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生物技术论文:浅析水库湖泊富营养化防治中的生物控藻技术的应用
作者:管理员    发布于:2020-07-28 13:39:09    文字:【】【】【
摘要:水体富营养化主要是由于人为原因导致水体中氮、磷等营养元素远远超过水体的自净能力,从而在水体中富集,水体中的藻类因为有了丰富的营养物质得以急剧增长,细菌也大量繁殖。

       中国是一个多水库湖泊国家,水库湖泊在供水、防洪、航运、旅游景观及维系生态平衡等方面发挥着巨大作用。近20年来,中国的水库湖泊富营养化严重。《2018中国水资源公报》显示,2018年,对124个湖泊共33 000 km2水面进行了水质评价,Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类、劣Ⅴ类湖泊分别占评价湖泊总数的25.0%、58.9%和16.1%,主要污染项目是总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。121个湖泊营养状况评价结果显示,中营养湖泊占26.5%,富营养湖泊占73.5%。对1 129座水库进行了水质评价,Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类、劣Ⅴ类水库分别占评价水库总数的87.3%、10.1%和2.6%,主要污染项目是总磷、高锰酸盐指数和五日生化需氧量等。1 097座水库营养状况评价结果显示,中营养水库占69.6%,富营养水库占30.4%。湖泊水库水多为水源水,且流动性小、储存时间长,一旦富营养化将会很难治理。本文对湖库区水源地的富营养化生物防治方法研究进展进行归纳总结,以期为湖库区的藻类预防与控制工作提供一定帮助。

  1 、富营养化的危害

  水体富营养化主要是由于人为原因导致水体中氮、磷等营养元素远远超过水体的自净能力,从而在水体中富集,水体中的藻类因为有了丰富的营养物质得以急剧增长,细菌也大量繁殖。急剧增长的藻类在水面越积越厚,一部分被压在水面以下,由于缺乏阳光的照射而死亡。死亡的藻类为水中菌类提供营养,为菌类的繁殖创造条件,菌类的生长不断消耗氧气,随着水中氧气减少,水质不断恶化,鱼类和其他水生生物大量死亡。水体富营养化造成藻类的大量繁殖,会使得水体透明度降低,溶解氧下降,大量的藻类和菌类的死亡,若不及时处理,会产生腥臭异味。研究表明,当蓝藻大量繁殖,死后其蛋白质分解释放出的毒害作用仅次于二恶英的藻毒素羟胺、2-甲基异冰片、硫化氢等有毒有害物质,可造成水体生物大量死亡。同时,水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害到水生生物[1]。水体富营养化会严重破坏水体的生态平衡。因此,水体富营养化发生在水源地会带来很大的危害,会给水源地湖库的水质维护增加成本投入,会因管道腐蚀堵塞等问题而导致供水成本增加,严重的将直接影响饮用水质安全。

  2 、控藻技术

  目前,湖库区富营养化的防治措施有很多,概括起来主要有物理法、化学法和生物法。物理法有底泥疏浚、深层曝气等,该类方法效果显着、无污染,但是周期较长、工程量较大、经济成本过高,实际应用较困难。化学法主要原理是投加化学试剂,将水中的氮、磷等营养元素形成沉淀,对于富营养化特别严重的水体则是投加除藻剂。化学法速度快、效果明显,但是化学试剂用量不好控制,容易残留造成二次污染,对于水源地水体不适宜使用。生物法则是利用生态系统食物链摄取原理和生物相生相克关系来控制或抑制藻类水华,从而达到控制水体富营养化的目的[2]。生物法虽然周期长、效果缓慢、不易调控,但是只需一次投入,运行管理简单,没有二次污染等生态风险,所以这类方法广受关注,也更适合应用于水源地控藻。生物方法主要有生态浮岛控藻、滤食性鱼类控藻、微生物控藻等技术。
 

湖库区富营养化防治中的生物控藻技术
 

  2.1、 生态浮床控藻

  生态浮床是利用无土栽培技术原理,以水生植物为主体,以高分子材料等为载体和基质,通过水生植物的根系对污染物质的吸收,对附着在根系周围的生物膜和细胞外酶对水体中污染物的降解,达到进化水质的目的,同时营造景观效果。陈建军等[3]通过仿真人工浮床在典型水库水环境中对4种植物进行了为期2个月的筛选研究,结果表明,皇冠草、铺地黍、海滨雀稗3种植物能较好地解决水库富营养化问题。皇冠草去除富营养物质效果最佳,可以使30 L水库水总氮减少0.67 mg/L,总磷减少0.018 mg/L。郑红芳等[4]利用人工浮床进行小型池塘水质净化实验,结果表明,栽植面积为10%时,黄花鸢尾的根系能够明显吸收和吸附水中有机物和氮磷等,对水中藻类的爆发也有明显的抑制作用,使得核心保护区水质始终处于富营养化水平之下。李华等[5]研究了静态条件下及不同水力负荷下,种植黄菖蒲的生态浮床与人工湿地的净水效果,试验期间进水高锰酸盐指数、TN、TP、NH4+-N平均质量浓度分别为4.74 mg/L、2.92 mg/L、0.26 mg/L、1.77 mg/L。结果表明,在静态条件下黄菖蒲生态浮床对污染水体具有较好的去除效果,高锰酸盐指数、TN、TP去除率分别为37.6%、89.9%和65.5%。与3种水力负荷0.035 m3/(m2·d)、0.06 m3/(m2·d)、0.12 m3/(m2·d)相比较,0.035 m3/(m2·d)水力负荷下,生态浮床对TP、NH4+-N、TN、高锰酸盐指数的去除率较好,分别为87.4%、66.8%、77.1%、21.16%。方媛媛等[6]认为生态浮岛作为一种生态修复技术已广泛用于治理富营养化水体。该技术不但有净水作用,还有一定的观赏价值。

