环境生物技术

1江汉大学文理学院课程设计论文综述控制景观水体的富营养化的方法部（系）生物与环境工程学部专业环境工程姓名何苗学号200804030117指导教师王忆娟2011年10月2综述控制景观水体的富营养化的方法摘要分析了城市景观水体的特点、污染来源及其污染状况,并且分别从物理、化学和生物方法3个方面综述了景观水体的各种污染控制和管理措施,详述了微生物、水生动物、水生植物以及它们之间相互结合处理富营养化水体的生物修复技术,指出了目前的各种方法都存在着一定的局限性,应采取综合治理措施,加强微生物、水生动物、水生植物之间的结合,尤其是不同方法、技术的综合研究和应用。虽然目前生物修复技术大多处于研究阶段,但必将成为将来应用的热点.关键词城市景观水体富营养化生物修复1.城市景观水体1.1城市景观水体的特点随着经济的发展和生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高，碧波荡漾的自然美景成为了人们的追求，为满足人类亲水的心理需求，在城市绿地、公园和居住小区的建设中,水族馆、喷泉、瀑布、人工湖泊、人工河流、景观池塘以及景观水池不断涌现出来。然而这些城市景观水体多为静止或流动性差的封闭性缓流水体,一般具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点,再加上当初设计的局限性、后期的污染以及水质管理措施等方面的问题,使得景观水平极易受污染，甚至发黑发臭，从而使其丧失了景观水体的功能,并严重影响周围的自然环境和人居环境。因此,如何保持景观水体清洁，加强污染景观水体的修复，重新恢复其在城市中生态功能与美学价值具有迫切性。1.2城市景观水体的污染城市景观水体的污染来源主要有以下方面:①景观水的水源水质较差。一般景观水的水源主要来自三个方面：降水、地表水、中水。大部分日常补充水量以降水汇集为主，而四周汇集的降水把地表很多污染物都溶解在内，使得景观水源先天质量较差。②周围污染源对其污染。景观水体污染物主要来源于四周小区内居民日常生活所排放生活污水、生活垃圾、建筑垃圾及其渗滤液、漂物和施工尘土等。尤其是生活污水中含有大的有机污染物及氮、磷等植物营养物，植物营养物进入天然水体后将恶化水体水质，加速水体的富营养化过程，影响水面的利用。③枯枝落叶,水景岸边的植物以及水体中水生植物的枯枝落叶和残体等进入水体后,腐烂分解成为水体中的污染物;④地下水的污染。随着工农业的不断发展，越来越多的污染(如氮、磷、重金属离子等等)渗入了地下，污染了地下水。如今我国地下水的污染已相当普遍而严重。而大部分的景观水又是与地下水相通的，因此导致景观水的变质也是显而易见的。⑤游客的一些行为，也是导致水3质恶化的原因之一。比如向水中丢弃垃圾；为了垂钓，向水体撒过多的鱼饵，这些多余的鱼饵也会造成水体的污染，这些种种行为都会严重地污染景观水。不文明的游客随意丢弃的垃圾和杂物。2.城市景观水体的富营养化水体富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养物质，使藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成水质恶化，加速水体老化，使水生生态系统和水体功能受到影响和破坏，影响水资源利用，给饮用、工农业供水、水产养殖、旅游以及水上运输等带来巨大损失，并对人体健康构成危害的现象。水体富营养化分为天然富营养化和人为富营养化。天然富营养化要经过几千年甚至几万年才能完成，而人类经济活动可导致湖泊在几年内就出现富营养化。可见人为富营养化是目前水体富营养化的主要原因。水体中藻类生长离不开碳、氮、磷3种关键元素的存在，而这3种元素也是引起水体富营养化的决定因素。在受氮、磷元素影响的水体中，尤其是封闭水体，藻类会不断大量繁殖，消耗水体中大量溶解氧(DO)，而藻类的死亡和解体又会将从水体中所吸收的氮、磷元素释放回水体，从而造成水体中藻类的恶性循环繁殖。而通过上面介绍的城市景观水体的特点及其污染来源我们可知，水体的富营养化是其受到污染的主要现象。