 、 0.21mg/L 水 体 的 总 氮 去 除 能 力 分 别 是16.1% 、 19.3% 和 17.8% , 对 总 磷 的 去 除 能 力 分 别 是77% 、 96.4% 和 84.4%10] 。漂浮植物生长力强, 极易覆盖整个水面, 影响其他植物种类的生长, 降低水生态系统的物种多样性。因此利用漂浮植物改善水质时必须严格控制其过度繁殖, 并且不适宜长期应用。
1.1.2 水生植物的化感作用
“化感 作 用 ”( allelopathy ) 一词 系 科 学家 莫 利 斯 Molisch ) 于 1937 年首次提出, 用以表达包括微生物在内的所有植物间生物化学方面的相互作用。莱斯( Rice )将化感作用定义为“一种植物通过向环境中释放化学物质影响其他生物生长的现象” 。水生植物通过对藻类的化感作用, 抑制藻类水华的爆发, 与其他初级生产者包括高等植物和大型藻类进行光和空间的竞争。不同的水生植物对藻类的抑制作用是有选择性的 ( 表 1) , 可以有针对性地利用水生植物的化感作用治理富营养化水体。
1.2 水生动物在富营养化水体修复中的作用
水体中藻类的生长除受营养物质的约束外, 也受浮游动物和鱼类的控制, 浮游动物和底栖动物可直接捕食浮游植物。螺、蚌等底栖动物可以过滤悬移质, 摄食生物碎屑, 其分泌物有絮凝作用, 螺有刮食着生藻类功能, 虾和若干种鱼类可摄食藻类、碎屑、浮游动物等 。这些动物, 作为健康水生态系统的补充组成, 也有重要作用 。20世纪 80 年代开始, 欧美各国在富营养化湖泊的治理中,通过放养凶猛鱼类的经典生物操纵技术降低藻类的生物量。后来, 我国的谢平、刘健康等提出旨在控制蓝藻水华的非经典生物操纵法。通过食浮游生物的滤食性鱼类( 鲢、鳙) 直接牧食减少藻类的生物量, 从而达到控制湖泊富营养化发生的目的 。
1.3 微生物在富营养化水体修复中的作用
微生物对水体中的污染物起降解作用, 其中氮循环细菌在水体自净中具有不可忽视的作用。在水体净化研究中利用微生物修复富营养化水体的措施主要有微生物制剂、微生物促生液、酶制剂以及富集微生物的人工介质等。蔡娟等采用新型复合酶制剂 (BZ 剂 ) 处理城市受污染景观水体, 研究结果表明: 该制剂的使用对 COD 、NH3- N 、 TP 等有明显的净化效果。BZ 剂投加量为 0.4mg/ (L · d) 时, CODcr 、 NH3- N 、 TP 的最终去除效果 为25.0% 、 77.6% 、 26.1%【28】 。王琳等利用含有光合细菌、放线菌、乳酸菌、酵母菌的复合微生物菌剂, 在室内采用投菌法对富营养化人工景观湖水进行净化试验 ( 原水水质: CODcr 为 41mg/L , 总氮 2.36mg/L , 总磷 0.28mg/L ,浊 度 20.72NTU ) , 结 果 表 明 , 处 理 后 总 氮 浓 度 为1.31mg/L , 总 磷 浓 度 为 0.03mg/L , CODcr 为19.38mg/L , 综合多种水质指标, 均能达到地面水环境质量 Ⅳ 类标准 。
自然界的微生物群落具有极强的生物多样性, 投放微生物制剂、微生物促生液以及酶制剂的方法只能促进少量种类微生物的生长, 该方法可能在短时间内改善水质状况, 但还可能影响微生物群落的健康生长, 导致水质状况的不稳定, 因此在实际应用中常利用人工介质有效富集微生物, 增加微生物数量, 改善水质。
1.4 水生生物的协同作用
水生植物、水生动物与水生微生物在水体中相互作用、相互影响。水生植物通过光合作用增加水体溶解氧,促进底泥中微生物对有机物及矿物质的降解; 水生植物的根系是水中有益微生物的载体, 为微生物的附着、栖息、繁殖提供了场所, 同时根系还截留细菌、有机物等悬浮物, 并分泌出一些有机物促进微生物的新陈代谢, 促进嗜磷细菌、嗜氦细菌的生长; 沉水植物改善水下光照条件, 有效增加水体空间生态位, 为其他水生动物提供生存空间和产卵栖息地; 沉水植物表面着生大量藻类、原生动物、螺类等, 为形成复杂的食物链提供了食物、场所和其他必需条件, 也间接支持了肉食和碎食食物链; 浮游动物吸收有机碎屑, 滤食性鱼类以浮游生物为食, 微生物分解其排泄物与残体 。
