以香根草为主体的漂浮型复合系统结合微生态制剂治理滇池富营养有机污染的研究.doc

以香根草为主体的漂浮型复合系统结合微生态制剂治理滇池富营养有机污染的研究黄 波(云南省环境保护局珍稀濒危植物引种繁育中心 昆明 650034) 摘要：蓝藻水华爆发成为滇池污染的一大特征。富营养化状态评价表明，全湖平均为中度富营养。如何在湖泊水生态系统中建立立体的污染物转化、分解、去除处理系统是利用生态治理工程解决湖泊水污染的最重要和最基本的步骤之一。本项目是针对滇池草海大观公园水质呈劣类污染现状，通过构建上层以香根草为主体功能性植物，嵌合部分景观植物；下层是附菌载体的复合处理系统来实现水污染治理，同时湖底配置复合生物包、生物陶环等复合微生物菌剂释放器、大比表面积脱氮除磷媒介和载体形成一整套立体的水体污染物转化、分解、去除处理系统。复合微生物菌剂释放器载有多菌属的菌株，释放出的微生物在摄取水中营养物质后，增加了活动的能量，自身快速生长繁殖，通过代谢活动，迅速在释放器表面及浮岛上种植的香根草植物根系着床形成生物过滤膜，对水中的污染物进行拦截、吸附、过滤，形成一个个浮动的污水处理厂。通过对近80亩流动水体试验示范区进行水生态工程治理，取得了很好的景观及治理效果：试验示范水域各水质监测指标显示基本达到景观水体的指标要求，水体透明度由原来的30cm提高到100cm以上。关键词：滇池；香根草；附菌载体；富营养1项目的背景和意义蓝藻水华爆发已成为滇池污染的一大特征，滇池蓝藻水华污染最为严重的区域为滇池的外海北岸湖滨带及外草海,当水华爆发时,浮藻堆积区Chl - a含量高达几千几万mg/m3, 藻量高达几十亿个/升,覆盖湖面的浮藻厚达20-40厘米, 形成水华的面积达1620km2,水体景观十分恶劣。滇池是昆明市的饮用水源地，发挥着供水、防洪蓄水、纳污、航运、水产养殖、调节气候、观光旅游等多功能，在昆明市国民经济的发展中起着重要作用。但由于湖水受到污染、湖区生态平衡受到严重破坏。富营养化状态评价表明，草海为重度富营养，外海为中度富营养，全湖平均为中度富营养，滇池水污染控制面临巨大的压力，急需一批行之有效符合实际情况的湖泊、河流水污染控制的高新技术支撑。由于受污染湖泊、河道水中污染物质是多样性和动态立体分布的，往往不能用一种方法就能把所有的污染物质都转化、去除干净。因此，采用集成技术处理开放式流动水体的污染物将是今后努力的方向。本项目正是通过构建以香根草为功能性主体植物，嵌合部分景观植物，配合附菌载体的处理系统来实现对开放式水体污染的治理，同时湖底配置复合生物包、生物陶环等复合微生物菌剂释放器、大比表面积脱氮除磷媒介及载体形成一整套立体多维的水体污染物转化、分解、去除处理系统。达到净化水质，提高水中溶解氧，最终使浮动平台上种植的香根草等植物成为具有固氮、吸磷、分解有机物的各属微生物的受纳体，使其生长茂盛，实现了生物种属的合理构成，使氮、磷等有机污染物得以最大限度地在食物链(网)中进行降解和去除，使污水中能量得以高效地利用。2. 应用环境2.1 昆明市滇池草海大观楼水域供试的滇池水体由两块组成，滇池草海大观楼水域位于昆明市西部入湖口，与昆明市的主要补水及纳污河大观河相通，海拔1850米，日照2292.4小时/年，水域总计面积近273亩，供试水域是由昆明市第三污水处理厂补水口开始到大观河全长700米，面积80亩，补水量1000立方米/天，属流动水体。2.2 昆明市滇池草海老干鱼塘水域滇池目前有350平方公里，滇池草海属于滇池内湖，过去是水草丰茂的水草湖，由于污染严重，为了切断污染修建了称为老干鱼塘的坝体将滇池分割为草海和外海，老干鱼塘水域位于昆明市滇池草海与外海交界处，海拔1850米，日照2292.4小时/年，水域总计面积近12.7平方公里，属半流动水体。2.3 试验区水热状况年均温20.60，极端低温-7.4，最高温度30.9，无霜期316天。年均降水量805.2mm,最高年降水约 1900mm，年均蒸发量3638.6，夏秋季暴雨集中，冬春季干旱长达67个月。2.4 水体污染原因调查及分析2.4.1滇池的污水渗入大观公园现在虽然是一个风景秀丽的湖滨公园，但在300多年前却是一片苇草丛生的浅滩，是滇池草海的一部分。