生物技术在防治湖泊富营养化中的应用

得分：_课程论文2005 2006 学年 第 一 学期课程名称：环境生物技术 论文题目：生物技术在湖泊富营养化的防与治中的应用学科专业：XX学 号：XX、作 者：XX任课教师：XX二五 年 十二 月生物技术在湖泊富营养化的防与治中的应用摘要：采用生物控制技术防治水体富营养化属于水污染防治的内环境防治技术方法中的一种方法，它主要是通过富营养化水体中水生生物对营养元素的吸收利用及其代谢活动达到去除营养物和污染负荷的目的，起到调整湖库水生生物群落结构从而抑制水体富营养化进程作用经调研，目前在长江流域已发生水体富营养化的湖泊(如滇池、巢湖、淀山湖、太湖)和水库，在其治理过程中采用的水体富营养化生物控制技术主要有放养食藻(草)鱼(如鲢鱼、鳙鱼)，藻类的回收与利用，水生植物的养殖与收割以及富营养化原水的生物处理技术等应用。关键词：生物控制技术:水体富营养化:防治技术:综合治理1前言现代生物技术是指以DNA技术为先导，包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程和生物修复技术在内的一系列生物高新技术的统称。随着近年来环境污染的日益严重，环境与发展的矛盾非常突出，己成为威胁人们健康、制约经济发展的严重问题。现代生物技术己越来越多地深入到环境保护的领域。国外学者认为生物技术的二个部分属于环境保护范畴：一是在环境中应用的生物技术；一是涉及到环境中的某些可看作为一个生物反应器部分的生物技术；二是作用于一些必定要进入环境的材料的生物技术。这些应用即为控制现时的环境质量起到极其重要的作用，又使解决日益出现的大量环境难题成为可能。现代生物技术将成为环境科学领域重点开发和应用的技术手段，其中应用生物技术治理水体的富营养化尤为可行。我国在利用生物控制技术来防治水体富营养化方面早在20世纪70年代已有报道，利用生物控制技术防治水体富营养化属于水污染防治的内环境防治技术方法中的一种，它主要是通过富营养化水体中水生生物对营养元素的吸收利用及其代谢活动达到去除营养物和污染负荷的方法，生物控制技术主要是通过调整湖泊(或水库)生物群落结构从而抑制水体富营养化进程。目前在水体富营养化防治中常用的生物控制技术主要有放养食藻(草)鱼(如鲢鱼、鳙鱼)、藻类的回收与利用、水生植物的养殖与收割以及对湖泊原水的生物法处理等方法。2 生物技术在湖泊富营养化水体防治中的应用2.1 放养食藻(草)性鱼类 20世纪70年代以来的研究及实际应用结果表明，在不投放饵料或少投放饵料的情况下，大量养殖能够吞食浮游植物、浮游动物的鲢鱼、鳙鱼、鲤鱼、鲫鱼等鱼类，对减少湖泊(水库)中的浮游生物的数量，降低蓝藻的比重均有明显的效果如前苏联内地的一些湖泊，从20世纪60年代初期起，开始大量引进我国的鲢鱼、鳙鱼，印度的鲤鱼以及非洲的鲫鱼等鱼类，对防治湖泊的水体富营养化均取得了明显的效果。 在我国也有利用上述生物控制技术来防治水体富营养化的实例如武汉东湖水污染治理中是采用该技术较成功的例子，东湖在投饵甚少的情况下，积极发展水产养殖，每年从鱼产品中获得的营养物质，相当于从湖水中取出氮15 t，磷2.4t，不仅将东湖水体中的营养物质转化为有用的水产品，而且减轻了湖泊富营养化污染的危害在“七五”期间，长江流域的很多湖泊(或水库)的水体富营养化治理措施中都采用了合理配置食藻鱼的比例的措施，如巢湖、滇池等等。据对巢湖的研究结果：年产5 000 t鱼，每年可以从巢湖水域内带走总磷28 t ,总氮340 t。此外，重庆市长寿湖也采用了该水产养殖技术，据1986- 1995年对入湖及出湖水质监测分析结果表明:在富营养化水体中人下投放鲢鱼、鳙鱼散养，起到了改善湖水水质的明显效果。 在富营养化水体中放养食藻鱼生物控制技术在长江流域的湖泊、水库等不同富营养化水体中已有相关的试验研究或实践，如科技部在石南的滇池开展了放养鲢、鳙鱼去藻的试验，上海的淀山湖开展了养鱼技术方法防治富营养化的试验研究等，为治理湖泊(水库)富营养化提供了相关试验研究成果此外，巢湖也完成了利用相关放养食藻鱼以去除蓝藻的项目建议和可行性论证工作。