富营养化观赏水体的生物—生态修复技术
2.1 改善水体载体的物理结构
富营养化水体的生物—生态修复技术是综合水质净化中生物的功能, 利用水生植物、水生动物和微生物及其协同作用建立稳定健康的水生态系统, 应用生物载体强化净化, 达到水质修复的目的。因此首先需要改善水体载体的物理结构, 创造适合有益生物生长的环境。围合水体的材质以及水体的形态是影响水生生物生长的重要因素。围合水体的材质以天然材料为佳, 在达到防渗水目的的同时增加表面的形态变化, 可以人为建造适合动植物生长的具有孔洞的池底与护岸。在池底增加石块、废砖、废陶以及多孔质材料有利于增加生物膜的面积, 提高有机物降解能力, 同时填料形成的孔隙具有物理吸附、沉降、过滤等净化作用 。自然生态护岸是模拟自然驳岸建造出的多功能生态护岸, 它有利于生物生长栖息、水陆交流, 有助于生态系统自净能力的恢复, 护岸尽可能保持自然湿地状态, 必须做硬质护岸时也要根据水面的大小留出一定面积种植水生植物, 提高水生态系统的生物多样性。水体的形态同样影响生物的生长, 弯曲的水岸线创造不同光照强度的植物生长区域, 起伏的池底为水生植物提供各异的水深条件, 这些都为水生生物提供良好的生活环境, 是组建多样、稳定、健康的水生物群落的基础。2.2 优化水生高等植物群落优化水生植物群落, 利用水生植物及其共生的微生物群落进行水体生态修复、净化水质是一种有效的生态措施。宋永会等的研究表明, 结构完善的“挺水一浮叶一沉水一浮水”水生植物群落能够有效抑制再生景观回用水中藻类的滋生 ( 原水水质参数: CODcr 为 50～80mg/L ; TP 为1.2 ～2.0mg/ L ; NH3- N 为 7.0 ～10.0mg/L ; pH 值 为7.0～7.5) , 并降低其有机物和氮、磷的含量, 水生植物群落在 9d 内 使 CODcr 、 TP 和 NH3- N 分 别 降 低 76.9% 、95.8% 和 95.2% 。对照实验中, 无底质、未栽植水生植物的水池最初水体透明见底; 2d 后, 池内能明显地观察到藻类的生成, 水体的透明度降低; 3d 后, 水体表层滋生出大量蓝藻, 水体浑浊并具明显的鱼腥味, 水质明显恶化 。在水域生态系统中, 水生高等植物是水体保持良性运行的关键生态类型, 其中沉水植物因其完全水生的特点, 使得在水生植物各生活型中对环境胁迫的反应最为敏感, 因此恢复水生植被要注意水生植物与环境的协同演替作用, 保持水域生态平衡。一般来说, 以沉水植物为基础的水环境生态系统是一种良性循环的生态系统 。
影响沉水植物生长的主要生态因子有光照、 pH 值、营养盐、重金属、悬浮物、着生藻类等 , 富营养化水体中制约沉水植物恢复的主要生态因子是营养盐和光照。营养盐水平对沉水植物的生长有明显的影响, 受营养盐浓度升高的胁迫, 沉水植物由清水型逐步演替为耐污型, 部分长江中下游湖泊的演替模式为: 第一阶段: 轮藻型; 第二阶段: 眼子菜型, 主要有马来眼子菜、菹草、黄丝草, 并伴有黑藻、苦草; 第三阶段: 眼子菜—聚草型, 除眼子菜属植物外, 聚草逐渐成为优势种; 第四阶段: 聚草—苦草—金鱼藻型, 黄丝草消失, 耐污型的金鱼藻、聚草增多。这种沉水植物的演替模式对由浊水稳定向清水稳定的转换也有一定的参考意义 。在恢复种植沉水植物时必须根据水体营养盐的浓度选择合适的物种, 动态恢复沉水植物群落。
水下的光照强度是制约沉水植物生长的另一重要因素。金相灿指出, 大部分沉水植物对水下光照的最低要求为水面光照强度 5% 。苏文华等对 5 种沉水植物的光补偿点进行了研究, 其中苦草对光的需求最低, 适合在低光照条件的水下生长, 穗状狐尾藻和金鱼藻对光的需求最高, 在上层具有较强的竞争能力, 菹草和黑藻对光的需求介于中间, 最大光合产量在中层, 可在水体中层形成优势 。要在光照条件不足的水体中恢复沉水植物, 必须首先改善水下光照条件, 分阶段种植水生植物。例如先恢复挺水植物、浮叶植物, 改善水质条件, 在水下光照条件改善后, 逐步恢复沉水植物。
