水体生物修复技术研究进展

Ｖｏ１．２６。Ｎｏ．１２　中国资源综合利用　２００８年１２月　Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　●环境保护　水体生物修复技术研究进展　刘志刚　，岳　峥　，马东兵　（１．吉林市大地技术咨询有限公司，吉林　吉林　１３２０２１；２．中国市政工程华北设计研究院第三设计研究院，天津３０００７４）　摘要：随着人口及社会经济的迅速发展，我国水体的环境状况越来越差。对受污染的江河湖库水体进行修　复，是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。介绍了水体生物修复技术的理论及其研究进展，并对其　发展提出了展望。　关键词：水处理；水体修复；生物修复　中图分类号：Ｘ７０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—９５００（２００８）１２—００２５—０４　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃ　Ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｌｉｕ　Ｚｈｉｇａｎｇ１，Ｙｕｅ　Ｚｈｅ　，Ｍａ　Ｄｏｎｇｂｉｎｇ２　（１．Ｊｉｌｉｎ　Ｃｉｔｙ　Ｄａｄｉ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ａｄｖｉｓｏｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｌｉｎ　１３２０２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ　Ｔｈｉｒｄ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｒａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｒａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｅｃｏｎｏｍｙ，ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｎａｄ　ｍｏｒｅ　ｂａｄ．Ｗａｔｅｒ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｒｉｖｅｒ　ａｎｄ　ｌａｋｅ　ｉｓ　ｎｅｅｄｅｄ　ｕｒｇｅｎｔｌｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｗａｔｅｒ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ；ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　随着人口及社会经济的迅速发展，近２０年来，　修复工程中。在大面积污染治理领域被普遍认为是　我国水体的环境状况越来越差。对受污染的江河湖　有效、经济、极具有生态性的高新环境技术。国内从　库水体进行修复，已是社会经济发展及生态环境建　１９９８年起，陆续见有大学教材开始编译引用生物修　设的迫切需要。目前，我国的江河湖库水体污染主要　复技术理论。现在国内已开始进行这方面的课题研　包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。　究。　目前国际上采用的水体修复方法主要有３类：　生物修复又称生物改良，其狭义的基本定义为：　一是化学方法，如加人化学药剂杀藻，加入铁盐促进　生物修复是生物特别是微生物催化降解有机污染　磷的沉淀，加入石灰脱氮等，但是易造成二次污染。　