目前大观楼水体的污染，主要是滇池草海水回流和渗透 (大观公园的水体与滇池草海水体仅一坝之隔)。在大观河水位低于公园水位时，需关闭公园通往大观河的闸门,通过昆明市第三污水处理厂补水进来以保证公园水位。从表1可见：滇池草海水质离地面水IV类水体标准相距较远。如果将这部分污水所含的污染物折算成重量：大约是550kg/D的CODcr、300kg/D的BOD5、130kg/D的TN、7kg/D的TP以及1000kg/D的悬浮物。根据生物处理原理计算，该部分的废水完全降解将产生多于10m3的污泥。那么对于273亩湖面面积的大观楼来说，就等于每天的湖底增加近5.5mm（忽略细菌的降解作用）。另一股注入大观楼的主要是生活污水，每天可达50 m3/d。大量游客来欣赏美丽的湖光园景，再加上公园维持、管理人员，日产生的生活污水也相当可观。大观公园内设有七座公厕，有一座位于公园中心的近华浦内。目前公厕内粪便废水经由化粪池处理后直接排入大观楼水体，是其较大的点污染源之一。为此，生活排放污水离地面水IV类水体标准相距更远。如果将这部分废水所含的污染物折算成重量：大约是7.2kg/D的CODcr、3.6kg/D的BOD5、1kg/D的TN、0.15kg/D的TP以及3kg/D的悬浮物，也是相当大的污染。表1 滇池草海、大观楼公园生活污水水质与IV类水体标准比较地点或标准SDDOCODcrBOD5TNTP悬浮物NH3-N(m)(mg/L)IV类水体标准1.53.030.0401.50.1201.5填池草海水质-59.47.9913.60.8285-大观楼公园生活污水-150.075.020.03.060-2.4.2 其他污染源除了以上原因，由于人类大量使用化肥农药造成地球氮循环出问题，产生过多的活性氮（NO）通过大气环流和雨水等途径进入到土壤和水系，使水中产生过多氮，造成藻类的过量增长；水体中动植物死亡所沉积形成的淤泥；海鸥、水生生物等的代谢产物；游人逗引海鸥的鸟食等等都是大观楼这一宝地的破坏者。3. 材料与方法3.1浮岛植物名录及配置量1、香根草 （浮岛植物） 15万株 2、纸莎草 100丛 3、睡莲 1600盆 4、菖蒲 110丛 5、香菖蒲 70盆 6、旱伞竹 90盆 7、马蹄莲 90盆 8、三棱草 20盆 9、黄鹫尾 500株 10、蜘蛛兰 40丛 11、麦冬 100公斤 12、金边吊兰 60盆 13、狐尾藻 1400丛 14、金鱼藻 1000丛 15、芦苇 1050丛 16、铁线草 100丛 3.2微生态制剂 微生态制剂列成表2如下：表2 所需生物制剂项目名称备注1LLMO S-1（微胶囊复合菌）用于污泥减量底质改良2LLMO N-1（底改解毒菌）用于改善硝化作用3LLMO Activator（净水菌）活性剂4PNA（EM菌）营养基质在示范水域内选择10-15%的水域建造人工植物浮岛，种植功能性植物香根草和景观挺水植物作为LLMO微生物挂膜的载体（图1）。3.3轻质漂浮型脱氮除磷颗材料轻质漂浮型脱氮除磷颗材料是利用表面活性剂、碱土金属和稀土离子改性并合成孔径在2-50nm之间的无机介孔材料。一方面能键合流动水体中的磷，另一方面由于材料的多孔和大比表面积（最高可达1000m2/g）的特点，使其还可吸附水中的磷酸根离子。更为突出的特点是该材料的轻质漂浮性使其不增加额外污泥，且易再生，可循环再利用。其作用机理及生物学效应如下所述：一是多孔结构、疏松、透水透气、有吸收水份和气体的特性，内含植物生长所需的大量丰富的元素，而且能缓冲释放植物所需的营养物质。同时可为该系统中的高净化能力的水生植物香根草及景观植物提供营养。二是可作为接种复合微生态制剂的媒介，成为微生物释放器，因为可以人为调节投加轻质漂浮型介孔脱氮除磷粒和微生态生物净水剂的量，所以对于泻洪期也能达到较为理想的脱氮除磷效果。相比传统的处理系统有更强的实用性。具有稳定的结构，粗糙的表面使生物积结的又好又快。8图1 香根草为主体的人工植物浮岛图2 漂浮型复合系统治理效果4. 试验观察 试验观察水体主要围绕水质清澈，透明度大于0.6-1m；无富营养化特征；水体生态系统稳定和水质景观明显改善等几个方面。