生物修復(fù)技術(shù)對水體污染治理的應(yīng)用.doc

生物修復(fù)技術(shù)對水體污染治理的修復(fù)技術(shù) 摘 要 關(guān)鍵詞 生態(tài) 生物修復(fù) 水體污染1. 中國水環(huán)境狀況及危害1.1 中國水環(huán)境狀況 據(jù)2000年統(tǒng)計，我國河流水質(zhì)在11.4萬km評價河長中，符合和優(yōu)于類水的河長占評價河長的58.7%，比上年下降3.7%。在評價的24個湖泊中，9個湖泊水質(zhì)符合或優(yōu)于類水，4個湖泊部分水體受到污染，11個湖泊水嚴(yán)重污染。其中，太湖類水質(zhì)斷面占64%，類水質(zhì)斷面占12%。滇池水質(zhì)劣于類，處于富營養(yǎng)狀態(tài)。在評價的139座主要水庫中，有118座達(dá)到、類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在未達(dá)到類水標(biāo)準(zhǔn)的水庫中，有8座劣于類。在對93座水庫進(jìn)行營養(yǎng)化程度評價時，處于中營養(yǎng)化狀態(tài)的水庫65座，處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的水庫14座。這些情況說明我國江河湖庫水體污染狀況嚴(yán)重，且有明顯惡化趨勢。1.2 水污染的危害(1)危害人的健康水污染后，通過飲水或食物鏈，污染物進(jìn)入人體，使人急性或慢性中毒。砷、鉻、銨類、笨并(a)芘等，還可誘發(fā)癌癥。被寄生蟲、病毒或其它致病菌污染的水，會引起多種傳染病和寄生蟲病。重金屬污染的水，對人的健康均有危害。被鎘污染的水、食物，人飲食后，會造成腎、骨骼病變，攝入硫酸鎘20毫克，就會造成死亡。鉛造成的中毒，引起貧血，神經(jīng)錯亂。六價鉻有很大毒性，引起皮膚潰瘍，還有致癌作用。飲用含砷的水，會發(fā)生急性或慢性中毒。砷使許多酶受到抑制或失去活性，造成機(jī)體代謝障礙，皮膚角質(zhì)化，引發(fā)皮膚癌。有機(jī)磷農(nóng)藥會造成神經(jīng)中毒，有機(jī)氯農(nóng)藥會在脂肪中蓄積，對人和動物的內(nèi)分泌、免疫功能、生殖機(jī)能均造成危害。稠環(huán)芳烴多數(shù)具有致癌作用。氰化物也是劇毒物質(zhì)，進(jìn)入血液后，與細(xì)胞的色素氧化酶結(jié)合，使呼吸中斷，造成呼吸衰竭窒息死亡。我們知道，世界上80%的疾病與水有關(guān)。傷寒、霍亂、胃腸炎、痢疾、傳染性肝類是人類五大疾病，均由水的不潔引起。 (2)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害水質(zhì)污染后，工業(yè)用水必須投入更多的處理費(fèi)用，造成資源、能源的浪費(fèi)，食品工業(yè)用水要求更為嚴(yán)格，水質(zhì)不合格，會使生產(chǎn)停頓。這也是工業(yè)企業(yè)效益不高，質(zhì)量不好的因素。農(nóng)業(yè)使用污水，使作物減產(chǎn)，品質(zhì)降低，甚至使人畜受害，大片農(nóng)田遭受污染，降低土壤質(zhì)量。海洋污染的后果也十分嚴(yán)重，如石油污染，造成海鳥和海洋生物死亡。 (3)水的富營養(yǎng)化的危害在正常情況下，氧在水中有一定溶解度。溶解氧不僅是水生生物得以生存的條件，而且氧參加水中的各種氧化-還原反應(yīng)，促進(jìn)污染物轉(zhuǎn)化降解，是天然水體具有自凈能力的重要原因。含有大量氮、磷、鉀的生活污水的排放，大量有機(jī)物在水中降解放出營養(yǎng)元素，促進(jìn)水中藻類叢生，植物瘋長，使水體通氣不良，溶解氧下降，甚至出現(xiàn)無氧層。以致使水生植物大量死亡，水面發(fā)黑，水體發(fā)臭形成“死湖”、“死河”、“死?！?