富营养化水体的有效治理已成为迫待解决的重要环境问题。因此,要想保持景观水体的清洁必须控制景观水体的富营养化,3城市景观水体的污染控制城市景观水体的污染控制就是对景观水体的富营养化进行控制，因此需要通过生态护岸、引水暗沟、水面保洁、鱼类控制等措施,杜绝上述污染物进入水体,控制外源污染。对于已经受污染的景观水体,应在有效控制外源性营养物质输入的同时,采取有效的方法,通过控制水体中的COD、BOD5、总氮、总磷的含量而控制藻类的生长,保持水体的洁净。目前,景观水体内源性污染控制和管理措施主要有物理、化学和生物方法。其中，传统的物理化学方法短期效果好，但是其忽略了水生生态系统中生物之间的相互作用，治标不治本。而生物方法中的生物修复技术从生态系统的整体优化出发，逐步修复了受损的生态系统，提高水体的自净能力，改善了水体环境质量，虽然目前生物修复技术大多处于研究阶段，但必将成为将来应用的热点。3.1物理方法景观水体净化的物理方法有机械过滤、疏浚底泥、水位调节、高压放电、超声波等方法，这些方法效果明显，但不易普及，难以大规模实施。过去常用的有疏浚底泥和水位调节两个方法，疏浚底泥是为了抑制泥中氮、磷的释放而污染水4体。定期补水是为了稀释污染物浓度，其主要机理为稀释作用，其并不改变污染物的性质，但可为进一步的净化作用创造条件，如降低有害物质的浓度，使水体其它净化过程尤其是生物净化过程能够恢复正常。定期补充水的处理方法对于较小水面的景观水体来说是一种行之有效的方法。在经济上可行，也达到预期的效果。其中用于处理富营养化水体的物理方法主要是稀释冲刷、深层排水、机械清淤、底泥就地处理和曝气充氧等。这些方法主要存在2个问题:①成本高;②不能从根本上控制水体的富营养化,对防止水体水质变坏及水体富营养化的发生只能起到延缓作用,不能从根本上解决水体水质逐渐变坏的问题。其中,采用曝气的方法给封闭水体充氧在一定程度上可以防止因藻类大量繁殖而导致的鱼类死亡,对维持水体生态平衡起到一定的作用。曝气的方法可以与化学方法或生物处理方法结合应用。3.2化学方法对于湖泊、河道等缓流水体，由于氮、磷等植物营养物的大量排入已经发生富营养化引起水质变臭时，可以采用直接向水中投加化学药剂的方法杀死藻类。然后通过自然沉淀后，清除淤泥层即可达到防止水体富营养化的目的。杀藻常用的药剂有硫酸铜和漂白粉。化学药剂通过破坏某些藻类的细胞壁、细胞膜及其内含物而使其失活甚至解体,从而可杀灭活体细胞。应用除藻剂等化学法的优点是氮、磷及有机碳的去除率较高,一般可达75%～85%,处理效果稳定。但是,在处理过程中使用的化学试剂常引起二次污染,且污泥产量较大,运行费用极高。另外,还可能危害水生生物及人体的健康。因此,使用药剂杀藻需要科学评估。3.3生物方法3.3.1微生物修复生物修复(Bioremediation)是一种利用特定的生物(植物、微生物或原生动物)吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。而微生物修复是生物修复的一类，其基本原理是利用自然界中微生物将环境中的污染物降解或转化为其他无害物质的过程。既调节污染地的环境条件以促使原有的微生物或接种微生物的降解作用迅速完全进行。自然环境中的微生物种群存在着一种动态平衡，可以通过改变环境条件如营养有效性等调节其数量和种群。一般作用于污染物分子的微生物均非单一菌株，而是一类相关的菌株。微生物对污染物的代谢反应有多种形式，既有利于生态系统的，也有不利于生态系统的。微生物修复的基本思想是在人为促进条件下，通过提供氧气，添加氮、磷营养盐，接种经过驯化培养的高效微生物等来强化其修复过程，迅速去除污染物质。目前，水体微生物修复的研究已成为学术界广泛关注的热点问题，正处于相当活跃的发展时期。可以看出利用微生物技术对水体生态环境进行修复将会是21世纪初环5境生物技术的主攻方向之一。