图2显示了以香根草为主体的漂浮型复合系统结合微生物制剂治理试区水体富营养有机污染后的水质景观变化。4.1 水质监测结果2006年8月1日开始投放LLMO菌剂，15天后监测结果见表3；9月5日的见表4，透明度已达120cm；2006年11月和2007年10月见表5。结果表明：各项指标都低于昆明市西山区环境保护监测站常规监测点。在大观河五家堆及3号对照点的透明度仅40厘米，而表5中投放LLMO菌剂的透明度平均提高60cm，BOD下降10倍，其它各项指标均有改善，水质明显提高。实验区水质指标更是接近IV类水体标准，达到景观娱乐用水（表6）。表3 2006年8月16日滇池草海大观河五家堆监测点水质项目pHCODcrBOD5NH3-N (mg/L)TNTP悬浮物数据7.59705.203.0428.071.80-注：3号取样点设在大观楼试验示范区出水口靠大观河一侧，用于对照投放菌剂后生态修复的出水效果。4.2 香根草成活率情况香根草于2006年2月开始栽植，30左右都没出现返青，直到5月6日才观察到发芽返青（表7），成活率达90，30天后产生新的分蘖，平均每丛分蘖数从种植时的0增加至1-10株，最高分蘖数10株（表8）。表4 大观楼试验检测对照效果项目出水口对照点（2006年9月5日本底数据）大观楼试验示范区11：0011：3012：00平均最大最小平均BOD54.25TN11.2311.3911.2316.616.813.515.15CODMn90573962504748.5PH7.467.357.377.527.677.117.39TP1.481.030.7711.05NH3-N3.1793.0322.6309.8108.2064.7406.47SS261216536413.5表5 2006年11月与2007年10月生态工程示范区实测数据对比时间编号pH透明度DOCODTNTPSSBOD(cm)（mg/L）2006年19.27367.751352.540.49739611月29.1327.071372.890.517249.539.21357.821402.820.565359.849.02396.881352.570.5992410.659.37355.84 1332.610.6884210.42007年19.2497.10792.170.638271.610月29.351206.95962.520.586255.439.35907.331282.570.598191.449.35797.21662.570.62241.759.21356.88812.310.586221.7表6 实验区水质指标达到景观娱乐用水* 项目CODcr(mg/L)BOD5(mg/L)TN(mg/L)TP(mg/L)悬浮物(mg/L)IV类水体标准30.0401.50.120观察数据30-4040-451.5-80.1-0.925*接近地面水四类标准表7 香根草发芽返青和成活率的观测结果日期2006年4月29日2006年5月6日地点成活率 (%)平均长度 (m)每丛平均分蘖数平均长度(m)每丛平均分蘖数每丛最大分蘖数1890.0310.04112920.0420.06213910.042-30.072-335. 结果与討论5.1 复合系统集成技术处理效果好该集成技术对湖泊、河道污水处理及水体修复效果好，是从生态系统多维立体的构成来完成生物种属的合理配置及优化组合，充分体现了运用系统工程集成技术进行生态治理的合表8 2006-2007年试验区香根草生长分蘖情况 (取平均值)编号成活率（）6月6日7月6日9月10日2007年2月11日最长根系（cm）株高/m分蘖数/ 丛株高/m分蘖数/ 丛株高/m分蘖数/ 丛株高/m分蘖数/ 丛1940.374-80.7910-16131.612-18156.518-2640.32930.394-80.7610-12129.718-19159.618-2945.463970.374-70.7610-17132.216-18158.516-2960.16理性、完整性、科学性。