，進(jìn)而變成沼澤。這種現(xiàn)象稱為水的富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化的水臭味大、顏色深、細(xì)菌多，這種水的水質(zhì)差，不能直接利用，水中斷魚大量死亡。2. 生物修復(fù)的方法與水體凈化機(jī)理2.1生物修復(fù)的概念及方法2.1.1生物修復(fù)的概念 所謂生物修復(fù)就是利用特定的生物，包括微生物（土著微生物或外源微生物）、植物、動物，在一定的條件下進(jìn)行去除或富集環(huán)境污染物，從而達(dá)到對污染環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)或改良的生物過程。 生物修復(fù)又稱生物改良, 是指利用生物的生命代謝活動, 來減少污染環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)的濃度或使其無害化, 從而污染了的環(huán)境能夠部分或完全地恢復(fù)到原始狀態(tài)的過程。生物修復(fù)根據(jù)不同的分類條件有不同的種類: 根據(jù)其所利用的生物種類, 可以分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)、動物修復(fù); 根據(jù)被修復(fù)的污染環(huán)境, 可以分為土壤生物修復(fù)、水體生物修復(fù)和大氣生物修復(fù); 根據(jù)生物修復(fù)的實(shí)施方法, 可分為原位生物修復(fù)和異位生物修復(fù)。 生物修復(fù)始于20世紀(jì)70年代, 在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展。歐洲各發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代中期就對生物修復(fù)進(jìn)行了初步研究, 并完成了一些實(shí)際的處理工程。美國也于1991年開始實(shí)施龐大的土壤、地下水、海灘等環(huán)境危險污染物的治理項(xiàng)目。我國的生物修復(fù)較發(fā)達(dá)國家晚, 處于剛剛起步階段, 并從20世紀(jì)90年代開始顯得尤為重視。目前在海面溢油、河流和湖泊的富營養(yǎng)化、地下水系污染等環(huán)境修復(fù)工程中廣泛應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù), 而其經(jīng)濟(jì)、高效、生態(tài)性等優(yōu)勢也使其在環(huán)境污染的治理中發(fā)揮著更為重要的作用。2.1.2生物修復(fù)的工藝方法 水體生物修復(fù)包含植物修復(fù)、微生物修復(fù)、綜合處理技術(shù)（生態(tài)工程修復(fù)）幾大類，它們之間需要相輔相成。由于水體污染問題產(chǎn)生的原因不同、區(qū)域不同及污染對象不同, 生物修復(fù)技術(shù)在水污染治理方面的應(yīng)用也有很大的區(qū)別。目前, 在水污染治理中常用的生物修復(fù)技術(shù)方法主要包括以下幾個方面:(1) 投菌法: 直接向污染環(huán)境中接入外源的污染降解菌, 以及提供這些菌生長所需的營養(yǎng), 從而達(dá)到降解污染物、凈化環(huán)境的目的。(2) 生物培養(yǎng)法: 為了滿足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要而定期地向污染環(huán)境中投加過氧化氫和營養(yǎng), 以便使污染環(huán)境中的微生物通過代謝將污染物徹底礦化為二氧化碳和水, 從消除污染物, 凈化環(huán)境。