水體的生物修復
摘要：當前，對受污染的江河湖庫水體進行修復，已是社會經濟發展及生態環境建設的迫切需要。目前，對水體修復的方法主要有化學方法，物理方法和生物方法。但與傳統的化學、物理處理方法相比，生物修復技術有以下優點：①污染物在原地被降解；②修復時間較短；③就地處理操作簡便，對周圍環境干擾少；④較少的修復金費，僅為傳統化學、物理修復金費的30%—50%；⑤人類直接暴露在這些污染物下的機會減少；⑥不產生二次污染，遺留問題少。本文主要介紹了生物修復的原理和水體生物修復的主要方法。生物修復技術被劃分原位微生物修復和異位生物修復兩種。前者強調污染物存在的初始空間分布，后者則稍作遷移；處理過程中，后者有更多的人為調控和優化處理。在水體的生物修復過程中，各種生物會在不同層次互相影響，互相結合而起到不同的凈化作用。其中，最主要、最基本的是微生物的降解作用。水體生物修復的主要方法有：生物處理技術，生態塘處理法，人工濕地處理技術，土地處理技術等。其中，人工濕地處理技術將是一個比較重要的發展方向。生態修復工程的進一步發展，應該是要結合其他技術，使其處理效果更加好。例如：利用基因工程和生物技術篩選超積累、高耐性修復植物和具有特異降解功能的微生物進入處理系統，能更有效的達到處理效果。
1．概述
對受污染的江河湖庫水體進行修復，已是社會經濟發展及生態環境建設的迫切需要，特別是南水北調東線沿線的治污工程，量大面廣，尋找先進實用、造價低廉的技術迫在眉睫。我國的江河湖庫水體污染主要包括氮磷等營養物和有機物污染兩方面。另外，湖泊水庫藍藻及赤潮給水域生態、人體健康也造成了嚴重的危害。對于富營養化的控制，發達國家以控制營養鹽為主，大多采取“高強度治污，自然生態恢復”的技術路線，即控制外源磷污染負荷并配合生態恢復措施。
去除藻類與控制其生長是湖泊水庫水體恢復與保護的難題。目前國際上采用的技術主要有三類：（1）化學方法，如加入化學藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉淀、加入石灰脫氮等，但是易造成二次污染；（2）物理方法，疏挖底泥、機械除藻、引水沖淤等，但往往治標不治本；（3）生物方法，如放養控藻型生物、構建人工濕地和水生植被，開發水體生物修復技術，是當前水環境技術的研究開發熱點。
生物修復，可以解釋為：生物特別是微生物催化降解有機污染物，從而去處或消除環境污染的一個受控的過程，即利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉移、轉化及降解，從而使水體得到凈化的技術。
與傳統的化學、物理處理方法相比，生物修復技術有以下優點：①污染物在原地被降解；②修復時間較短；③就地處理操作簡便，對周圍環境干擾少；④較少的修復金費，僅為傳統化學、物理修復金費的30%—50%；⑤人類直接暴露在這些污染物下的機會減少；⑥不產生二次污染，遺留問題少。
2．生物修復的原理
2．1 生物修復的分類
目前，生物修復技術被劃分原位微生物修復和異位生物修復兩種。所謂元微生物修復是指對受污染的介質（土壤、水體）不作搬運或輸送而在原位污染地進行的生物修復處理，其修復過程主要依賴于被污染地自身微生物的自然降解能力和人為創造的合適降解條件。異位生物修復是植被污染介質（土壤、水體）搬動或輸送到它處進行測生物修復處理。但這里的搬動和輸送是低限底的，而且更強調人為控制和創造更加優化的降解環境。在處理位置上，前者強調污染物存在的初始空間分布，后者則稍作遷移；處理過程中，后者有更多的人為調控和優化處理。現在所說的生物修復主要是原位修復。
2．2 水體生物修復過程中生物的作用
挺水植物通過對水流的阻尼和減小風浪擾動使懸移質沉降，并通過與其共生的生物群落有凈化水質的作用。但它主要吸取深部底泥中的營養鹽，通常不或很少直接吸收水中的營養鹽，而其部分殘體又往往滯留湖底，礦化分解后又會污染水體。所以挺水植物的功能中，有把下層底泥中的營養轉移到表層的一面，不利于直接凈化水質。加上收割、水位變化對其生長的影響等問題，限制了它們在凈化水質中的作用。必須注意管理、收割利用和防止種群退化。
浮葉植物在一般淺水湖泊中有良好的凈化水質效果，種植和收獲較容易，有經濟效益，和觀賞效益，在一定季節可以作為重要的支撐系統。需要及時收獲。
大型飄浮植物在光照和營養鹽競爭上比浮游植物有優勢，有些種群的耐污性很強（如鳳眼蓮，喜旱蓮子草等），已經發展了在大水面大風浪條件下種植的技術，是良好的凈化水質選擇。浮萍生長快，許多種群能在空氣中固氮，覆蓋水面后與沉水植物在光照等方面有競爭，一般不宜采用。有些飄浮植物和浮體陸生植物（加上浮力支撐后可水培的植物）是很好的觀賞和食用植物，可在一定條件下組合應用，既有凈化水質作用，又有經濟效益、環境效益和觀賞效益。