物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的　二是物理方法，如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等，　一个受控或自发进行的过程。除了微生物修复外，生　但往往治标不治本。三是生物方法，如放养控藻型生　物修复还包括植物修复和动物修复。也就是说，生物　物、构建人工湿地和水生植被，开发水体生物修复技　修复技术是指利用培育的细菌、陆生植物及真菌、水　术。这也是当前水环境技术的研究开发热点。　生藻类、水生动物等的代谢活性改变污染物的化学　水体修复技术主要包括以微生物为处理功能核　或物理特性从而影响它们在环境中的迁移、转化和　心的生物处理技术、具有复合生态系统的生态塘处　降解速率，使水体得到净化的技术。　理技术、以植物和微生物为主要处理功能体的湿地　１．２水体生物修复的理论依据　处理技术以及土壤处理技术和河湖等自然净化能力　１．２．１氨氮的脱除　的处理等等。　河湖水体中，氮素硝化过程的传统生化反应途　１　水体生物修复理论　径为：　ＮＨ４　ＮＨ２ＯＨ—　ＮＯ　＿＋Ｎ０３＿　１．１水体生物修复理论概述　河湖水体中，使ＮＨ４＋转化为ＮＯ２－（亚硝化阶段）　生物修复始于２０世纪７Ｏ年代，发展于２Ｏ世纪　的菌有亚硝化单胞菌、亚硝化球菌属等；使ＮＯ２－转　９０年代。目前已被广泛应用于海面溢油、河流和湖　化为ＮＯ３－（硝化阶段）的菌有活跃硝化杆菌、维氏硝　？白的富营养化、土壤有机污染、地下水系污染等环境　化杆菌、硝化囊菌属等，它们都是由氧化ＮＨ　、ＮＯ　一　收稿日期：２００８～０７—１４　作者简介：刘志刚（１９８１一），男，吉林长春人，助理工程师，从事给水排水及水体生物修复技术的研究工作。　一２５—　●环境保护　中国资源综合利用　第１２期　获得能源，并以ＣＯ　为唯一碳源的化能自养菌。　反硝化过程的生化反应途径有２个。　分解，与几种果胶酶的作用有关。在藻类组织降解过　程中，真菌有激发作用，而放线菌则能在较长时期维　持这种分解活性。　ａ．异化脱氮细菌的反硝化作用：　２ＮＯ３－＋５Ｈ２Ａ－－￣５Ａ＋２０Ｈ一＋４Ｈ２Ｏ＋Ｎ２　ｆ　１．２．５木质素的微生物降解　假单胞菌属（脱氮假单胞菌、铜绿假单胞菌、荧　木质素的分解主要是真菌的作用。放线菌能使　光假单胞菌等）、色杆菌属（紫色色杆菌等）、微球菌　木质素分子减小，不过尚不能肯定这些菌能否使木　属（脱氮微球菌等）、芽胞杆菌（蜡状芽胞杆菌等）的　质素完全分解以及能否利用木质素碳来生长。芳香　一些种均属这类菌。在厌氧条件下利用硝酸盐的氧　化合物的转化速率是决定“絮团”和底泥有机质动态　ｂ．自养脱氮细菌的反硝化作用：　来氧化有机底物，而使ＮＯ３－还原成Ｎ：。　的主要因素。松伯醇、阿魏酸、咖啡酸的结构与木质　素的亚单体相似。它们的降解多少代表了植物性残　５Ｓ＋６ＫＮＯ３＋２ＣａＣＯ３－－＊３Ｋ２Ｓ０４＋２ＣａＳＯ４＋２Ｃ０２　ｆ＋３Ｎ２　Ｔ　体的分解。这些化合物的降解都是靠脱羧作用去除　脱氮硫杆菌在缺氧条件下能利用ＮＯ３－的氧将　其芳香分子中的一ＣＯＯＨ，但这个基团之后极少参与　硫或硫代硫酸盐氧化成硫酸盐，释放Ｎ　，从中获得　组成“絮团”或底泥腐殖质。　１．２．６菌体细胞壁的微生物降解　真菌、细菌细胞壁是形成“絮团”和底泥有机质　由于河湖底泥处于还原状态，Ｓ—Ｓ２＿之间存在　平衡的可能，因此这一作用有利于底泥的脱氮。　的主要前体，诸如链霉菌、假单胞菌、芽孢杆菌、梭菌　能量来同化ＣＯ２。　１．２．２磷的去除　一类的菌属均可引起真菌细胞壁的分解。　在富营养化河湖修复中，物理修复（清淤）、设置　２我国水体生物修复技术研究近况　水生植物修复工程往往比微生物修复更为有效，原　因是磷素本身不能转化为气体消失，也不能被永久　２．１人工复氧　性固定于底泥。