（3）植物修復(fù)法: 在污染環(huán)境中栽種對污染物吸收力高、耐受性強(qiáng)的植物, 利用植物的生物吸收及根區(qū)修復(fù)機(jī)理達(dá)到從污染環(huán)境中去除污染物或?qū)⑽廴疚镉枰怨潭ǖ哪康? 凈化環(huán)境。2.2水生生態(tài)系統(tǒng)及其凈化機(jī)理 水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括:構(gòu)成非生產(chǎn)組分的環(huán)境因素，作為生產(chǎn)者的藻類及水生植物，作為分解者的微生物，作為消費(fèi)者的原生與后生動物。（1） 環(huán)境因素 環(huán)境因素包括陽光、水、營養(yǎng)物質(zhì)以及其他各種自然因素。陽光是水生生態(tài)系統(tǒng)最基本和最重要的能源，然而水生植物的光能利用率一班小于1%，水既是水生生物的生存條件，又是生態(tài)系統(tǒng)代謝的介質(zhì)，水生生態(tài)系統(tǒng)的生物化學(xué)反應(yīng)一班均通過水才得以實(shí)現(xiàn)。水體中含有中有機(jī)、無機(jī)組分，這些組分是水生生物生存必不可少的物質(zhì)，同時也是造成水生生態(tài)系統(tǒng)之間差異的重要因素 （2）藻類及水生植物 藻類及水生植物均為水生生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者。作為水生生態(tài)系系統(tǒng)最初級的生產(chǎn)者，藻類通常具有很高的生產(chǎn)能力；水生植物是水生生態(tài)系統(tǒng)污染凈化的主體。衡量一種植物是否具有驅(qū)除污染物的能力，取決于他的凈化效率、對污染適應(yīng)能力、生長速度、是否具有綜合利用價值等因素。常見的具有凈化功能的水生維管束植物有26種，分屬蕨類植物和被子植物2門18科。（3）微生物 在水生生態(tài)系統(tǒng)的凈化功能中微生物起著最為主要的作用，他將水體中的污染物、生產(chǎn)者和消費(fèi)者的排泄物及其尸體等有機(jī)物分解，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)物，并從中獲取自身生長的營養(yǎng)物質(zhì)。（4）水生動物 水生動物主要是浮游動物、魚和其他水生動物。浮游動物是藻類和水體最終消費(fèi)者-魚類之間的中間環(huán)節(jié)，污染水體中常見的細(xì)菌種類可分為原生與后生動物。原生動物。原生動物是最低等的點(diǎn)細(xì)胞動物，其個體長度一般在100300m。原生動物在生理上是一個完善的有機(jī)體，與眾多細(xì)胞動物一樣具有呼吸、排泄、生殖等功能。后生動物。后生動物為多細(xì)胞動物，水體中常見的有輪蟲、甲殼類動物、水生昆蟲。水體中其他的動物（如軟體動物等），出兌污染物具有一定的同化作用外，尚可用以作為水體污染的指示生物。3. 生物修復(fù)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用3.1日本坂川古崎凈化場 位于日本江戶川支流坂川古崎凈化場，是采用生態(tài)生物方法對河道大水體進(jìn)行修復(fù)的典型工程，從1993年投入運(yùn)行至今已有8年的運(yùn)行歷史，觀測結(jié)果表明，河道污染水體的水質(zhì)有了明顯改善。江戶川是日本東京都和千葉縣附近的主要河流，從河道中引出70m3/s的流量為該地區(qū)城市、農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水，其中城市供水占60%。靠江戶川下游的金町、古崎和栗山三個水廠為630萬人供水。坂川是江戶川的一條支流，在金町等三個水廠上游附近匯入江戶川。由于坂川河道治理不力，大量生活污水排入坂川，致使水質(zhì)惡化，BOD等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，同時浮游植物繁殖迅速。