著生藻類和浮游藻類生長過程中都有凈化水質作用。著生藻類的收集也不難，浮游藻類的收集也已發展了捕獲技術，在一定條件下也可因勢利導予以利用，一方面凈化水質，另一方面作為資源取出。
各種沉水植物是健康水生態系統的重要組成，其耐污程度和對水溫、水位、水流、水質、底質等條件各有差異，要根據當地具體自然條件因地制宜、因時制宜在時間空間上予以鑲嵌優化組合，使各種種群在整體上互補共生適應季節變化和環境災變。沉水植物和湖底水生植被的存在可吸附儲存生物碎屑于植物根部，增加底泥表層溶氧，遏制磷的釋放，阻止上層水體動力擾動向湖底的傳輸，減少湖底水動力交換系數，從而有效地遏制底泥營養鹽向水體的釋放。
螺、蚌等底棲動物可過濾懸移質，攝食生物碎屑，其分泌物有絮凝作用，螺有刮食著生藻類功能，蝦和若干種類魚類可攝食藻類、碎屑、浮游動物等。這些動物，作為健康水生態系統的補充組成，也有重要作用。
微生物，特別是氮循環細菌在水體自凈能力中具有不可忽視的作用。有機物的礦化分解，氮素的氣化，磷鹽的沉降和固定在湖底等都與細菌的作用分不開。自然界的水生植物附近共生有多種遠比自由水體中豐富的細菌群落。飄浮植物容易種植，采用耐污性強，生長快的飄浮植物作為先鋒植物，不僅有植物直接吸收營養鹽的作用，而且更重要的是有與其共生的細菌的作用。可以很快增加水的透明度，改善水質。飄浮植物作為細菌的載體極為重要。但飄浮植物受氣候條件影響，在有些季節難以發揮作用。因此研制人工載體和優選高效細菌種群極為重要。利用優化的人工載體培養優化的氮循環細菌，釋放到自然水體，以自然生物載體、其它人工載體和底泥為二級載體，水中懸浮物為三級載體，將原來荒漠化水域中以水土界面為主的好氧-厭氧，硝化-反硝化條件擴大到水面和水體并加強細菌濃度，從而增加系統凈化能力。
3．水體修復的主要處理方法
水體修復技術包括以微生物為處理功能核心的生物處理技術、具有復合生態系統的生態塘處理技術、以植物和微生物為主要處理功能體的濕地處理技術、土壤處理技術和河湖等自然凈化能力的處理等。
3．1生物處理技術
生物處理技術包括好氧處理、厭氧處理、厭氧—好氧組合處理。其主要原理是人工馴化、培養適合于降解某種污染物的微生物，通過控制室和微生物生長的環境以穩定和加速污染物的降解。
由于生物處理技術起步較早，現在已有很多成熟的工藝，比如SBR、UASB、氧化溝等。這些工藝一般要輔助結合其他一些處理方法，例如物理處理法（如吸附法、重力法、離心法和引力法等）、化學處理法（如凝絮法、提取法、氧化法、離子交換法和沉淀法等）。
3．2 生態塘處理法
生態塘是以太陽能為初始能源，通過在塘中種植水生作物，進行水產和水禽養殖，形成人工生態系統。在太陽能（日光輻射提供能量）的推動下，通過生態塘中多條食物鏈的物質遷移、轉化和能量的逐級傳遞、轉化，將進入塘中污水中的有機污染物進行降解和轉化，最后不僅去除了污染物，而且以水生作物、水產的形式作為資源回收，凈化的污水也作為再生水資源予以回收再用，使污水處理與利用結合起來，實現了污水處理資源化。
人工生態系統利用種植水生植物、養魚、養鴨、養鵝等形成多條食物鏈。其中不僅有分解者生物、生產者生物,還有消費者生物，三者分工協作，對污水中的污染物進行更有效的處理與利用，并由此可形成許多條食物鏈，構成縱橫交錯的食物網生態系統。如果在各營養級之間保持適宜的數量比和能量比，就可建立良好的生態平衡系統。污水進入這種生態塘中，其中的有機污染物不僅被細菌和真菌降解凈化，而其降解的最終產物，一些無機化合物作為碳源、氮源和磷源，以太陽能為初始能源，參與食物網中的新陳代謝過程，并從低營養級到高營養級逐級遷移轉化，最后轉變成水生作物、魚、蝦、蚌、鵝、鴨等產物,從而獲得可觀的經濟效益。
3．3 人工濕地處理技術
人工濕地是近年來迅速發展的水體生物—生態修復技術，可處理多種工業廢水，包括化工、石油化工、紙漿、紡織印染、重金屬冶煉等各類廢水，后又推廣應用為雨水處理。這種技術已經成為提高大型水體水質的有效方法。人工濕地的原理是利用自然生態系統中物理、化學和生物的三重共同作用來實現對污水的凈化。這種濕地系統是在一定長寬比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合組成填料床，污染水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動，或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物（如蘆葦等），形成一個獨特的動植物生態環境，對污染水進行處理!
