非耗能生态系统污染水体修复技术分析及其发展趋势

王英丽 陈云思 曾攀

（广东中大环保科技投资有限公司 广东广州 510601）

随着我国社会经济的迅速发展，用水量不断增长，绝大部分污水未作处理直接排入江河湖泊，造成严重的水体污染。《2012年中国环境状况公报》显示2012年全国地表水国控断面总体为轻度污染；十大流域的国控断面中Ⅳ～Ⅴ类水质断面比例为20.9%、劣Ⅴ类水质断面比例为10.2%；三大湖中太湖、巢湖均为轻度污染，滇池为重度污染；在32个重要湖泊中有37.5%是Ⅴ类水质，18.8%是劣Ⅴ类水质。

水体修复技术经历了若干年的发展，目前国际上采用的水体修复技术主要有物理法、化学法和生物-生态法。随着我国对生态环境保护的重视，运用生态技术修复水体的方法日渐受到重视。本文综述了水体修复技术及其优缺点，旨在更好的了解各种技术从而更好的将其应用的水体修复中。

1 物理法

包括底泥疏浚、引水换水、污水截留、造流曝气、机械除藻等。

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚指把污染底泥从水体中清除出去，此方法可以较大程度地削减底泥对上覆水体的污染贡献率，从而改善水质。在很多情况下，底泥疏浚是一种必需的措施，此法见效快，效果好。例如瑞典的Trummen湖[1]、滇池草海[2]等在疏浚工程实施后水质都有了明显的好转。

然而，对于疏浚的效果还存在一些争议，南京的玄武湖、日本的Suwa湖都是疏浚失败的例子[3]。疏浚底泥的环境效果与疏浚方法有关，疏浚可能对生态修复产生负面影响[3]。此外，疏挖底泥费用昂贵，对水体生态破坏较大，清除的污泥处置困难，容易造成二次污染。底泥疏浚只能作为水体修复的辅助手段。

1.2 引水换水

引水换水是将外来清洁水源注入水体，起到稀释水体污染物的作用，可以降低营养盐浓度，减少藻类生长，对提高水体透明度有一定作用。但此种方法不仅对水质水量要求高，而且大流量调水成本高昂。

1.3 污水截流

污水截流即将原本直接排入水体的污水收集到污水厂处理后再排放。污水截流是削减排入受纳水体的污染物总量。环境治理的一个共识是源头治理最重要、过程治理次之、最后是终端治理。污水截流是源头治理，是治理水体污染的前提条件。但是污水截流法不能消除内源污染、干湿沉降等面源污染，对于已污染的水体来讲只依靠污水截流很难恢复其水质功能。

1.4 曝气

曝气是采用机械搅拌、压缩空气、水泵、喷射泵等方法进行曝气，提高水体溶解氧浓度，抑制水体中藻类的爆发，增强水体自净能力，有效修复受污染水体[4;5]。但是曝气法存在投资费用高、安装维护困难、运行费用高等问题，不适宜长期应用。

1.5 机械除藻

机械除藻是将藻类从水体中移出的一种方式，一般应用在蓝藻富集区，采用固定式除藻设施和除藻船对区域内湖水进行循环处理，有效清除浮藻层。能直接大量清除湖面蓝藻水华，可以作为蓝藻大面积爆发时的应急措施。但是机械除藻速度远比不上藻类生长速度，去除效率低，费用高，作用微弱，不能从根本上解决富营养化和水体景观问题。除此之外，打捞出的藻类的处置也是一大难题。

2 化学法

2.1 化学修复

通过投加各种化学药剂提高水体中的溶解氧量，抑制水体沉积物中污染物的释放，促进污染物的降解、去除。研究表明，CaO2、Ca(NO3)2、聚铝等都能能抑制沉积物中磷的释放[6]，CaO2能增加水体的溶解氧[7]。但是化学药剂不仅成本高，效果持续时间短，而且容易造成二次污染。投加化学药剂只适用于应急处理。

2.2 化学除藻

化学除藻是利用喷洒除藻剂来去除水体中的藻类，是一种工艺简单、操作方便的有效杀藻方法。但是化学除藻剂在抑藻的同时也造成了二次污染，对其它水生生物存在毒性。化学除藻剂未从根本上解决水体富营养化的问题，一旦停用藻类又会爆发，化学除藻法只能用于应急处理[8]。

3 生物—生态法

生物—生态修复法是利用培育的植物或培养、接种微生物的生命活动对水中的污染物进行迁移、转化和降解，从而使水体得到净化的技术。以下重点介绍几种常用的生物-生态水体修复技术。

3.1 微生物强化法

微生物强化法是通过向水体中投加人工选育或基因工程培育的修复菌种，通过这些高效菌种快速去除水体中的氮、磷营养元素和有机污染物[9;10]。此技术操作简单，管理方便，可快速改善水质。但由于水体中缺少微生物的附着基质，投加的微生物往往会随水流损失，要保持良好的修复效果就要持续投加微生物，造成修复费用高昂。

3.2 生物载体法

生物载体法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着面积，有利于加强对污染物的降解作用，提高水体自净能力。但目前生物载体法还存在以下问题[11]：1）实际应用范围较窄；2）应用过程中对水域生态系统的结构和使用功能造成一定影响，如在污染水体中使用的载体会影响到水域的航运和泄洪等功能；3）生物膜技术在基建及运行方面所需费用较高。