  生态浮床技术经过多年的实践已经较为成熟,在国内外富营养化水体的防治中得到广泛应用,且效果良好,但是应用于水源地水体依然存在问题和不足,即水源地所需处理的水量大,水力负荷很高影响处理效果;水源地有机物营养盐含量低不利于植物生长;植物生长受温度影响较大,低温下处理效率低等。这些问题仍需要进一步研究解决。

  2.2、 生物操纵技术控藻

  SHAPIRO等首先提出了“生物操纵”的概念,定义为“通过一系列湖泊中生物及其环境的操纵,促进一些对湖泊使用者有益的关系和结果,即藻类特别是蓝藻类的生物量的下降”。研究者又区分为两类,分别是经典生物操纵和非经典生物操纵。经典生物操纵是指通过改变捕食者的种类组成或多度来操纵植食性的浮游动物群落的结构,促进滤食效率高的植食性大型浮游动物,特别是枝角类种群的发展,进而降低藻类生物量。非经典生物操纵是利用滤食性鱼类(主要有鲢鱼、鳙鱼、罗非鱼等)来直接摄食藻类。

  郑君等[7]通过分析调蓄水库鱼种及其食性分析,采用非经典生物操纵技术,有针对性地选择滤食性鱼类,如投放鲢、鳙和草鱼3种鱼类,投放比例为2∶2∶1,鲢鳙鱼投放密度为10 g/m3,鱼苗1~2龄,投放时间为每年的4—5月上中旬。结果表明,该方法对夏季高温期调蓄水库中的优势种属微囊藻的控制效果明显,藻类含量可以控制在每升2.0×107个左右,去除率可达到45%~50%,每年可节约费用16万元。贾柏樱等[8]在预沉池中采用放养鲢鱼的生物操纵技术可高效、稳定地控制藻类数量,并对原水浊度、氨氮起到稳定作用,在高藻期还可降低原水CODMn、总磷浓度等。采用生物除藻技术,再联合常规处理工艺除藻,可以使藻类得到较彻底的去除。特别是对于以蓝藻为优势种的夏季原水,该联合技术的效果更为明显。陈来生等[9]对千岛湖水域实施养殖式围隔,每年投放大规格鲢鳙鱼种5.0×105 kg以上,计1 000万尾,密度达到8.5 g/m3,同时对网围养殖区域实施禁渔,经3年试验,水华未再出现。

  经典的生物操纵方法主要是利用浮游动物控制藻类,所以多运用于小型的、封闭的浅水水体。非经典生物操纵核心是利用鱼类控藻,对于蓝藻水华控制效果较好,但是很难控制所有的藻类,且对于鱼类的种类和密度也难以控制。

  2.3、 微生物控藻

  微生物控藻技术是通过微生物直接或间接杀死藻类,溶解藻细胞,从而改善水质。吕乐等[10]在北京市延庆县妫水现场围隔水体中,通过投加由芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌和沼泽红假单胞菌组成的环境有效微生物菌剂(EM菌剂)治理蓝藻水华污染的效果进行了研究。实验结果表明,EM菌剂可以快速降低蓝藻数量,使蓝藻生物量减少55%以上,还可以降低氮磷营养元素含量,从而控制蓝藻水华的发展。孔赟等[11]利用前期分离获得的溶藻菌Streptomyces sp.HJC-D1研究固定化微生物技术强化污染水源水除藻以及脱氮性能。结果表明,对照组和试验组的水体叶绿素a平均去除率分别为(71.66±5.35)%和(80.94±4.36)%,NH4+-N的平均去除率为(77.76±2.83)%和(72.36±3.18)%。国内外对微生物溶藻的研究已取得一定成果,并且逐步向溶藻活性物质分离、提纯和结构鉴定等研究方向发展[2]。

  微生物溶藻技术目前多停留在实验室阶段,缺乏实际大规模应用实例。新的微生物物种的引进对原有水体生态平衡的安全影响不可控的因素导致该种方法有一定限制。

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脚注信息

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