人工濕地的顯著特點之一是其對有機污染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用；廢水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程的不斷進行，濕地床中的微生物也繁殖生長，通過對濕地床填料的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統中去除。濕地對氮、磷的去除是將廢水中的無機氮和磷作為植物生長過程中不可缺少的營養元素，可以直接被濕地中的植物吸收，用于植物蛋白質等有機體的合成，同樣通過對植物的收割而將它們從廢水和濕地中去除。
由于這種處理系統的出水質量好，適合于處理飲用水源，或結合景觀設計，種植觀賞植物改善風景區的水質狀況。其造價及運行費遠低于常規處理技術。英、美、日、韓等國都已建成一批規模不等的人工濕地。
3．4 土地處理技術
土地處理技術是一種古老、但行之有效的水處理技術。它是以土地為處理設施，利用土壤—植物系統的吸附、過濾及凈化作用和自我調控功能，達到某種程度對水的凈化的目的。土地處理系統可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、濕地處理和地下滲濾生態處理等幾種形式。國外的實踐經驗表明，土地處理系統對于有機化合物尤其是有機氯和氨氮等有較好的去除效果。德、法、荷等國均有成功的經驗。
4．具體工藝的應用
在具體運用這些工藝是通常要做一些組合。例如采用：污水→沉淀→人工濕低→生態塘。
目前國內外有很多水體修復的成功工程。例如日本渡良瀨蓄水池的人工濕地，這是一座設有人工設施的蘆葦蕩，將蓄水池的水引到蘆葦蕩，通過吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，達到對水體進行自然凈化的目的。這種凈化過程循環進行，確保蓄水池水質潔凈。渡良瀨人工濕地的人工植被從陸地到水面依次為：杞柳（水邊林）—蘆葦、荻、蓑衣草（濕地植物）—茭白、寬葉香蒲（吸水植物）—荇菜、菱（浮葉植物），形成了一體的生態空間。渡良瀨人工濕地已經成為日本最大的蘆葦蕩，也成為對居民、兒童進行環保及愛水教育的場所，組織學生進行自然觀察。
在我國也有很多水體生態修復的研究和工程實例。例如李正魁研究了固定化氮循環細菌技術（INCB）在貴陽紅楓湖物理生態工程（PEEN）實驗區的除氮、抑菌效果，結果表明，應用PEEN—INCB技術使紅楓湖試驗區總氮、非離子氨和亞硝酸鹽氮分別平均降低0.568mg/L,0.015mg/L和0.019mg/L。工程后排入紅楓湖的非離子氨均<0.02mg/L,NO2-N≤0.1mg/L，16個月內無一次超標，而工程前的超標率達39%。與其他湖區相比，PEEN-INCB治理工程區域各主要指標下降4%～40%。
5．總結
傳統的生物處理工藝控制相對復雜，而且投資較大。而生態修復技術投資少，運行方便，能耗低。因此，生態處理技術在以后會得到更大的應用。
此外，生態修復工程可以結合其他技術，使其處理效果更加好。例如：利用基因工程和生物技術篩選超積累、高耐性修復植物和具有特異降解功能的微生物進入處理系統，能更有效的達到處理效果。
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