成功的微生物修复需具备以下条件：一是目标化合物必须能够被微生物利用，污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质，否则需先行稀释或将该抑制剂无害化；二是必须存在具代谢活性的微生物，这些微生物在降解或转化化合物时必须达到一定的速率，且不会产生有毒物质；三是污染场地或生物反应器的环境条件必须有利于微生物生长或保持活性；四是技术费用必须尽可能低。水体微生物修复的目的，主要表现在利用水体自身及人工添加的外来有益微生物和植物对水体环境中的碳循环、氮循环、磷循环和硫循环进行人为调控，加强水生藻类和植物对水体污染物尤其是碳、氮、磷、硫元素的耐受性，促进其对主要污染物的去除、降解和转化，以达到改善水体污染状况，治理水体富营养化，逐步使水体恢复其自净功能。目前富营养化水体除磷主要指沉淀除磷，而絮凝作用是沉淀除磷中的重要方法。相关的微生物主要有芽孢杆菌、不动杆菌、专性厌氧的脱硫弧菌、假单孢菌、产碱杆菌、黄杆菌、无色杆菌、微球菌、动胶菌等有生物絮凝作用的微生物。微生物在废水处理和固体废弃物处理等环境污染防治中应用广泛,是目前环境生物修复的主要形式。该方法是直接向富营养化景观水体中投入单一、复合微生物或者是商品化的环境生物制剂,利用投加的微生物激活水体中原本存在的可以自净的、但被抑制而不能发挥其功效的微生物,通过它们的迅速增殖,大量吸收转化水体中的氮、磷等盐类,抑制藻类的生长,治理水体的富营养化。对于投菌技术,已有许多关于光合细菌、硝化细菌、芽孢杆菌等以及它们组成的复合微生物改善富营养化水体的研究报道。曹式芳等按1∶1∶1的比例将光合细菌、硝化细菌和复合细菌进行混合,处理富营养化景观水体,结果表明有机物与叶绿素的去除率分别达到60%和90%,含氮化合物的去除率达到50%以上,而且投入微生物可使水体DO值由1mg/L增加到7mg/L。庞金钊等投加光合细菌、硝化细菌、复合菌的混合液对水体浊度的去除率达到88%,并且CODMn、氨氮、叶绿素a等的含量均明显降低。目前,处理效果较好的环境生物制剂。如,美国Alken-Murry公司研制的Clear-Flo系列微生物制剂用于富营养化水体的修复,已有很多成功的案例。1992年美国MoulinVert水渠使用Clear-Flo12003个月,NH4+从0.02mg/L降为0.00mg/L,COD降低了84%,BOD5降低了74%,无毒性检出,连续接种处理几年后,逐渐恢复了水渠的自净容量。从已经尝试进行的水体微生物修复技术的实践经验看，与传统的物理、化学修复技术相比，水体微生物修复技术具有以下优点：费用省，仅为传统环境工程技术的30％-50％；环境影响小，遗留问题少，无二次污染和污染物转移；可有效降低污染物浓度；修复时间较短；操作者与污染物直接接触机会减少，不致对人产生危害；控制操作简单，对周围环境干扰少。6为了克服基因易遗失的问题,提高其降解效率,利用生物工程技术构建的基因工程菌,不仅具有混合菌的功能,而且纯培养菌株要求单一、生理代谢稳定、易于调控,还具有生长繁殖迅速、絮凝性好和高降解活性的优点。构建高效的基因工程菌可显著提高污染物的降解效率,解决生物修复周期长等问题。目前，基因工程菌应用的关键是安全性问题。3.2水生动物修复水生动物以水体中的细菌、藻类、有机碎屑等为食,可有效减少水体中的悬浮物,提高水体透明度。投放数量合适、物种配比合理的水生动物,可延长生态系统的食物链、提高生物净化效果。定期打捞浮游动物和底栖动物,可以防止其过量繁殖造成的污染,同时也可以将已转化成生物有机体的有机质和氮磷等营养物质从水体中彻底去除。石岩等研究了草食性浮游动物水蟤、蚌和螺类及养殖草食性鱼类净化富营养化水体的效果。Gifford等研究了牡蛎对水体中的营养物质和重金属的去除。结果表明,这些水生动物对总氮、氨氮、总磷等几种指标都有很明显的降低作用。同时，鱼是水生食物链的最高级。在水体内利用藻类为浮游生物的食物，浮游生物又供作鱼类的饵料。使之成为菌－藻类－浮游生物－鱼的生态系统。在景观水体内宜于放养的品种应以花鲢、白鲢为主，并配以鳙、草、鲤、罗非鱼等。因此，作为景观水体适量养鱼是一种很好的方法，既有净化水质的作用，同时又能很好的发挥水体的垂钓功能。3.3水生植物修复水生植物修复技术以生态学原理为指导，将生态系统结构与功