坂川水質(zhì)惡化，直接對金町等三個水廠構(gòu)成威脅，居民對飲用水味道不佳多有怨言。為治理坂川，采取工程設(shè)施將坂川改道，先流入古崎凈化場。經(jīng)過古崎凈化場后，坂川的污染減少了60%70%，處理過的河水流入稱為松戶川的新開人工渠道，然后注入江戶川。古崎凈化場是利用卵石接觸氧化法對水體進(jìn)行凈化。古崎凈化場建在江戶川的河灘地下，充分節(jié)省了土地，是地下廊道式的治污設(shè)施。凈化場結(jié)構(gòu)十分簡單，主體結(jié)構(gòu)是高4.5m、長28m的地下矩形廊道，內(nèi)部放置直徑1540cm不等的卵石。用水泵將河水泵入柵形進(jìn)水口，經(jīng)導(dǎo)水結(jié)構(gòu)后水流均勻平順流入廊道。另外有若干進(jìn)氣管將空氣通入廊道內(nèi)。凈化作用主要由以下三方面組成：接觸沉淀作用：污水經(jīng)過卵石與卵石間的間隙，水中的漂浮物觸到卵石即沉淀；吸附作用：由于污染物自身的電子性質(zhì)，或由于卵石表面生物膜的微生物群產(chǎn)生的黏性而產(chǎn)生吸附作用；氧化分解作用：卵石表面形成一種生物膜，生物膜的微生物把污染物作為食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。通過凈化場后，水質(zhì)明顯提高，效果十分顯著，見表1。其中BOD反映有機(jī)物的含量；SS反映浮游于水中的固體物，造成水體渾濁；2-MIB反映水中藍(lán)藻類物質(zhì)，藍(lán)藻類異常繁殖是造成水體腐臭的主要原因。坂川的河水經(jīng)改道注入古崎凈化場后，清潔的水流入新開的人工渠道松戶川。其設(shè)計理念頗有新意，它一改傳統(tǒng)設(shè)計形式，不采用混凝土或塊石襯砌的直線渠道，而以微彎曲的河道形態(tài)，岸坡間有大小卵石，植有繁茂的蘆葦和其他植物，適于鯽魚、魚等魚類生長，兩岸種植樹木，適于鳥類棲息。這種環(huán)境不但可以為居民提供一個與自然相融合的休閑環(huán)境，而且對水體也能起進(jìn)一步的凈化作用。松戶川注入江戶川后，大大緩解了江戶川的環(huán)境壓力。3.2日本渡良瀨蓄水池的人工濕地渡良瀨蓄水池位于日本櫪木縣，是一座人工挖掘的平原水庫，總庫容2640萬m3，水面面積4.5km2水深6.5m左右。平時為茨城縣等6縣市64萬人口供水，日供水量21.6萬m3。蓄水池周圍是渡良瀨川的滯洪區(qū)，汛期蓄水池能提供1000萬m3的調(diào)洪庫容。隨著近年來上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入，渡良瀨蓄水池出現(xiàn)霉臭等水質(zhì)問題。為保護(hù)蓄水池的水質(zhì)，自1993年起在蓄水池一側(cè)滯洪洼地上建人工濕地，這是一座設(shè)有人工設(shè)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(dá)到對水體進(jìn)行自然凈化的目的。這種凈化過程循環(huán)進(jìn)行，確保蓄水池水質(zhì)潔凈，類似醫(yī)學(xué)上的對病人血液體外透析處理。蘆葦具有很好的凈化功能，污染物與其莖部接觸產(chǎn)生沉淀作用，蘆葦?shù)母颗c莖部可吸收某些污染物。另外，附著在莖部上的微生物可對污染物產(chǎn)生吸附分解作用。渡良瀨人工濕地在蓄水池出水口建高3.5m、寬40m的充氣式橡膠壩，用以控制出水口。水流經(jīng)引水渠到達(dá)設(shè)于地下的泵站。其所以設(shè)于地下，是為滿足景觀的要求。泵站安裝單機(jī)流量為1.25m3/s的兩臺水泵水體加壓后流入箱形涵洞再流入蘆葦蕩。蘆葦蕩占地20hm2，最大凈化水體能力為2.5m3/s。水流在蘆葦蕩中蜿蜒流動，以增加凈化效果，遂從出口匯入集水池，再回到蓄水池，完成一次凈化循環(huán)。人工濕地內(nèi)主要種植蘆葦，高23m。此外，還種植同屬稻科的荻，高為1.02.5m。人工濕地建成后，不僅水質(zhì)得到改善，動植物的生態(tài)系統(tǒng)也得以極大改善，生物多樣性有所恢復(fù)，見表2。該人工濕地已經(jīng)成為日本最大的蘆葦蕩，也成為對居民、兒童進(jìn)行環(huán)保及愛水教育的場所。為凈化渡良瀨蓄水池的水體，還在蓄水池中部建一批人工生態(tài)浮島，種植蘆葦?shù)戎参铮涓蹈街⑸?，可提供充足氧氣，并通過遷移、轉(zhuǎn)化水中的氮、磷等物質(zhì)，降解水中有機(jī)質(zhì)。浮島還設(shè)置為魚類產(chǎn)卵用的產(chǎn)卵床，也為小魚設(shè)有棲身地，水中的浮游植物成了魚餌。人工生態(tài)浮島保證了蓄水池水質(zhì)的潔凈。3.3韓國良才川水質(zhì)生態(tài)生物修復(fù)設(shè)施良才川是漢江的一條支流，位于漢城的江南區(qū)。由于河流地處住宅區(qū)，加之治理不善，良才川的水質(zhì)受到較大污染，也影響了漢江的水質(zhì)。1995年起主要采用生態(tài)生物方法治理良才川。水質(zhì)凈化設(shè)施主體是設(shè)于河流一側(cè)的地下生態(tài)生物凈化裝置。采用卵石接觸氧化法，即強(qiáng)化自然狀態(tài)下河流中的沉淀、吸附及氧化分解現(xiàn)象，利用微生物的活動將污染物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。凈化設(shè)施日處理能力為32000t。凈化的工作流程如下：攔河橡膠壩（長18m、高1m）將河水?dāng)r截后引入帶攔污柵的進(jìn)水口，水流經(jīng)過進(jìn)水自動閥，經(jīng)污物濾網(wǎng)進(jìn)入污水管，污水管連接有座污水孔墻，污水孔墻兩側(cè)各有一座接觸氧化槽（長20m、寬13.6m、高14.8m），共有8座。污水從孔墻的孔中流入接觸氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通過氧化槽得到凈化后分別流入座清水孔墻，再匯集到清水出水管中，由清水出口排入橡膠壩下游。污水在接觸氧化槽內(nèi)被凈化產(chǎn)生的主要作用是：接觸沉淀、吸附和氧化分解作用。與上述日本古崎凈化場相比，這種凈化裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是幾乎不耗能，運(yùn)行成本很低。該設(shè)施建成至今已6年，治污效果顯著。 除接觸氧化槽以外，良才川的環(huán)境治理工程還包括恢復(fù)河流自然生態(tài)的方法，即用石塊、木樁、蘆葦、柳樹等天然材料進(jìn)行護(hù)岸，形成類似野生的自然環(huán)境，同時種植菖蒲等植物，恢復(fù)魚類棲息環(huán)境，適于鱖魚等魚類生長，也為白鷺、野鴨等禽類群落生存創(chuàng)造條件，又開辟散步、騎自行車小路和木橋等，為居民提供與水親近的自然環(huán)境。4. 生物修復(fù)技術(shù)的展望大量的實(shí)驗(yàn)與例證可證明生物修復(fù)的效果明顯優(yōu)于物理、化學(xué)方法。利用生物修復(fù)技術(shù)具有以下特點(diǎn):(1) 投資成本低, 處理效果好。許多例子證明, 生物修復(fù)這種利用動、植物等的代謝活動所進(jìn)行的環(huán)境污染治理方法不僅投資成本低而且處理效果好, 比利用物理、化學(xué)方法治理污染具有更高的經(jīng)濟(jì)性、成功性和安全性。(2) 無二次污染, 環(huán)境安全性高。生物修復(fù)技術(shù)是利用特定的生物(植物、微生物或原生動物)降解、吸收、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移環(huán)境中的污染物。利