对这一生物控制技术也存在着争议，认为高密度放养食藻(草)鱼将破坏湖泊自然生态系统，对湖泊水体生物多样性造成严重破坏由于富营养化水体中放养食藻(草)鱼的比例增加，可能导致鱼类群落结构发生了根本性的改变同时，大量放养食草鱼可能使水域中浮游生物和水生植被的生物量的改变引起新的水生生态系统失衡。因此如何控制放养种群与数量还是今后环境工作者继续努力的方向。2.2 回收与利用藻类 富营养化水域中人量藻类的繁殖将恶化水质，产生异味，将水域中的藻类打捞出来，从而减少水体中的营养物质，可起到改善水质的目的:同时将回收的藻类进行综合利用也将产生一定的经济效益目前该技术在太湖和滇池的水资源的保护中进行了尝试和应用 。 藻类回收方法以人工收集为主，主要配备工具为机动船或非机动船和手操网。对回收的藻类有多种用途，除了用于做肥料、饲料外，还有将从藻类中提取的生物活性物质、营养物质作为药用、化妆品、食物添加剂的报道，目前主要用于肥料和饲料。 通过富营养化水体中藻类的回收与利用，可达到削减水体中总磷与总氮的目的。目前滇池外海处于重富营养状态，针对滇池的藻类以蓝藻和绿藻为优势类群，且蓝藻生物量占明显优势的情况，在云南省开展了滇池的凤眼莲、蓝藻资源化及水生生物净化技术半工业性试验中重要资源参数与资源配置研究科研项目，在该项试验研究中提出采用集藻围栏、重力斜筛和板框压滤等设备自接收获滇池水域的蓝藻门的各种藻类，作为控制滇池污染的一种终端控制措施，并将获得的蓝藻进行浓缩、干燥制成藻粉直接供提取藻蓝蛋白、藻多糖和藻毒素等生物活性物质，从而使蓝藻作为一种资源进行利用。据该研究，目前滇池外海蓝藻现存量约为9800余吨(千重)，若按收获外海蓝藻资源的1/3计，则可去除滇池外海水体中的氮和磷各约173 .24 t，对改善外海的水质将起到积极作用。可见，采用回收与利用藻类的方法的应用将具有一定的经济和环境效益。2.3 水生植物的养殖与收割 水生生物的养殖主要是通过调整湖泊(水库)水生生物群落结构从而抑制水体富营养化进程。20纪80年代末至90年代初期南京地理研究所等单位在江苏澄湖放养水花生、水葫芦，使遭受苏州市城市废水污染的澄湖水质有了好转；巢湖利用在滩地种植芦苇等水生植物，同时，合理配置食藻性鱼类比例，从而通过上述生物措施来控制富营养化水体中的藻类，而且可通过生物代谢达到削减富营养化水体中富含的总磷和总氮，因此，通过生物措施延缓了这些湖泊的富营养化过程，达到降低水体富营养化程度。再如，南京的玄武湖为小型浅水天然湖泊，由于受大量工业与生活污水的排入和水产养殖业的过度发展，使玄武湖呈现出重富营养化污染状态，为了治理和净化玄武湖的水环境，南京市于1998年实施了玄武湖生态工程示范区的实验研究，在实验区水域外设置了消浪带，种植了珠草、叶绿藻、狐尾草及黑轮藻等大型沉水植物，成功地恢复了沉水植物，使玄武湖从藻型湖泊变为草型湖泊，水生植物净化水质效果显著，目前玄武湖生态工程区的水域从高度富营养化过渡到中度富营养化状态。 据国家“八五”科技攻关环境保护项目湖泊富营养化综合治理技术的研究成果：在利用水生植物的养殖技术进行水体富营养化防治的过程中，养殖的水生植物物种的选择是利用该技术进行水体富营养防治的关键，选择的水生植物以治理水体的现存物种作为建群种，同时兼顾所选植物的耐污能力(即能在污染条件下生存并具有明显的净化水质效果)该研究推荐选用的水生植物物种及其主要特性见表1。 对于湖泊(水库)水体，大型水生植物的新陈代谢过程，可净化水质、吸收可吸附营养盐及其它物质，但大型水生植物的死亡仍残留在湖泊(水库)水体中，因腐烂而成为水体的营养物质的再生源，加速湖泊的淤积与沼泽化。在水体中保持一定量大型水生植物，使其生长过程中充分吸收水体内的氮、磷等营养物质，并在其死亡前将其收割利用，是减少水域内营养负荷的极有效的手段；同时对收割后的水生植物进行再利用可创造经济效益。在对上海市淀山湖富营养化内环境治理中采用水生生物的养殖与收割技术方法的试验研究和效益分析研究结果表明:采用该生物控制技术不仅起到了改善水环境质量的目的，而且还获得了一定经济效益。 大型水生植物的收割方法主要有手工收割和机械收割两种，这两种收割方法在江苏太湖地区和云南洱海地区均得到广泛的应用。