2.3 应用人工生物载体
水生生物对富营养化水体的修复受环境因子的影响大, 生物群落的稳定周期长, 对水体的治理是一个长期的过程。因此富营养化水体的生物—生态修复中往往应用人工载体, 综合各种生物修复措施, 提高生物—生态技术的净化效率。根据承载生物形式的不同, 人工生物载体有人工湿地、生态床、人工介质等形式。
2.3.1 人工湿地技术
人工湿地技术起始于 20 世纪 70 年代, 当时将湿地系统与氧化塘处理相结合以提高处理效果; 80 年代发展为人工建造的、以不同粒径的砾石为填料基质, 种植湿生植物的处理系统。该技术利用基质、微生物、植物这个复合生态系统的物理、化学、生物等多重作用, 通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等实现对水体的净化, 其特点是运行成本低、出水水质稳定, 但人工湿地是一个外挂的净化系统, 需要一定配比的湿地面积。杭州植物园玉泉景点利用人工湿地净化观鱼池水取得理想效果, 观鱼池以 1:1 的人工湿地面积配比降解观鱼池中鱼排泄物、鱼食等对鱼池的污染, 系统稳定运行后, 生态池的出水指标绝大多数达到了国标 Ⅰ 类水标准 。在富营养化观赏水体的修复中, 可以模拟自然湿地、湿地岛等形式, 在内部利用微动力推动水体流动, 以提高水体的自净能力, 也有将外挂的人工湿地消化在园路边及绿地中以减弱大面积湿地对视觉冲击的报道。
2.3.2 生态床技术
生态床技术是模拟适合水生植物和微生物生长的环境, 在被污染水体中利用人工的栽培设施种植水生植物,构建适合微生物生长的栖息地, 利用植物吸收、微生物分解等多重作用净化水质的技术。生态床一般由床体、基质和植物 3 部分组成, 根据净化目的与栽植要求的不同, 有人工浮床、人工沉床两大类形式。
人工浮床是利用漂浮栽培的技术在被污染的水体中种植挺水植物和陆生植物, 利用植物直接吸收水体中的氮、磷等营养元素, 同时在植物根系形成生物膜, 利用微生物的分解和合成代谢, 有效去除水中的有机污染物和其他营养元素 ( 图 1) 。关于人工浮床对水体净化作用的研究已有许多报道, 其中对总氮、总磷的去除率大都能达到 70% 以上 。利用人工浮床栽植陆生植物是在 1991 年以后, 该技术通过改进人工浮床结构并结合水培技术, 已经在不同的水域成功种植了 46 科 130 多种陆生植物 。陆生植物对营养元素的需求更多、根系更发达, 栽种陆生植物的人工浮床不论是从净化效益还是从视觉效果来看, 都更适合在富营养化的观赏水体中应用。郭沛涌等的研究表明, 采用浮床栽种陆生植物黑麦草 ( Lolium multiflorum ) , 当浮床覆盖率为30% 时, 120d 后氨氮的浓度从最初的 6.57mg/L 降至 0.27mg/L , 去除率达到 95.89% 。
人工沉床是利用下沉式的种植床体与基质种植沉水植物和挺水植物、导入优势菌, 促进微生物和水生植物的健康成长, 利用植物与微生物的共同作用, 去除富营养化水体中的营养物质 ( 图 2) 。利用人工沉床技术, 可以通过床体升降人为调控植物在水下的深度, 克服水下光照条件对沉水植物生长的影响, 适合在水位较深的情况下对富营养化水体的修复。
为加强生态床的净化效率, 在近年的研究中, 组合型的生态床不断出现。组合型的生态床是综合水生植物、水生动物、微生物等净化水质的生物技术, 将各类种植床( 或养殖床) 结合在一个整体的设施内, 加强水体净化效率的复合型生态设施 ( 图 3) 。戴栋超等利用生态浮床和生物接触氧化组合技术, 通过对公园水体的静态试验, 结果表明, 组合技术对水体中 N 、 P 等的去除率要高于单一的生态浮床技术, 具有很好的应用前景 。
2.3.3 人工介质技术