对有机污水中的主要污染降解率均可达到86%以上，降解率达90%以上，同时也能快速转化降解河道和湖泊水体中的污染物质，在水体中较快地建立初级食物链，构成了生态系统多维立体的生物种属的合理配置，效果明显，表现为：浮游生物种群数量增加，水体中生物多样性得以恢复。水质清澈透明、透明度1m、香根草等水生植物茂盛、水体生态平衡，并可饲养观赏鱼。各项指标将均优于GB12941-91景观娱乐用水水质标注C类(一般景观用水)标准值。体现了操作简便、不受环境、地域条件限制。成本低廉，治污的同时能产生出经济回报和景观效果。5.2 以香根草为主体治理水质污染潜力大香根草已显示特别的潜力，适合于作为支配植物构建人工植物浮岛，是一种适合在云南富营养化湖泊生长的植物，其生物量大、生长速度快，能有效的处理未经稀释的生活污水和净化工农业污水。运用到大型湖泊河道的治理效果很好。如配合微生物挂膜,可明显起到分解、转化污染物的作用。 5.3 漂浮型复合系统解决流动水体污染从自然界中获取和分离对人畜无害又能吸收水中氨氮和硝基氮、分解动物蛋白，抑制有害病菌生存的微生态制剂，经过人工复壮、培养、繁殖并高度浓缩，投入河流中，使其发挥治污作用，这种方法是目前最可取、也是最有发展前景的方法。但在流动的水体中使用，会随水流失，无法维持。我们设计的漂浮型复合生物脱氮除磷附菌载体系统正是为解决这个难题而开发的。是由四个不同的系统构成的亲水设施：香根草植物材料浮动载体，上面配置惰性高分子材料的生物包、轻质脱氮除磷颗粒和经驯化改良的具有高净化能力的水生植物香根草及配套的其它景观植物。该平台犹如一个浮动景观污水处理系统，系统中香根草的根系发达，4个月就能形成牢靠的网状根系，是天然的附菌载体，其功能主要是: 在流动水体中，防止接种的微生态净水制剂不会随水流失；吸附后的Phoslock轻质漂浮型脱氮除磷颗材料、不仅可以除磷，还能有效的去除氨氮，易于回收。更为突出的特点是该材料的轻质漂浮性使其不增加额外污泥，且易再生，可循环使用也可用作其它用途，作为无土栽培植物的营养基质。特点表现在：多孔结构、疏松、透水透气、有吸收水份和气体的特性，内含植物生长所需的大量丰富元素，而且能缓冲释放植物所需的营养物质。同时可为该系统中的高净化能力的水生植物香根草及景观植物提供营养。总之，通过在水中设置具有净水功能的香根草配合促进水生植物根系快速发达的复合微生物菌剂释放器，形成一整套立体的水体污染物转化、分解、去除处理系统。其结果是：复合微生物菌剂释放器载有多菌属的菌株，释放出的微生物在摄取水中营养物质后，增加了活动的能量，自身快速生长繁殖，通过代谢活动，迅速在释放器表面及浮岛上种植的香根草等水生植物根系着床形成生物过滤膜，对水中的污染物进行拦截、吸附、过滤，形成一个个浮动的污水处理厂，净化水质，提高水中溶解氧。最终浮岛上种植的水生植物成为具有固氮、吸磷、分解有机物的各属微生物的受纳体，使其生长茂盛，实现了生物种属的合理构成，使氮、磷等有机污染物得以最大限度地在食物链(网)中进行降解和去除，使污水中能量得以高效地利用。是治理湖泊、河流富营养的新技术方法。参考文献1 马立珊、骆永明、吴龙华、吴胜春浮床香根草对富营养化水体氮磷去除动态及效率的初步研究J2 香根草人工湿地污水处理技术在中国的研究与应用3 由文辉、刘淑媛、钱晓燕水生经济植物净化受污染水体研究J华东师范大学学报(自然科学版5 Nualchavee Roongtanakiat,Tanasun Nirunrach, Supitcha ChanyothaUptake of heavy metals in landfill leachate by vetiver grassJ available at 2000.1(1):100-1026 刘金祥、王铭铭淹水胁迫对香根草生长及光合生理的影响J草业科学200522（7）：71-737 刘士哲、林东教、何嘉文、唐淑军、何臻铸猪场污水漂浮栽培植物修复系统的组成及净化效果研究J华南农业大学学报200526（1）：46-498 夏汉平、柯宏华、邓钊平、谭鹏、刘世忠人工湿地处理炼油废水的生态效益研究J 生态学报200323(7)：1349-13359 廖新佛 、骆世明人工湿地对猪场废水有机物处理效果的研究J 应用生态学报200213（1）113-11