目前对收割的大型水生植物一般用于作为鱼及家畜等动物的饲料和农业上的生物肥料等，此外，在湖滨农村地区也有利用大型水生植物生产沼气的。3生物技术在湖泊富营养化原水处理中的应用对于小型湖泊及有特殊用途的湖泊需要在短期内降低水体的富营养化程度，以及以湖泊作为生活水源的地区来说，必须考虑湖泊中的氮磷的去除问题，这里所指的是把富营养化原水引入处理厂，然后进行工业化处理。但是工业化处理必须考虑其经济性和可操作性。3.1 生物作用机理3.1.1生物脱氮原理 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2的过程，其中包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用三个反应过程。（1）氨化作用 氨化作用是有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮(NH3、NH4+)的过程。 氨化菌(好氧菌) RCHNH2COOO2 RCOOH+CO2+NH3（2）硝化作用 硝化作用是在好氧条件下，NH4转化为NO2-和NO3-的过程。硝化细菌总反应式：NH4+ + 2O2 NO3- + H2O + 2H+（3）反硝化作用反硝化菌 反硝化作用反硝化菌是在无氧条件下，反硝化菌将氧化态氮(NO3 -N , NO2-N)还原为气态氮(N2)的过程。总反应式:6 NO3- + 5 CH3OH 5 CO2 + 3 N2+7H2O +6OH-（4）厌氧氨氧化 在厌氧条件下，微生物以硝酸盐为电子受体，以氨为电子供体，进行氨的氧化，称为厌氧氨氧化。大部分的氨气分子中，一个氮原子来源于氨，另一个氮原子来源于硝酸盐在含氮废水脱氮过程中，利用厌氧氨氧化，可以不需要有机碳源，就能使结合态的氮转化为分子态的氮。3.1.2生物除磷基本原理生物除磷：利用活性污泥中聚磷菌一类的微生物，超量地从污水中摄取磷，将磷以聚合形态贮在菌体内，形成高磷污泥，通过排出剩余污泥到系统外，达到从污水中除磷的效果。生物除磷机理比较复杂，其基本过程是:（1）聚磷菌的放磷并进行PHB(聚合羟基-丁酸)合成含聚磷菌的回流污泥和污水一起进入厌氧状态，此时污水中有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为甲酸、乙酸、丙酸等低分子脂肪酸(VFA)，而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷酸盐分解，分解产生的能量部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸、丙酸等转化(合成)为有机储备物质PHB的形态储藏于体内。此时表现为聚磷菌的放磷，即磷酸盐由微生物体内向污水中的转移。（2）聚磷菌对磷的过剩摄取进入好氧状态后，聚磷菌将储藏于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量，一部分能量供聚磷菌增殖，另一部分能量供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷酸盐的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷，即“磷的过剩摄取”。（3）厌氧和好氧交替的生物处理系统除磷本质由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须从系统中排出和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中要去除的含磷物质。回流污泥和污水一起又进入厌氧状态，厌氧、释磷，并有转化的PHB储藏于聚磷菌体内，混合液进入好氧状态后，超量地从污水中摄取磷，将磷以聚合磷酸盐的形态贮在菌体内，形成高磷污泥，通过排出剩余污泥，获得良好的除磷效果。3.1.3除藻原理 生物除藻主要是利用生物膜对藻类的絮凝和吸附作用，把藻类从水中分离出来，藻类一部分沉降，一部分吸附后被微生物氧化，有的被原生动物吞噬。