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1、第八章 污染湖泊的生物修复,我 国湖泊共有2759个，总面积达91019 km，占国土面积的95，其中约三分之一为淡水湖泊，主要分布在东部沿海与长江中下游地区，占全国淡水湖泊总数的60，且绝大多数为浅水湖泊.湖泊地处东南沿海或长江中下游平原地区，人口稠密、经济发达，加上近年来欠适当的人类活动方式，极大地改变了自然湖泊生源要素的循环规律，这些湖泊中多数已经富营养化或正在富营养化中 湖泊生态系统结构和功能退化，蓝藻水华频繁暴发，水质性缺水日趋严重，并造成巨大经济损失,湖泊污染特点,湖泊污染来源广、途径多、种类多湖水稀释和运移污染物质能力弱湖泊对污染物质的生物降解、积累和转化能力强,第八章 污染湖泊
2、的生物修复,目前，我国80%以上的湖泊受到污染，而污染的主要特征是由人类经济活动引起的人为富营养化。削减湖泊水体氮、磷及有机碳负荷的技术途径除了消除点源（截流污染源并施行清污分流）、减少和控制面源污染这类最基本的途径外，最常见的有机械清淤法，另外引水冲洗和生物修复法也是有效的方法。湖泊生物修复包含微生物修复、水生植物修复、生态修复几大类，它们之间相辅相成，不可弃一，才能获取总体治理效果。,富营养化的微生物修复,富营养化的水生植被修复,富营养化湖泊的生态修复,底泥环境疏浚修复,第八章 污染湖泊的生物修复,第一节 富营养化的微生物修复,曝气修复,投菌剂修复,一、深水曝气修复,（一）原理,1、深水曝
3、气（aeration in deep site）有三个目的。第一，在不改变水体分层的状态下提高溶解氧浓度。第二，改善冷水鱼类的生长环境和增加食物供给。第三，改底泥界面厌氧环境为好氧条件，降低内源性磷的负荷。其它附带的目的或者效果包括降低氨氮、铁、锰等离子性物质的浓度。,曝气设备,机械搅拌,深水抽取回灌,注入纯氧,注入空气,应用并不曾遍，主要原因是空气传质效率比较低，成本比较高,能大幅度提高传质效率，但易引起深层水与表层水混层,成本最低而效果最好,应用得最多,空气全部提升,空气部分提升,2、曝气设备分类,二、投菌法,（一）有效微生物修复,有效微生物（effective microorganism
4、s，EMs）是由乳酸菌、酵母菌、放线菌、光合细菌等四大类80余种微生物组成的复合菌剂的统称。1998年46月投加的制剂达到湖水菌剂浓度187 mg/L，均匀投加60个固定了高浓度EM的泥球。从投菌之日起经75d，湖水透明度从原来的 0.09 m提高到0.48 m，提高了433%；此后停止投菌45d，透明度回落到0.3 m。可喜的是停止投菌后，尽管各项指标有所反弹，但再未见“水华”发生。所以，从这个案例看EM修复华南植物园人工湖泊富营养化是有效的。,二、投菌法,（二）Clear-Flo系列菌剂修复,治理后BOD5下降97%，COD下降85%，SS总量下降98%，磷酸盐下降69%。,第二节 富营养
5、化的水生植被修复,一、湖泊水生植被修复的意义,湖泊水生植被（aquatic vegetation）由生长在湖泊浅水区和湖周滩地上的沉水植物群落、浮叶植物群落、漂浮植物群落、挺水植物群落及湿生植物群落共同组成，这几类群落均由大型水生植物组成，俗称水草。,湿生植物群落,挺水植物群落,浮叶植物群落,漂浮植物,漂浮植物,沉水植物群落,水草茂盛则水质清澈、水产丰盛、湖泊生态稳定，水草缺乏则水质浑浊、水产贫乏、湖泊生态脆弱。,水生植被修复,强化自然水生植被修复,人工重建水生植被修复,通过对湖泊环境的调控来促进湖泊水生植被的自然恢复,对已经丧失了自动恢复水生植被能力的湖泊，通过生态工程途径重建水生植被,水生
6、植被修复分类,1挺水植物：即植物的根、根茎生长在水底泥中，茎、叶挺出水面者。常分布于0-1.5米的浅水处，其中有的种类生长于潮湿的岸边，因此又有诏生植物之称。当水位下降时，植物体完全露出水面后，仍能生长很好；但当水位升高时，植物体被淹没，则不能生存。在水深1.5米以内的小水体，这类植物常可长满整个水面；在较深的水域，多分布于浅滩。常见有：芦、蒲草、荸荠、莲、水芹。,二、水生植被的生态学特性,2.浮叶植物：根生泥中，叶具长柄浮于水面，时常有异叶现象，即有漂浮叶与沉水叶之分。沉水叶的特征与沉水植物相同；漂浮叶叶柄长，植物体水生性较强，常间杂在挺水植物的群落中，在无挺水植物的地方，形成明显的群落。分
7、布区域一般达水深3米处。常见的浮叶植物有菱、睡莲、水葵等。,二、水生植被的生态学特性,3.沉水植物：根生泥中，植物体沉没水中，一般分布在6米左右的水深中。这类植物受透明度影响较大，透明度愈大，分布也就愈深。因此，一般植物在失水后很快就会枯死。有些种类在开花时可以挺出水面，或漂浮于水面。典型的沉水植物为眼子菜属和茨藻属的种类；此外，聚草、轮叶黑藻等也是常见种类。,二、水生植被的生态学特性,4漂浮植物：这类植物的根多退化或完全没有根，整个植物体漂浮于水面。植物体的细胞间隙非常发达或者具有气囊，以增加浮力。漂浮水面的种类，它的叶（或茎）有浮叶植物的特征；完全沉没水中的种类，它的叶有沉水植物的特征。种
8、类有：芜萍、紫背浮萍、水浮莲等。,二、水生植被的生态学特性,5湿生植物：生长在过度潮湿环境中的植物。抗旱能力小，不能长时间忍受缺水。生长在光照弱、湿度大的森林下层，或生长在日光充足、土壤水分经常饱和的环境中。前者如热带雨林中的各种附生植物（蕨类和兰科植物）和秋海棠等；后者如红 蓼、毛茛、灯心草和半边莲等。,二、水生植被的生态学特性,红 蓼,红 蓼,1、初级生产力;2、对湖水具有净化作用，降低湖水营养水平3、抑制藻类生长，提高水体透明度4、水生植物能为其它生物提供栖息环境，从而有利于生物多样性和系统的稳定性5、水生植物对湖泊生态系统演替的作用,三、水生植被在湖泊生态系统中的功能,四、水生植被修复
9、的优化设计,建立什么样的水生植被？,多大的面积比例比较适宜？,在湖泊内怎样分布较为合理？,水生植被的优化设计,解决,（一）优化设计基础,1、由湖盆形态、底质条件和水文条件决定的水生植被面积、类型和分布格局2、强烈的风浪扰动能决定水生植被的分布格局和面积3、水质和湖水透明度是决定水生植物分布深度和面积的重要因素4、人类需求是决定水生植被类型、面积和分布格局的主导因素（调蓄型湖泊水、源型湖泊、运动娱乐型湖泊、观光游览型湖泊）5、水质保障的营养平衡和生态平衡原则,（二）优化设计,适应性原则 本土性原则强净化能力原则 可操作性原则,根据上述基本原则，并在广泛调查的基础上，结合原有水生生物种类，进行恢复
10、先锋种的选择。近年来国内外有关水生植物的生理生态特性及其在湖泊治理中的许多研究为物种选择提供了可能（表8-1）。,1、先锋物种的选择,（1）物种选择原则,（2）确定植物种类,表8-1 水生植物综合功效分析表,表8-1 水生植物综合功效分析表,2、群落配置,群落配置：人工植物群落的构建主要包括（水平空间配置、垂直空间配置）两个方面的内容。,（1）水平空间配置：,水平空间配置：湖泊不同的受污水域或湖区上配置不同的植物群落。依据恢复目标的不同，所配置的植物群落可分为生态型植物群落和经济型植物群落。,污染重,污染轻,生态型植物群落,以水体污染的治理、污水净化、促进生态系统的恢复为主要目标，注重群落的生
11、态效益，其建群种一般为耐污、去污能力强、生长快、繁殖能力强、环境效益好的物种,经济型植物群落,推动流域经济发展；顺应地方的需求为目的，注重群落经济效益的发挥，建群种一般为经济价值较高、有特殊用途、具一定社会经济效益的物种。,（2）垂直空间配置,在进行群落的配置时，需考虑湖区的水质、水深、底质因素等条件,五、水生植被修复的技术途径,（一）修复水生植被基本条件的创建,1、蓝藻水华的控制2、风浪的控制3、沿岸带浅滩环境的创建4、污泥的清除5、水深的调控6、水质的改造,（一）修复水生植被基本条件的创建,1、蓝藻水华的控制 影响水体透明度危害 分泌毒素 依附植物体根系,妨碍其生长 全湖性控制 小型湖泊
12、控制类型 控制局部湖区的蓝藻利用围隔技术 控制技术通常有机械捕捞、生物控制、药物控制,（一）修复水生植被基本条件的创建,2、风浪的控制风浪的危害,直接效应 植物的机械损伤,间接效应 沉积物再悬浮、再释放,在小型湖泊用水花生网制成的大型“浮毯式”消浪带。在大型湖泊可以将水花生网制成小型“浮毯”，将众多的消浪“浮毯”以弹性方式固定在水生植被恢复区外侧，组成阵列。,风浪的控制,（一）修复水生植被基本条件的创建,3、沿岸带浅滩环境的创建 水生植物的稳定生存是离不开浅滩环境的。挺水植物和浮叶植物只有在浅滩上能够生存。退垦还湖创建途径 湖泥围埝 泥土围埝,（一）修复水生植被基本条件的创建,4、底泥的控制,
13、底泥,有利：是湿生植物、挺水植物的生长基质，有固定作用不利：随时向环境释放污染物，有机物含量高、易形成厌氧环境，不利于植物生长,处理方法：底泥清挖,（一）修复水生植被基本条件的创建,5、水深的调控,控制在1m以内将有利于沉水植物的成活和群落的发育。,（一）修复水生植被基本条件的创建,6、水质的改造水质改造一方面可以提高潮水的透明度，改善水下光照条件，另一方面可以降低湖水中有机污染物的含量。,（二）恢复水生植被的技术途径,恢复水生植被是一个从无到有、从有到优、从优到稳定的逐步发展过程，其中包含了水生植被与环境的相互适应、相互改造和协同发展。,3、沉水植物的恢复,重点和难点,水深和水下光照条件、底
14、床硬度选不同先锋种,对湖水水质和透明度要求不严，可以直接进行目标种的种植或栽植。,无须任何演替过程，在确定目标植被的空间分布和种类组成之后，可以直接进行种植,1、挺水植物的恢复,2、浮叶植物的恢复,四、水生植被的收割利用,采用水生植被修复富营养化水体时，必须及时收割水生植物。收割可以去除多余的或者不需要的水生植物，控制水生植物可能对环境产生的不利影响。一般的步骤包括收割、收集、加工储存、运输到岸边、处置或利用等。主要利用途径包括动物饲料、鱼饵料、能量来源如产沼气、堆肥作为土壤调节剂或者肥料添加剂等。收割的优点是见效迅速，而且收割不同于使用灭草剂，不会对水环境产生不利的影响。但是，收割的植物必须
15、收集起来，避免产生腐败分解，败坏水体。对于大面积水生植物控制，设备投资可能比较大，收割可能不经济，也不容易做到。,第三节 富营养化湖泊的生态修复,最早由Shapiro提出，就是用调整生物群落结构的方法控制水质。,一、生物操纵的基本概念（biomanipulation）,调整鱼群结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而控制藻类的过量生长。,主要原理：,在湖泊中投放、发展某些鱼种，而抑制或消除另外一些鱼种，使整个食物网适合于浮游动物或鱼类自身对藻类的牧食和消耗，从而改善湖泊环境质量。,鱼群结构调整的方法,参与生物操纵的生物成员,水生食物链模式,肉食性鱼 类,浮游动物食性鱼类,浮游动物,藻类,氮、磷
16、营养物,再循环,底食性鱼 类,草食鱼类,水生植物,浮游植物食性鱼类,EMs微生物,食物竞争,生物操纵则强调对种群及其生境的调控，主要是控制藻花的发展，防止水体发生富营养化，没有涉及系统的协调、物质的循环再生与多级利用问题，因此生物操纵的范围较窄,生物操纵与生态工程的区别,相同点：都是研究对生态系统的优化管理技术与方法,生态工程强调的是通过不同营养级生物的调整组合，使生态系统结构功能趋于协调，最大限度促进物质的循环再生和多级利用，达到防治污染、化害为利、促进经济持续发展的目的,不同点：,生 物 操 纵 途 径,投放植物病原体和昆虫,投加细菌微生物,投放微型浮游动物,水生植被管理,投放肉食性鱼类,
17、人为去除鱼类,二、生物操纵途径,1、人为去除鱼类（重建鱼群结构）,先将湖泊中的鱼类全部捕出或用鱼藤酮杀灭后，重新投放以肉食性鱼类为主的鱼类群落，控制浮游生物食性鱼类，保护浮游动物，进而控制藻花的发生。,注意：鱼藤酮除无选择地杀死鱼类以外，也能毒杀蚤类，产生负效应，一般不宜采用。在我国浅水湖泊中应用密网的捕捞方法基本上可以达到控制鱼类种群数量的目的。,2、投放肉食性鱼类（改建鱼群结构）,引入肉食性鱼类控制浮游生物食性鱼类，进而促进大型浮游动物发展，借以抑制藻花发生，是生物操纵的主要途径之一。许多实验表明这种方法对改善水质有明显效果。,河鲈、北方狗鱼、虹鳟和大嘴黑鲈等,3、水生植被管理,国内外应用
18、草鱼控制水草的工作做的很多，大部分都证明有效，而且费用低、长期有效，对环境无害。草鱼成鱼专吃水草，食量大，生长快，喜温性，耐低氧，是控制水草疯长的优良鱼种。,应用草鱼控制水草关键是放养量,4、投放微型浮游动物,微型动物直接以藻类为食，通过投放微型浮游动物，能够抑制藻类的疯长。微型动物通常在专用的水池中，通过人工培养液，大量快速繁殖，然后直接投放目标水域中。主要内容包括食藻微型动物的大规模培养条件、捕食速率、投加数量和方法等。目前主要限于实验室规模的研究,5、投加细菌微生物,投加预先培养的细菌微生物，能够迅速吸收和转化水体中高浓度的氮磷污染物质，抑制藻类的“疯长”。这些细菌一般都是专一性地或者说
19、有选择性地，不影响其它动物群落和植物群落，不破坏水质和设备。目前的研究主要局限于实验室，现场实验很少。,6、投放植物病原体和昆虫,投放植物病原体和昆虫是一种有效地控制水生植物的方法。优点：植物病原体多种多样包括病毒、病菌、真菌、支原体和线虫等等，多达10万余种，而且大多数是有针对性的，容易散播，自我繁殖维持。,1、成功的生物操纵需要考虑的条件,水体小，大约4hm2；水浅，最深不超过4m，均深1m；水的滞留时间30d以内，防止一些生长慢的藻类（如束丝藻、颤藻）的发展；一半以上底部为水草覆盖；未形成蓝藻水华，优势藻类是栅藻、小球藻或小环藻、针杆藻以及隐藻；有鱼类生存，易于人为控制；浮游动物主要由蚤
20、属占优势。,三、生物操纵问题与展望,2、目前，生物操纵研究方向,（1）研究水质和渔业生态学之间的关系。管理大型鱼食性鱼类是生物操纵的关键因素。食物网不稳定的湖泊中鱼类资源和营养盐负荷能力变化较大，需要研究渔业生态学与湖沼学之间的相互作用，研究在保护水域环境质量的前提下如何适度发展渔业；（2）研究沿岸带生态学和敞水区食物网之间的关系。在浅水湖泊，去除鱼类，改善水质，沉水植物得到发展；沉水植物发展后，隐蔽的鱼类消灭浮游动物的牧食，恶化水质，又减少沉水植物。生物操纵或水生植物管理都可引起大型植物与藻类优势状况之间的突然改变。需要进一步了解水生植物、渔业和浮游植物管理与湖泊恢复之间的作用。,第四节 底
21、泥环境疏浚修复,一、底泥对湖泊的潜在污染,湖泊污染底泥是湖泊污染的潜在污染源，在湖泊环境发生变化时，底泥中的营养盐会重新释放出来进入水体。因此，国内外都采取多种方法对污染底泥采取工程措施，对城市附近污染底泥堆积深度很厚的局部浅水域，环境疏浚工程技术最为普遍，效果也最为明显。,二、底泥环境疏浚的特点,工程疏浚：主要为某种工程的需要如流通航道、增容等而进行,环境疏浚：旨在清除湖泊水体中的污染底泥，并为水生生态系统的恢复创造条件，同时还需要与湖泊综合整治方案相协调。,环境疏浚与工程疏浚的区别,具体区别见表8-2,表8-2 环境疏浚与工程疏浚的区别,三、底泥环境疏浚的调查与勘测,在湖泊污染综合治理工程
22、中，考虑对污染面源、点源治理的同时，应对湖泊污染的内源（即污染底泥）存在的危害性及分布进行调查和分析，并确定是否应对污染底泥进行疏浚和处置。,第一阶段：为项目立项和可行性研究而进行的初步 调查和分析。第二阶段：为项目设计而进行的勘测与分析,调查与分析一般分两个阶段进行,四、底泥环境疏浚设备的选型,（一）环境疏浚设备的选择原则,第一，环境疏浚设备的选择既要考虑一般疏浚工程的施工条件，又要考虑污染土疏浚与处置的化学、生态等环境保护方面的要求，是一项比较复杂的工作，应该通过周密的调查与分析后妥善地进行。第二，不同的污染物对疏浚和处置有不同的要求，应该经济合理地确定控制指标和要求，过高的指标和要求可能
23、会对疏浚设备的选择带来困难，同时会导致工程费用的大幅度上升。,第三，环境疏浚如果控制指标不严，应优先选用现有的一般疏浚设备，或者加以改进达到经济合理的目标，同时应对设备改造的投资，由于环保要求对设备生产能力的影响从经济上做出合理安排。第四，由于疏浚设备类型很多，一项工程可能会有多种工艺方案，在疏浚设备选择时应进行多方案的筛选和比较，找出技术上可行、经济上合理的最佳方案。为此同时应对有关疏浚设备进行必要的调查。,五、堆场余水及污染底泥处置,（一）堆场余水处理及水质控制,国内某些湖泊环境疏浚工程堆场余水监测结果表明，采用自然沉淀的堆场在吹填初期及中期堆场排放的余水水质良好，吹填后期及中后期的部分时
24、段可能出现超标现象，说明采用堆场自然沉淀的方法控制余水水质是基本有效的。,（二）污染底泥处置,污染底泥中含有各种对环境有害的污染物，不能直接吹填堆放，尚须经过无害化处理或采取防止污染扩散的措施。污染底泥处置的基本原则如下。（1）根据底泥中污染物种类，选择有效的处理方法，保证处理效果；（2）污染底泥疏浚一般工程量浩大，宜选择处理成本低的处理工艺；（3）污染底泥处理过程中不产生二次污染；（4）在可能条件下，污泥处置与综合利用相结合。,（三）堆场设计,堆场是污染底泥存放的场所，其主要设施包括围墙、泄水口、排水沟等，堆场设计必须符合环境疏浚的特定要求,（四）底泥综合利用,第一，建立湖滨绿化带，美化环境
25、。第二，填地造景，开发旅游资源。第三，无害化处理后作为林地肥料。第四，造聚合物及废弃物复合材料、建筑墙体材料、混凝土轻骨料、硅酸盐胶凝材料。,第九章 污染地下水的生物修复,第一节 抽提处理修复,第二节 空气吹脱修复,第三节 原位工程生物修复,第四节 地下水的自然生物修复,第九章 污染地下水的生物修复,抽提处理修复（pump-treatment）,地下水异位修复,空气吹脱修复（blow-off）,第一节 抽提处理修复,抽提处理修复是一种传统的异位修复技术，通过采用一定方法，将地下水中的液态污染物与气态污染物抽取出来，在地面进行处理净化。因此它又可分为：泵处理修复（pump-treatment）抽
26、气处理修复（air extracted-treatment）,一、泵处理修复,在地下水层受到污染时，采用水泵将地下水抽取出来，进行地面处理。,优点,1,2,不能保证地下水尤其是土壤中的污染物能够得到有效地去除。,缺点,用泵抽取出来的水中的污染物可以得到高效率的去除,二、气体抽提修复,利用真空泵和井，在受污染区域诱导产生气流，将有机污染物蒸气，或者将被吸附的、溶解状态的或者自由相的污染物转变为气相，抽提到地面，然后再进行收集和处理。典型的气体抽提系统包括抽提井、真空泵、湿度分离装置、气体收集管道、气体净化处理设备和附属设备等。,典型气体抽提系统组成,气体抽提技术的优点,能够原位操作，比较简单，对
27、周围的干扰能够限定在尽可能小的范围之内；非常有效地去除挥发性有机物；在可接受的成本范围之内能够处理尽可能多的受污染的土壤；系统容易安装和转移；容易与其它技术组合使用。,第二节 空气吹脱修复,空气吹脱是在一定的压力条件下，将压缩空气注入受污染区域，将溶解在地下水中的挥发性化合物，吸附在土壤颗粒表面上的化合物，以及阻塞在土壤空隙中的化合物驱赶出来。空气吹脱包括现场吹脱、挥发性有机物的挥发、有机物的好氧生物降解等三个过程。,吹脱与抽提技术的组合示意图,第三节 原位工程生物修复,1、包气带地下水联合修复,通过钻井，鼓入空气，输送氧气，通过地面渗透，输送微生物所需要的营养。在共降解情况下，可以在注入空气
28、的同时注入甲烷作为第一基质，促进共降解过程。包气带生物曝气 压力范围在310Pa；空气流量在3090L/min。,包气带土壤生物修复技术,2、曝气抽提修复,对于受污染的地下水，可以向地下水层钻井注入空气，提供氧气，同时利用回收井，抽取地下水，进行循环；通过渗透，提供微生物需要的各种营养。,地下水修复曝气抽提组合生物修复技术,3、生物阻截修复,生物修复技术也可只在特定的活性区域实施，作为阻截手段。活性带一般设置在垂直于地下水流向，在污染带的下游。是一种被动的方法，但是非常有效。,生物活性带阻截技术示意图,第四节 地下水的自然生物修复,自然生物修复是利用土壤和地下水原本就存在的自然野生微生物降解土壤和地下水中污染物，因此，自然生物修复也被视为自然环境的自我修复过程。,在自然生物修复区域存在四个显著不同的部分，分别为污染物中心、厌氧区域、好氧区域、已经修复的区域。过程见图9-24所示。,