人工介质水质净化技术采用具有较大表面积和容积利用率的人工介质作为生物载体, 对水体中的微生物进行有效富集, 利用微生物的硝化—反硝化作用, 去除部分氮磷营养元素, 同时利用微生物对有机污染物的降解作用, 去除水体中的有机污染物, 达到净化水质的目的。生物膜技术是传统的人工介质技术, 它以卵石、沸石、陶粒、活性炭等填料强化生物膜的降解作用, 使水体在生物降解、物理吸附、沉降、过滤等作用下得到净化, 主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。王立军等通过自行设计加工的试验装置, 进行生物接触氧化技术在景观水体功能恢复中的试验研究, 结果表明, 利用生物接触氧化技术处理富营养化景观水, CODcr 、 NH3- N 、 TP分 别 由 28.56mg/L 、 2.42mg/L 、 0.57mg/L 降 至 14.62mg/L 、 0.26mg/L 、 0.19mg/L , 减缓了景观水体富营养化速度。同时接触氧化法对浊度、色度、 SS 也有一定的去除效果, 去除率也可以达 64.5% 、 81.7% 和 79.8% , 使出水达到地表水 Ⅲ 类水质的要求。因此, 在适当的运行条件下,接触氧化法可以有效地处理微污染的景观水体, 恢复其原有的水体功能 。同时, 纪荣平等的研究表明, 利用人工介质富集微生物, 水体的总氮、总磷的去除率分别达22.1% 和 60.7% 。人工介质在美国已经发展成为商业产品, 阿科蔓生态基是美国梅瑞地安水生科技公司研发的为水体微生物群落的生长和繁殖提供适宜的附着表面的人工介质, 它利用生物过滤和固定化微生物原理, 实现富营养化水体的原位修复。作者：王华胜等
2.4 生物—生态技术的集成
目前公认的水体发生富营养化的原因, 主要是适宜的温度, 缓慢的水流流态, 及氮、磷等营养盐的相对充足。小型景观水体因其本身自净能力较弱, 加之流入水体中的污染物质得不到及时清除或处置而在水体中腐败、沉积,致使水体水质受到污染, 而长期沉积在底泥中的氮、磷等营养盐的释放又加重了水体富营养化的程度。
综合生物—生态技术, 坚持源头控制、自然净化结合应急修复措施的原则, 是治理富营养化观赏水体的有效方法。观赏水体一般被绿地围绕, 绿地养护所使用的化肥与农药通过浇灌水与雨水污染水体。
因此, 必须根据地形条件分析绿地中的雨水地表径流途径, 在地表径流过程中对初期雨水径流进行截流、截污, 在流入观赏水体之前通过吸收、吸附、分解、过滤等作用减少氮、磷等营养物质对水体的污染, 特别在入水口尽可能扩大水湿生植物种植面积, 控制营养盐的进入。
对于应用雨水收集系统的绿地, 在雨水干管集中入水之前设置雨水前置塘, 种植耐水冲和净化能力较强的水生植物, 起到沉淀、截污及生物净化作用。
利用水生生物, 建立健康、稳定的水生态系统是自然净化的根本。应用水动力系统, 将人工湿地、增氧设施、人工介质等生物—生态技术依次串联在观赏水体中, 是常用的自然净化方法。
北京植物园应用生物填料处理景观水体的技术, 利用两道高效生态基过滤墙以及跌水复氧, 有效提高植物园水系水质。该种生态修复技术具有易于操作、成本低、无二次污染等优点, 在住宅小区的人工湖、园林池塘等封闭或半封闭的景观水体修复方面, 具有良好的推广应用前景。
徐亚同等对上海苏州河梦清园进行设计并运行一套景观水体水质净化生态组合工艺, 该工艺包括水质强化净化部分和水质稳定部分。水质原位强化净化部分由折水涧、芦苇湿地、下湖、中湖和清洁能源曝气复氧系统 5部分组成。其中折水涧依次共设置了 6 道跌水, 主要功能为沉沙和充氧, 兼具景观效应。芦苇湿地为水质原位强化净化的核心单元, 主要是利用芦苇湿地具有脱氮除磷功能。下湖和中湖分别为沉水植物生态系统, 种植的沉水植物为伊乐藻、苦草和菹草等, 浮叶植物以睡莲为主, 挺水植物主要是芦苇。该处理工艺能够明显改善景观水体的景观效果和有效的削减进水中的氨氮和总氮、总磷, 年平均去除率分别到达 70% 、 23% 和 38%。
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