即便采用在废水处理工程设施中常　中国科学院盛彦清＿】　等人应用人工复氧技术并　用的积磷菌来除磷，由于它不可能象工程设施那样　投加生物制剂及底质改良剂等，对严重富营养化的　于末端排放并二次处置，其效果也大为逊色。　湖泊水和黑臭河涌水进行了生物修复试验。模拟试　１．２．３有机碳的去除　验结果表明，在适度的人工复氧前提下，投加生物制　大部分河湖有机碳以水体悬浮物的形式存在。　剂及底质改良剂等，能够使两种水体的化学需氧量　悬浮物是有机碎屑、细菌、藻类和矿物质等细微颗粒　（ＣＯＤ。）、总氮（ＴＮ）和总磷（ＴＰ）等污染物的含量分　组成的胶粘状物（简称“絮团”），其比重略大于１，在　别降低８０％以上。用同样的方法进行现场试验，发　风力作用下极易悬浮于水体，并长期滞留在水体中，　现ｃｏＤ叭ＴＮ和ＴＰ等污染物含量的降幅均能达到　参与水中固体物质通量的上下交换，并大幅降低水　７０％左右。相应水体的水质指标基本上达到“地表水　体透明度（可使透明度降到２０—４０　ｃｍ）。组成“絮团”　环境质量标准”（ＧＢ　３８３８—２００２）地表ｖ类水标准。　和底泥的有机碎屑、细菌和藻类当中，约含纤维素　并发现投加的生物制剂及底质改良剂等微生物群体　ｌ５％一６０％，含半纤维素１０％一３０％，含木质素５％一　能够壮大受污染环境中的土著微生物，对底泥中污　３０％，含蛋白质２％～１５％；其中可溶性物质，如糖、氨　染物的降解有一定的促进作用。　基糖、有机酸和氨基酸。占干物质重的１Ｏ％。这些组　２．２投加微生物菌种和微生物促生剂　成物的分解直接关系到“絮团”和底泥中有机碳的微　李正魁＿２　研究的固定化氮循环细菌技术（ＩＮＣＢ）　生物转化。　在贵阳红枫湖物理生态工程（ＰＥＥＮ）实验区进行了　除氮、抑菌实验。结果表明：应用ＰＥＥＮ——ＩＮＣＢ技　１．２．４碳水化合物的微生物降解　自然界中许多单糖构成了植物、藻类和微生物　术使红枫湖试验区总氮、非离子氨和亚硝酸盐氮分　细胞中的多糖，淀粉也属多糖，许多细菌和真菌通过　别降低０．５６８　ｍｇ／Ｌ、０．０１５　ｍｇ／Ｌ和０．０１９　ｍｇ／Ｌ。　产生胞外酶（通称淀粉酶）能水解淀粉。纤维素是植　天津科技大学材料科学与化学工程学院的庞金　物、藻类残体中最丰富的成分，通常与半纤维素和木　钊＿３　等人对利用微生物对富营养化的城市河湖水体　质素连结在一起，多种细菌如假单胞菌、色杆菌、芽　进行生物修复，使水中的污染物降解成Ｈ　０、ＣＯ　或　孢杆菌、梭菌等以及多种真菌如木霉、青霉等可通过　转化成无害物质进行了研究。研究表明，微生物制剂　纤维素酶的作用分解纤维素。对藻类细胞壁具有重　对去除水体中的有机物、叶绿素ａ、氨氮和提高溶解　要作用的半纤维果胶（主要是半乳糖醛酸）的微生物　氧等均有显著效果。　－２６－　第１２期　刘志刚等：水体生物修复技术研究进展　●环境保护　１９９９年，由华东师范大学、上海市徐汇区环科　养化水体的动态和静态试验研究。结果表明：试验植　所、美国Ｐｒｏｂｉｏｔｉｅ公司［４］对某地池塘黑臭水体进行　物风车草、蕹菜、芹菜对叶绿素ａ的降低率分别是　了生物修复试验，并对塘中土著菌种的降解作用进　ｌ７．６４％、４２．９９％、３８．０５％；附着物与根系重量比（湿　行强化并投加水质促生液。经治理后的水体ＣＯＤ。由　重％）分别为风车草：５．１—１３２．７、芹菜：１００．０、蕹菜：　５０～７０　ｍｇ／Ｌ降至３０　ｍｇ／Ｌ左右，ＢＯＤ５由２５－３０　ｍｇ／　４８＿３；３种植物对富营养化水体均有较好的修复作　Ｌ降至１０ｍｇ／Ｌ左右．水体透明度由２０　ｃｍ上升到　用，对降低叶绿素ａ作用明显，对悬浮污染物有较好　７０　ｅｍ。水体ＤＯ由接近于Ｏ提高至大于２　ｍｇ／Ｌ。随　的吸附作用，其中风车草对修复营养化水体的作用　着生物修复过程的进行，初期在促生液作用下，水体　应予重视。　中藻类数量迅速增长．藻类的光合产氧对水体由厌　氧恢复到好氧化起到很大的作用。后期，由于水体趋　于洁净，藻类被微型动物所捕食，使水体透明度增　高。