3.3 水生植物法

水生植物法是利用水生植物及其共生微生物吸收和分解污染物，从而起到净化水体的作用。水生植物还可以改变湖水与底泥间的物质交换平衡，促使悬浮或溶解在水中的污染物向底泥转移，澄清净化水质。植物还可以与浮游藻类形成营养竞争，抑制藻类爆发。据研究报道[12;13]，被制成浮床的大榕草、香根草、水芹、水蕹草、多花黑麦草等，对去除水体N、P和抑制藻类孳生均有明显的作用。通过对水生植物收割去除水体中的氮、磷。水生植物法投资成本低，能促进水生生态系统的发展，提高水体景观效果。

3.4 生物操纵法

生物操纵理论可分为经典和非经典生物操纵理论。经典生物操纵理论是通过人工清除水体中滤食鱼类或增加肉食鱼类的数量，使浮游动物数量的增加和组成种类体型大型化，从而提高浮游动物对浮游植物的摄食效率，降低浮游植物的数量；非经典生物操纵理论是通过放养滤食性鱼类直接控制浮游植物数量[14]。实验表明[15]通过鲢、鳙等的放养有效控制微囊藻和蓝绿藻水华，改善水体的透明度。但由于某些复杂因素的存在，试验中往往会出现浮游植物数量增多[16]，水体缺氧，水生生物死亡等现象[17]。生物操纵理论还存在争议，应用于实际水体修复还不现实。

3.5 人工湿地

人工湿地一般由人工基质(多为碎石)和生长在其上的水生植物(如芦苇、茳芏等)组成，是一种独特的“土壤—植物—微生物”生态系统。利用湿地基质对污染物进行物理吸附、过滤、微生物降解和植物吸收，能有效可靠的处理废水。人工湿地最大的问题是堵塞，美国环境保护署通过对多个运行中的人工湿地调查发现有近50%的人工湿地系统在投入使用5年后出现了不同程度的堵塞[18]。人工湿地的植物必须按时收割，否则容易造成二次污染。填料更换和植物的管理大大增加了人工湿地的维护成本。

4 构建完整生态系统法

随着我国生态文明建设进程的不断加速，完整生态系统的理念也渐渐应用到水体修复中，取得了良好的效果。

4.1 生态系统完整性内涵

生态系统完整性的内涵从生态系统的系统特性角度阐释主要表现在以下3个方面[19]：1）生态系统健康，即在常规条件下维持最优化运作的能力；2）抵抗力及恢复力，即在不断变化的条件下抵抗人类胁迫和维持最优化运作的能力；3）自组织能力，即继续进化和发展的能力。

4.2 非耗能生态系统完整性在水体修复中的应用

构建完整的水下生态系统，恢复水体的自净能力与活力。通过投加微生物和大型食藻溞，清除水体中原有的藻类、腐屑等悬浮物，快速提高水体的透明度，为沉水植物生长创造条件。在水体种植沉水植物，如苦草、黑藻等；在水体中放养适量的鱼、虾、螺、贝类等水生动物。沉水植物的光合作用吸收CO2释放O2使水体富氧，为水体中的其它生物创造良好的生活环境。构建完整生态系统法是多种生物—生态法的有效组合。生态系统构建后，构成了具有水下分解者、生产者、消费者的完整生态系统，如图1所示。

此水下生态系统具备了完整生态系统的三个特性：1）生态系统健康：系统中的生产者、消费者、分解者之间的物质循环正常进行，水体保持健康状态；2）抵抗力及恢复力：水体具有良好的自净能力，能承载一定量的污染负荷；3）自组织能力：生态系统中生产者、消费者和分解者的种类不断增多，生物多样性增多，系统的稳定性增强。北京圆明园凤麟洲于2007年9月至11月，方河、鉴碧亭和玉玲珑3个景观湖于2008年4月至6应用了构建完整生态系统技术进行水体修复[20]，修复后，浊度、COD、TN、TP分别下降了74%～99%、63%～87%、77%～85%、77%～85%，水质从V～劣V类改善到II～III类，修复效果持续至今。此种修复技术不是单一的某种生物—生态修复，而是构建一个完整的生态系统，发挥水体的自净能力。该生态系统不仅维护方便、不耗能而且还具有良好的景观效果。

图1 水下生态系统

5 展望

水体修复的技术经过多年的发展，每种技术各有利弊。河流、湖泊等水体是一个复杂、动态的系统，并不是单一的一种修复方法就能解决污染问题，必须对其生态系统深刻了解,才能合理确定其水体修复方法。生物—生态修复技术是环境友好的，经济可行的一类技术，但单一的生物—生态技术存在修复持续性差、管理困难、影响水体功能（如防洪泄洪等）等问题。构建完整生态系统法是将各种生物—生态法的有机组合，发挥各种方法的优点，恢复水体自我修复功能，具有良好的有效性、经济型和景观性性，值得大力研究和推广。

总而言之，各种修复方法并不是孤立的，应结合水体自身的现状综合运用，充分发挥各种方法的优点。

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