3.2 生物反应器工艺简介目前几种较为成熟的几种去磷脱氮的工艺主要有A2/O工艺，SBR工艺，UCT工艺，UCT工艺，二池间隙曝气法和化学凝聚生物反应器等工艺方法，这些工艺可以有效降低富营养化原水BOD，CODcr，T-P，T-N的含量，从而达到净化水体的目的。3.2.1 A2/O工艺该工艺由厌氧池/缺氧池/好氧池/沉淀池系统所构成。污水首先进入厌氧池，兼性厌氧的发酵细菌将污水中大分子有机物转化为小分子发酵产物，聚磷菌将菌体内积贮的聚磷盐分解。随后污水进入缺氧池，停留时间可为1.0小时左右，反硝化细菌就进行反硝化以去除碳和氮。在厌氧池和缺氧池都设有搅拌混合器，以防污泥的沉淀。接着污水进入曝气的好氧池，以去除可降解的有机物，这时的聚磷菌，吸收周围环境中的溶磷，以聚磷盐形式在体内贮积起来，最后进入沉淀池使泥水分离，排放出的剩余污泥，含磷量可达到6%以上，泥龄以510天为佳，整个系统BOD去除率98%以上，总氮去除率80%以上，总磷去除率95%以上。 3.2.2 SBR工艺 SBR工艺是一种将初沉、反应和二次沉淀各工序水在同一反应器中进行，按时间顺序进行污水处理，整个处理过程分为初沉进水、反应、出水、休闲五个时期，具有结构简单，投资省，操作管理方便等优点，近来已研制出各种型号的自动监测系统，操作时可按水质情况调整各时段时间，已有许多报导指出SBR工艺具有良好的脱氮、磷效果。一般BOD5去除率90%以上，CODcr去除率80%以上，总磷去除率98%，总氮去除率70%以上。 3.2.3 UCT工艺 因为NO3-对厌氧放磷及整个系统的去磷有抑制作用，当二沉池的回流污泥回流到最前端的厌氧池时，总会或多或少地带有NO3-，因此，对厌氧区总会造成不利的厌氧生境。为此，经过前辈们的不断的改进，形成了改良型的UCT工艺，该工艺由厌氧池/缺氧1池/缺氧2池/好氧池/沉淀池系统组成。其特点是有2个缺氧池。而缺氧1池只接受二沉池的回流污泥，同时缺氧1池并有混合液回流至厌氧池，以补充厌氧池中污泥的流失，这种将缺氧1和缺氧2完全分隔的改良型UCT工艺，可避免将过剩的NO3-带进厌氧区，使之保持较为严格的厌氧生境，从而提高了厌氧放磷以及整个系统的去磷效率。 3.2.4 VIP工艺 VIP工艺流程由2个厌氧池/2个缺氧池/2个好氧池/沉淀池系统构成。与UCT工艺相比，在厌氧区、缺氧区、好氧区三个部分中每一个部分都由二个以上的反应池所构成，所以可以增加吸磷和放磷等过程的速率。同时，泥龄比UCT工艺短，为510天，而UCT工艺的泥龄通常为1325天。负荷高，运行速率也较高，污泥中活性生物的比例也就增加，因此，除磷速率高。其反应池的体积小，投资省。 4结语采用上述几种主要的生物控制技术防治水体富营养化的最大特点是投资少，有利于建立良性生态平衡，因地制宜地发展水产养殖，是防治湖泊富营养化综合治理的可行途径之一，但是在大量湖泊(水库)在采用放养食藻(草)鱼这种生物控制技术前，必须通过科学试验以掌水体生态系统的变化情况、物种关系及演化过程，对鱼产品的质量变化情况进行监测等一系列研究认为可行后才提出大面积放养的可行性。从湖泊功能考虑，以湖泊作为城市生活水源的地方，当水体达到富营养化状态时，必须对水体进行脱氮除磷及除藻的预处理，但这样做不仅增加了水处理工艺的负杂性，同时提高了处理成本，采用生物的方法处理富营养化原水不仅经济可行，而且处理工艺简单。综合考虑生物的方法治理湖泊富营养化污染是一种非常优秀的处理方法，在未来的的环境保护及治理中将有更大的发展前途。5参考文献1姜虎生等。现代生物技术在环境保护中的应用, 辽宁城乡环境科技，2003，23（1）:11-122 陈坚等。环境生物技术、生物工程进展，2001( 5) : 18- 223 李红清等。生物控制技术在水体富营养化防治中的应用，2005，36（8）:60-614金相灿。湖泊富营养化管理和控制技术，北京，化学工业出版社，2000 5张敬东。污水处理技术的新发展，环境技术，1 997，(6) : 28- 326朱雅兰。污水生物脱氮除磷处理工艺的研究，华中师范大学，20027 骆琼。污水同时去磷除氮杖术动向，环境科学动态，1996，（4）：11-12