经生物修复后，水体向良性生态区演替，生物种　群增加。　李雪梅［　等人在华南植物园已重度富营养化的　人工湖（１　０００　ｍ２）做了投加多糖ＥＭ（有效微生物）制　剂试验，结果表明：ＥＭ治理湖泊富营养化是非常有　效的。　华东理工大学唐玉斌＿６　等人采用由纯天然物质　制成的生物激活剂Ｂｉｏ　ＯｘｉｄａｔｏｒＴＭ（ＢＯ）和Ｎｕｔｒａ　ＣｏｍｐｌｅｘＴＭ（ＮＣ）对上海植物园兰室和牡丹园的湖水　进行修复。结果表明，施用生物激活剂ＢＯ和ＮＣ对　水体ＣＯＤ、ＢＯＤ、ＴＰ、浊度等均有显著的去除效果，　并可显著提升水体溶解氧。所用生物激活剂不含外　来菌种，对动物和鱼类无毒性。与其他修复方法相　比，该种水体修复技术具有易于操作、成本低、无二　次污染等优点。在园林池塘、住宅小区的人工湖以及　其它相对封闭或半封闭的水体修复方面，具有良好　的推广应用前景。　方一丰［７　等人研究了生化黄腐酸（ＢＦＡ）对污染　水体生物修复的强化作用。生化黄腐酸能提高水体　中微生物活性，加快微生物对目标污染物的降解。在　污染水体生物修复强化作用的试验中。投加生化黄　腐酸后，ＣＯＤ　ＮＨ。一Ｎ、ＴＰ和浊度的去除率分别增　加了２９．４７％、２Ｏ．６１％、３５％和１９．８６％，同时有利于　水体ＤＯ的提升。　２－３放养水生植物　北京采用生物浮岛改善水质技术来治理水华。浮　岛上植物的根系扎在水中，会大量吸收水中的氮、磷　等营养，来遏制水华发生的条件。北京市最大面积的　生物浮岛建在永定河引水渠罗道庄段。经过一段时间　的治理，这些水域的水华现象已得到明显控制。　重庆市渝北区双龙湖水体因长期受纳城市污　水，近几年水体水质恶化并呈加重趋势。为治理修复　该水体．重庆大学城市建设与环境工程学院的郭蔚　华隅　等人进行了水面种植高等植物净化双龙湖富营　北京市水利科学研究所的井艳文［９　等人对利用　生物浮床技术进行水体修复进行了研究。生物浮床　技术是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物　或改良的陆生植物种植到营养化水域水面上，通过　植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机理。消　减富集水体中氮、磷及有害物质，从而达到净化水质　的效果，同时又可营造水上景观。　刘冬燕［１叫等人通过对生物修复中富营养小水体　浮游植物群落的分析，探讨了生物修复对浮游植物的　影响以及浮游植物对环境因子改变的响应。生物修复　实施后的浮游植物种类数比实施前多，浮游植物细胞　数和生物量却有明显的下降。而对于Ｓｈａｎｎｏｎ—Ｗｅａｖｅｒ　多样性指数，实施后较实施前有明显的上升。生物修　复过程中美丽胶网藻水华得到控制，优势种的指示　性由中污变为寡污．优势度也由极度的高优势变为　中低度优势。水体治理的前期阶段浮游植物群落的　种类组成和结构有明显的改变，浮游植物种类数分　别与正磷酸盐和氮磷比呈显著负、正相关，正磷酸盐　的浓度与氮磷比的大小对水体浮游植物的种群结构　变化具有重要影响。　２．４组合技术　华东师范大学黄民生＿１¨等人采用曝气复氧、投　加高效微生物菌剂及生物促生液、放养水生植物等　构建的组合生物修复技术，对苏州河严重污染支　流——绥宁河进行原位污染治理和生态恢复工程试　验。结果表明，严重污染的水体消除了黑臭，水体　ＣＯＤ平均下降５０％以上，ＤＯ平均升高２　ｍｇ／Ｌ左　右，透明度平均增加１０　ｃｍ以上。主要微生物指标以　及底泥有机质含量未发生显著变化。　３结语　与传统的化学、物理处理方法相比，生物修复技　术具有污染物在原地被降解；修复时间较短；操作简　便；对周围环境干扰少等优点。修复经费仅为传统化　学、物理修复经费的３０％～５０％；不产生二次污染，遗　留问题少。　生态修复工程的进一步发展，应该结合其他技　一２７—　●环境保护　中国资源综合利用　第１２期　杨中艺，简曙光．