河道富营养化原位生态修复工程技术综述

一 水体富营养化污染及其防治现状

1.1 全球性水问题

据报道，由于水污染和水资源短缺而造成的淡水圏问题，已成为与水有关的最重要的话题。

地球上的水资源总量虽然巨大，但可利用水资源不多。据水文地理学家计算，地球上的水资源总量约为13.86亿km3，其中96.5%为海水，淡水资源只有约0.35亿km3， 而和人类生活生产关系密切的可利用淡水储量为400多万km3， 只占淡水总量的0.3%。20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业生产发展迅速。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染香食大量可供消费的水资源。第三届世界水论坛会议提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有200吨边圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫别污染；欧洲55条河流中仅有5条水质差强人意。加上分布不平衡，世界60%的地区供水不足，水资源严重缺乏，情况严峻，预计到2025年，水危机将蔓延到48个国家， 35亿人为水所困.水体污染问题是全球十大环境问题之一（气候变暖、臭氧层破坏、生物多样性减少、酸雨蔓延、森林锐减、土地荒漠化、大气污染、水体污染、海洋污染、固体废物污染）。

1984年颁布的《中华人民共和国水污染防治法》中说明，水污染即指“水体因某种物质的介入而导致其物理、化学、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或破坏生态环境，造成水质恶化的现象”。造成水体污染的主要污染物是人类活动所排放的各类污水、废水、各种废弃物，这是将诸如悬浮物、耗氧有机物、植物性营养物、重金属、酸碱物等污染物带入水体的主要途径。随着污染物进入水体，超出了水体的自净能力， 将会导致水体及其水体环境发生不良变化，破坏了原有的生态系统和水体功能，降低了水体的使用价值。

1.2 水体富营养化

1.2.1 水体富营养化概述

水体富营养化是水体污染最突出的一个问题。“富营养化”是沿用湖泊分类与演化的概念，它是一个演替的过程， 是水体衰老最后使其消亡成为沼泽的一种表现。在自然条件下，湖泊的演化进程极为缓慢，大约需要几千年甚至几万年。但越来越多的人为活动破坏了水体原有的生态环境，加速水体恶化并向沼泽化趋势迈进的进程。因此，我们现在一般理解的“水体富营养化”是指在人类活动影响下，生物所需的氮、 磷等营养物质大量进入水库，导致藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象，是引起水质恶化的主要原因之一。

随着人类社会经济的发展，全球性的水体富营养化污染十分严重。联合国环境规划署（UNEP） 的一项调查表明，全球范围内的 30-40%湖泊和水库都有不同程度富营养化。而在中国，许多大型湖泊都已经处于富营养或重度富营养状态，如巢湖、滇池、太湖等。除此之外，一些河流的部分河段也出现了富营养化现象，如黄浦江流域等。据相关统计，中国有近 66%的湖泊受富营养化污染，其中 22%左右的湖泊属超营养化污染。据年中国环境状况公报显示，现在 26 个国控重点湖泊（水库）中，满足 II 类水质的仅 1 个，占 3.8%； III 类水质的有 5 个，占 19.2%；IV 类水质的个，占 15.4%；V 类水质的 6 个，占 23.1%；劣 V 类的 10 个，占 38.5%。主要的污染指标是总氮和总磷。而我国环境保护部发布的 2011 年重点流域水环境质量状况统计也显示， 2011 年长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系水质总体为轻度污染，主要污染指标为氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量；其中海河劣类水质比例超过 40%，为重度污染。

在重点湖泊中，太湖和巢湖为轻度富营养状态，滇池为中度富营养状态。洞庭湖、鄱阳湖为 IV 类水质，洪泽湖、白洋淀为 V 类水质。可以说，水体富营养化已成为我国一个较为突出的环境问题。

1.2.2 水体富营养化的成

因研究表明，当水体全氮量大于 0.3mg/L、全磷量大于 0.02 mg/L 时即属于富营养化水体，就有暴发蓝藻或赤潮的危险。

水体富营养化发生的条件可归纳为以下三个方面：总磷、总氮等营养盐类相对比较充足；缓慢的水流状态；适宜的温度条件。只有这三方面的条件都比较适宜时，才会出现富营养化现象（刘迎利等。在这三个条件中，最根本也是最重要的就是进入水体中的氮、磷等营养物质的量。影响氮、 磷等营养物质进入水体的因素可分为自然因素和人为因素，其中，人为因素导致的入湖营养盐增加是湖泊富营养化的主要原因。

1.2.2.1 自然因素

（1） 降水、地表径流和淋溶氮、 磷等营养物质一方面通过降水可以进入湖泊、水库等水体，另一方面通过侵蚀和淋溶从地表进入水体，增加了水体肥力，为浮游植物和其他水生植物提供营养，从而形成了湖库水生生态系统。在这个系统中，低等植物吸收水体中的营养盐，为草食性动物和鱼类等提供食料，当这些动植物死亡后，机体沉积在湖底，积累形成底泥沉积物。残存的动植物残体不断分解，由此释放出的营养物质又被新的生物体吸收，因此，富营养化是天然水体普遍存在的现象。在正常条件下，这个水体生态系统是处于平衡状态的，因而自然条件下，富营养化的进程是非常缓慢的，至少要几百年乃至几千年才会出现。但一旦出现富营养化，恢复起来也是极其困难的。

（2） 底泥释放以固体径流形式进入水体的营养物质可以机械地沉积在水底，形成一个沉积层，并在那里进行分解，使原本沉积的营养物质慢慢地又一次释放出来，以溶质形式再一次进入水体。底泥和沉积物中的氮、 磷等物质的吸收和释放，对湖泊富营养化有着非常重要的作用。调查研究发现，杭州西湖富营养化的一个重要原因就是底泥释放磷，西湖的底泥腐泥层达 0.86 米，据估算，全湖每年平均释放磷量达到 7.22 吨，相当于外源性磷输入量的两倍； 安徽巢湖沉积物碟的释放量 220吨左右，是入湖磷负荷量的 21%。因此底泥释放也是水体中氮、 磷的重要来源之一。

1.2.2.2 人为因素

（1） 农业面源污染目前农业面源污染已成为水体富营养化污染最主要的污染源之一。农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的。据统计，施入农田的化肥，只有一小部分被植物吸收，如氮肥，通常未被植物利用的氮肥超过 50%，少数情况下，超过 80%。中国是个农业大国，化肥的施用量达一亿吨，比世界化肥施用平均值高出 2.8 倍，而利用率仅有 30-60%， 这些未被植物利用的化肥通过各种途径进入水体，使水体中营养盐含量严重超标。在农业生态系统中，养分流失是水体中确酸盐的主要来源，同时还是磷的主要来源之一。杨文龙等研究发现，农业面源污染对滇池贡献的营养成分总氮占 32.9%、 磷 564t/a， 降水，降尘和旅游带来的污染物为89563*104 吨，地表径流所产生的污染物总量 5119t，非地表径流产生的污染物总量为 26035 吨。研究表明， 1997 年杭州湾的海水中， 50%的无机氮、 65%的总磷和的 88%化学耗氧量来自农业面源污染。

（2） 工业废水在工业（如钢铁、化工、制药、造纸、印染印刷、食品加工等行业）生产过程中产生了大量工业废水，虽然国家对这些工厂的废水排放标准进行了严格的规定，但由于资金和技术等原因，大部分的工业废水只能经过简单处理，有些无良厂家甚至未经处理就将废水排入江河湖泊等水体中，引起水体中营养盐含量的大幅度增加，导致水体富营养化。这些工业废水的氮、 磷含量较一般生活污水高很多，如化工废水总氮含量为 30-76 mg/L， 总磷为 0.9-112mg/L； 造纸废水总氮含量为 5.7-21.6 mg/L， 总磷为 0.9-112 mg/L； 炼油车间废水总氮含量为 143 mg/L左右，总磷为 7 mg/L 左右。在经济较为发达的城市中，工业废水是形成水体富营养化的主要因素之一。

（3） 生活污水和畜禽粪便生活污水和人畜废水也是产生水体富营养化的因素之一。据调查，我国每年产生污水约 400 亿吨，其中一半是生活污水，而当前我国的城市污水处理厂大多为二级处理工艺，氮的去除率为 20-40%，磷的去除率仅为 5-20%，尾水仍能造成水体富营养化。

大多数处于人口稠密区的湖泊、水库至少的 80%的氮和 50%的磷来自于污水排放，而碟的主要来源为家庭含磷洗涤剂的使用，其磷的污染强度约占总的磷污染负荷的 50%左右。这也是我国近海水域富营养化、频繁发生赤潮的重要原因。此外，畜禽的粪便也是富营养化水体重要的污染来源。廖新佛研究发现，一头的猪每天可产生 12-37g 氮， 8-24g 磷，还有相当于 15 个人产生的生化需氧量（BOD）。由此可见，畜禽粪便对水体富营养化的影响也是相当大的。

（4） 对水体及周边资源的开发人类活动加速了水体富营养化的进程，尤其是对水体及其周边资源的开发，大大破坏了水体流域生态系统的平衡。虽然大量研究表明，生物控制法可以改善水质， 但这种“以鱼养水”的生物控制法必须以生态效益最大化为目的科学决策鱼种、养殖密度及其它实施细节。

近些年来，天然水产资源曰趋枯竭，使湖泊和近海水域水产养殖业发展迅猛，他们追求经济效益最大化，忽视水体可持续利用，大量投加人工食料的现象很普遍，这不仅未能去除水中的营养盐，反而加重了富营养化污染。张东宇在研究南京白鹭洲湖水富营养化时发现，人工投饵养鱼是水体富营化加剧的原因之一。人类活动加剧了水土流失，大大提高了污染物进入水体的数量和速度。

目前，我国水土流失的面积已达国土总面积的 38%， 我国每年因为土壤流失（流失量达50 亿吨）带走的 N、 P、 K 及微量元素等养分相当于全国一年使用的化肥总量，其中相当一部分进入了水体。秦皇岛的洋河水库周边没有工矿企业形成的点污染源，然而，由于水库周边水库周围山上林木覆盖率低，水陆交界带裸露，库内几乎无大型水生植物，水土流失严重，导致大量营养盐流入水库，水库水体已达到严重的富营养化程度，并发生了微囊藻水华。关于水土流失对深圳市的清林径水库富营养化影响的预测的研究亦表明，水土流失极大增加了水库水体营养盐负荷，从而加速水质富营养化的进程。

水土流失除了造成水库淤积、减少了库容之外，大大增加了水库水体营养盐负荷。而人类诸如修筑堤坝、围垦造田等活动，使湖泊面积大大减少。围垦后的湖泊或湿地，在挖渠排水后，改造成农田，加剧了湖泊富营养化的发展。另外，大量修建的水利工程因调蓄等需要建闸，处理不当会造成江湖阻隔，既改变湖泊的水动力条件，引起泥沙的游积，又会造成生物区系的交流阻断和湖泊生态系统结构的变化，使得富营养化湖泊恢复到原有的健康系统更加困难。

1.2.3 水体富营养化防治现状

1.2.3.1 防治措施概述

水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。因此，控制水体富营养化最主要的就是控制水体内营养物质的增加，主要有两个途径，一个是减少营养物质的输入，另一个是降低水体内营养物质的含量。

（1） 减少外源营养物质输入目前绝大多数的水体富营养化主要都是由外界输入过多营养物质在水体中富集造成的，所以控制外源性营养物质的输入是防治水体富营养化的一个有效手段。建设生态农业工程，合理种植、合理施肥、合理灌概，减少农业面源污染，是控制农业面源污染输入水体的一个有效措施。

据报道，通过保土耕作、作物轮作、节水灌概、控制施肥等手段可以减少农田径流带走的氮和磷达以上（马立珊等，。植树造林、绿化荒漠等水土保持工作是减少水土流失造成水体污染的一个重要途径。推广清洁产品使用、限制工厂排放等也可在一定程度上减少污染物对水体的输入，尤其是无磷洗涤刹的推广使用，对于降低水体内磷含量，减轻磷污染十分重要。

（2） 减少内源营养物质含量减少外源污染物的输入可以有效地防止水体富营养化的发生，但对于已受污染的水体，很多情况下，只控制外源输入是不足以从根本上治理富营养化的。国内外湖泊治理经验表明，在外源污染得到控制后，内源污染治理将成为改善湖泊水环境的决定性因素，因此还需采用湖内恢复技术消除内源。

a 物理工程性措施物理工程性方法主要有水体深层曝气、引水冲污、船体打榜、底泥疏浚等。对于已经发生富营养化污染的湖泊，最直接有效的方法就是机械清淤，但是成本很高，而且不能从根本上控制水体富营养化。 濮培民教授等认为，湖泊底泥是污染汇，而不是许多学者认为的内污染源；清淤在短期内会改善水质，但从月和季的长时段看，清游不是彻底控制湖泊富营养化的方法。给湖泊定期换水也是有效的方法，但成本更高，且无法在水资源短缺的地方釆用，杭州西湖从钱塘江引水冲污工程虽成效显著，但因耗资巨大，不能长久持续进行。

b 化学措施化学措施主要有利用絮凝剂沉降、钝化和化学药刹杀藻等。目前技术比较成熟效果比较可靠的是混凝沉淀法，但该方法需添加大量混凝刻，同时会产生大量难处理且可能具毒性的化学污泥，易造成二次污染。而化学除藻剂虽可快速有效去除富营养化水体中的藻类，但藻类被杀死后将腐烂分解仍会释放大量营养盐，且该方法还受到水域、水流等因素的限制。因此，化学方法只能作为应急之用。

c 生物-生态性措施生物-生态性措施是按照仿生学原理和自然规律，强化自然界本身的自净能力，达到去污目的，是人与自然可持续发展的治污思路和技术路线的一大创新，也是当前水污染治理技术研发的热点和重点。它利用培育的植物或培养接种的微生物的生命活动，对水中氮磷等营养物质及其他污染物进行转移、转化及降解，从而使水体得到净化。主要的措施有生态修复（人工湿地、氧化塘等）、生物操纵、投入菌种等。

1.2.3.2 富营养化水体原位生态修复

随着工农业的发展，各种污染物对环境的影响日趋严重。起初，人们釆用各种物理、化学的方法来对污染的环境进行修复治理，也取得了一定的成效，但这些方法建造、运行、管理费用过高，常带来二次污染，且污染巨大时不可行，应用有一定的局限性。于是以生物修复为核心的原位修复技术应运而生。

简单的说，原位修复就是在污染源就地处理污染物的一种生物处理技术。原位修复不需要将污染物转移，具有省时、高效、对环境影响小等优点，是目前水环境修复主要趋势之一，也是国内外研究的热点。生物多样性是建立健康水环境最基本的前提。从生态学角度看，受损水环境实质是水生生态系统结构和功能的退化，是生态元之间的链接断裂或弱化，使系统网络结构破碎，生态链断裂。生物多样性的丧失是水环境受损的关键和核心，其典型表现就是富营养化水体发生的蓝藻水华，因而受损水环境的修复途径需从保护和恢复生物多样性入手，引入植物和动物，尤其是一些关键物种，重建食物链结抅。

原位修复技术主要有原位生物修复、原位生态修复、原位固定化学修复等。目前在富营养化水体修复中应用较多的是原位生态修复和原位生物修复，这里主要介绍原位生态修复。以植物为核心的原位生态修复主要类型包括生态湿地技术、稳定塘技术、生态浮岛技术和沉水植物净化系统等。湿地生态修复俗称湿地处理系统，是介于陆生生态与水生生态之间，将被污染的河水有控制地投配到生长有声萃、香蒲等沼泽生植物的湿地上并沿一定方向流动，经土壤植物微生物系统的物理、化学、生物学作用后得到净化的污水处理系统。分为自然湿地（水面湿地、渗滤湿地等）和人工湿地（表面流构造湿地、潜（没）流构造湿地。湿地生态系统一般比较重视植物土壤复合系统的综合净化功能，目前国内外的研究还是比较多的，主要存在的问题是占用陆地资源、水力负荷不高、处理能力较低等。氧化塘技术，也叫稳定塘技术或生物塘技术，是水生生态修复的一种，它是利用库、塘等水生生态系统对污水的净化作用，进行污水处理和利用的生物工程措施。

其基本原理是生物降解。当废水进入塘后，可沉淀的固体沉至塘底，其中有机物进行厌氧分解，产生的沼气（CH4） 逸出水面，二氧化碳、氨等溶解于水中。溶解或悬浮于水中的有机物经微生物作用进行有氧分解，同时释放的氨和二氧化碳溶解于水中，供水中藻类营养和繁殖。 藻类进行光合作用放出的氧气供微生物分解有机物。目前主要分为微生物塘（好氧塘、兼性塘、厌氧塘、植物塘和养殖塘。生态浮床技术是一种新兴的湿地处理系统，主要利用根植于水面结构物上的挺水植物、浮水植物或陆生植物形成植物群落，以改善水生态环境。

1.2.3.3 富营养化水体植物修复技术

原位修复技术的核心是植物。利用植物对富营养化水体进行修复是新近发展起的生物修复技术的一个分支。生物修复是利用生物生命代谢活动对水体中污染物的吸收、转化和降解，以达到减缓或最终消除水体污染、恢复水体生态功能的生物措施。而植物修复则是利用植物的吸收和代谢功能将环境介质中的有毒有害污染物进行分解、富集和固定的过程。实验证明，水生植物修复对于去除氮、 磷具有很明显的效果，可用于控制湖泊富营养化。

1.2.3.4 生态浮岛技术与应用现状

（1） 生态浮岛概述生态浮岛也叫生态浮床，是一种利用水体中的营养盐，让植物在水面上生长的载体。生态浮岛技术就是人工地将水生植物或经改良驯化的陆生植物移植到水面载体——浮岛上，生长在浮岛上的植物通过根系吸收水体中的氮磷等营养物质，从而对污染水体进行原位修复，达到净化的目的的水处理技术。从世纪年代开始，人工浮岛就已开始应用，但在水处理方面的应用却是在世纪年代中期以后。生态浮岛技术作为一种新兴的水处理方法，开始在世界各地迅速发展应用。

（2） 生态浮岛技术的研究现状和应用生态浮岛法釆用生物浮岛技术为核心，为水中微生物、水生植物、水生动物营造适宜的生息空间，一般由基质、固定装置、浮岛植物组成，构建水上生态循环系统用来恢复水质和修复生态体系，是河道综合整治的可持续性方法和目标。即往景观水体中投入临时性的人工设施来改善、创造一个完整的生态系统，利用厌氧微生物、好氧微生物以及微小动物、植物等组成的生态系统将有机物进行强化分解，最终成为简单的含 C、 N、 P 等无机物，达到净化水质的目的。具有植物根系密实、抗风浪能力强、净水作用明显、景观效果好维护管理方便等特点。

生态浮岛的作用主要有：

 a） 建立生态体系：浮岛独特的透气孔便于各种植物生根，吸引食草鱼类；

 b)脱氮除磷：利用浮岛植物，吸附和吸收水中的氮、碟等富营养化物质；

 c)植物种植：可种植大多数的小型植物和大型植物，多种花卉搭配种植在水上形成美妙的水上景观；

d)景观功能：茂盛植物映在水中的美丽倒影，成为景观亮点；

 e)水生乐园：为水生动物提供栖息乐园；

 f)水上氧吧：植物光合作用制造氧气，使空气清新，调节小气候；

 g)调控功能：调节水温，防止和控制藻类发生。

生态浮岛的基质结构形式主要有：

a） 泡诛板；

 b)竹筐、椰壳、棕丝；

 c)废旧橡塑、轮胎；

d)园艺净水生物浮岛。

其中，园艺净水生物浮岛由食品级材料一次注塑成型，并添加抗氧化劍和抗紫外刻，对水体无二次污染，作为一种新型材料值得推荐使用。生物浮岛的水下固定设计是一个较为重要的设计内容，既要保证浮岛不被风浪带走，还要保证在水位剧烈变动的情况下，缓冲浮岛与河岸、浮岛和浮岛之间的相互碰撞。水下固定形式要视地基状况而定，常用的有重量式、锚固式、驳岸牵拉等形式。此外，为了缓解因水位变动引起的浮岛间的相互碰撞，一般在浮岛单体之间留有一定的间隙或适当的隔离物。

在国外，德国很早以前就利用橡皮筏制作浮岛来改善景观，日本利用高强度泡珠、木架、棕网制作浮岛来改善水体。在国内，生态浮岛也取得了不少的研究成果。在浮岛材料和净化效果方面，刘淑援等使用泡沫板、蛭石两种人工基质在浮岛上进行无土栽培水芽、水蕹菜和多花黑麦草，研究表明该浮岛对水体TN,NH4+-N,NO3--N,TP,PO4--P 等的去除率可达 80%以上。

在浮岛的工程应用上，1999 年杭州市南应加河示范工程采用浮岛技术改善水质，经过 5 个月左右的治理，全河的水体感官性状和水质均取得了较大改善，异臭味得到了有效控制，围隔河段的水质则发生了根本好转； 在太湖五里湖的治理过程中，研究人员在实践中发现，在 45%的浮岛覆盖面积处理区水体的大部分水体指标都达到 III 类指标，水质改善效果显著荷生。

在浮岛植物选择方面，井艳文等 2002-2003 年在此京地区什刹海周围进行浮岛示范，发现适宜北京等北方水系环境生长的 4 种主要植物依次是：旱伞草、高肝美人蕉、矮杆美人蕉和紫叶美人蕉。赵祥华等分析了生态浮岛技术在云南高原湖泊中的应用情况，发现选用的浮岛植物能在当地环境下很好地生长，水质也得到一定程度的改善。施丽丽等釆用能通过蓋叶根系的牵连作用形成自然浮岛的水生植物黄花水龙净化水体，结果发现，黄花水龙不仅能很好地改善水质，还能解决浮岛载体材料的二次污染问题，对水华藻类也有一定的克制效果。

张亚娟等（发现美人蕉可在浮床上生长良好，且对水体中的氮、 磷和 COD 有一定的去除效果。长江科学院水资源综合利用研究所和湖北大学合作研究的浮岛，釆用竹子木头等作为浮岛载体，成本降到 28-30 元/m2 在浮岛上种植美人蒸、水蕹菜、牛筋草、香蒲、声萃、荻、水稻、油菜、小天使等植物，不但改善了水质，还获得一定的产出，农产品经过检验，有害物质含量都低于国家标准，达到水体改善和有效产出的双重效果，为浮岛技术和农业技术的结合创造了条件。

（3） 生态浮岛技术存在问题及应用前景实践表明，生态浮岛技术是一种非常有效的净化水体的技术，目前在国内外均得到广发的应用。但仍存在一些问题，如处理时间长时效性不高、植物回收资源化问题、浮岛材料问题和相关管理技术不到位等。虽然存在着不少缺点，但因其具有的净化水质、促进生物多样性、恢复景观等方面的功能及潜在经济价值，在富营养化水体治理中将具有越来越广阔的应用前景。