有效微生物群控制富营养化湖泊蓝　术。使其处理效果更好。例如：利用基因工程和生物　５李雪梅，技术筛选超积累、高耐性修复植物，将具有特异降解　功能的微生物引入处理系统等，这样能进一步提高　处理效率。　参考文献　藻的效应［Ｊ］．中山大学学报（自然科学版），２０００，３９（１）：８１—　８５．　６唐玉斌．景观水体的生物激活剂修复［Ｊ］．城市环境与生态，　２００３，１６（４）：３７—３９．　７方一丰，林逢凯，陆柱＿生化黄腐酸对污染水体生物修复的　强化作用［Ｊ］．环境污染与防治，２００５，２７（９）：６５８—６６０．　１盛彦清，陈繁忠，秦向春，等．城市污染水体生物修复研究［Ｊ］．　８郭蔚华，张智，何地球化学，２００５，３４（６）：６４３—６４９．　冰．高等水生植物修复双龙湖水体叶绿　素ａ变化试验研究［Ｊ］．重庆环境科学，２００２，２４（３）：４５－４８，８７．　２李正魁，濮培民。胡维平．红枫湖水环境的局部恢复技术一固　９井艳文．利用生物浮床技术进行水体修复研究与示范『Ｊ１．水　定化氮循环细菌对水生态系统的修复［Ｊ］．江苏农业科学，２００１　利科学研究，２００３（６）：２０—２２．　（６）：７０—７２．　１０刘冬燕，赵建夫，张亚雷．富营养水体生物修复中浮游植物　的群落特征［Ｊ］冰生生物学报，２００５，２９（２）：１７７—１８３．　１Ｉ　黄民生，徐亚同，戚仁海．苏州河污染支流——绥宁河生物　３庞金钊，杨宗政，曹式芳．微生物制剂在城市湖泊水体生物修　复中的作用［Ｊ］．环境污染与防治，２００３，１５（５）：３０１—３０２，３０５．　４徐亚同，史家糅，袁磊．上澳塘水体生物修复实验［Ｊ］．上海　环境科学，２０ｏＯ，１９（１０）：４８０—４８４．　修复试验研究［Ｊ］．上海环境科学，２００３，２２（６）：３８４～３８８．　（责任编辑／陈军）　●广而告之　欢迎订阅２００９年中　国《资源再生》杂志　行业的优秀期－ＴＩｊ　企业的良师益友　资源循环利用与节约型社会的建设是我国的一　点、视野、沙龙等。　项基本国策。中国《资源再生》杂志以推动资源再生　利用产业的科技进步，促进全国循环经济建设的信　息传播为宗旨，刊物重点宣传中国资源再生利用产　业的方针政策．介绍和推广国内外资源再生领域的　国内统一刊号：ＣＮ１ｌ一５５４４／ｒＦ　国际标准连续出版物号：ＩＳＳＮ　１６７３—７７７６　广告经营许可证号：京海工商广字第８０６６号　邮发代号：８０—１２６；国内外公开发行，编辑部常　新技术、新工艺和新设备，加快推动资源再生利用行　年办理零订、邮购业务。　业的产业化和现代化。　每期定价２０元，全年订价２４０元（含邮资）　中国《资源再生》（月刊）是国内外公开发行的综　合性科技期刊，内容丰富，广泛涉及废旧铜铝铅锌等　有色金属、废钢铁、报废汽车、电子废弃物、废旧五金　电器、废塑料、废橡胶、废纸的回收、拆解、再生利用　等领域。杂志采用全彩版铜版纸胶版印刷，大１６开　地　址：北京海淀区学院路蓟门里北乙１１号　开户银行：中国民生银行北京平安里支行烟树商　务楼　订刊账户：北京华夏恒远广告有限公司　邮　编：１０００８８　订刊账号：０１　１５　０１４１　７０００　６４２１　本，每期８０页，图文并茂，内容丰富，视角独特、信息　快捷、贴近企业、贴近读者。　主要栏目：人物访谈、高层论坛、方针政策、焦点　透视、特别关注、数字看台、市场分析、环球视角、产　业纵横、工作研究、调查报告、金融期货、企业之家、　再生专利、供求信息、大家谈、综述、动态、科技、观　联系电话：０１０—６２３８　７７８７／７６６６转２１５、１４９　ｃｏｒｎ　电子信箱：Ｒｅｓｏｕｒｃｅｍ＠１６３．＿传真电话：０１０—６２０７　７１　１８、０１０—６２０２　５７１７　杂志博客：ｈｔｔｐ：／／ｂｌｏｇ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｒｅｚｉｎｅ　－２８．．