水体富营养化修复技术

根据富营养化程度不同制订切实可行的污染控制方案是富营养化防治的重要措施之一。

（一）物理修复

主要是以实验室中培养的藻类生长测定结果为依据，对于外源性污染采取内源性和外源性防治措施，控制、减弱水体及底泥中的富营养化程度，并对其进行修复。

1.截污削减外源性污染

国内外湖泊水污染治理的经验表明，截污和污水深度处理是削减污染负荷的有效措施。通过控制氮和磷的排放来防治富营养化，对河口和近岸水域生境有着十分重要的意义。首先要根据海区的自净能力确定城市生活污水、工业污水、畜牧业排水和农田排水的流入量。其次禁用或限用含磷洗涤用品，有效控制地表水中的磷浓度，从而减少排入海洋中的磷元素。最后对入海河流流域中的废水进行进一步处理。

在我国，对于污水处理，国家质检总局1998年颁布了《污水综合排放标准》，该标准的实施可对控制水污染，保护江河、湖泊、运河、渠道、水库和海洋等地面水以及地下水水质的良好状态，保障人体健康，维护生态平衡起到一定的效果。

2.絮凝沉降

该方法主要是利用具有吸附特性的材料，如黏土、活性炭、壳聚糖等，对大量繁殖的藻类进行吸附沉淀。由于物理材料具有天然无毒、操作方便、价格低廉、吸附效果良好等优势，这种方法在淡水水体富营养化的治理中得到了广泛的应用。这种方法的缺点主要是不能杀死浮游藻类，因而不能防止赤潮的再次发生。

3.曝气复氧

曝气复氧是目前国内外比较常用的修复受污染水体的一种方法。曝气复氧技术是根据水体受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气或氧气，加速水体复氧过程，迫使有毒气体逸出，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善受污染水体的水质，进而恢复水体的生态系统（林建伟，2005）。常用的人工增氧设备包括增氧机、臭氧发生器等。

4.机械捕捞收获

对于富营养化非常严重、已产生水华的水域，可在短期内用机械方法收获其中大量的藻类（见插文；图12-18）。为了防止残留的植物残骸引发二次污染，在打捞过程中需要对藻体进行彻底清理。这种方法见效很快但需要耗费大量的劳力资金。随着藻类的生长，往往需要反复地对水体进行清理。鉴于某些藻类自身的特性，打捞过程中的机械扰动可能降低藻类的密度，但也可能促使藻类继续增长。如果大量繁殖的藻类没有商业价值，那么此种方法的成本过高，且无法产生直接的经济效益。

在某些特定的环境中，利用自然动力收获藻类可有效地减轻富营养化的危害。国内已有使用该法，成功治理淡水富营养化问题的先例。例如，在太湖水域利用自然风能和洋流作用在富营养化水域建造富集藻类的设施，目前已经取得了良好的效果。

浒苔打捞

为提高浒苔清理速度，胶州市海洋与渔业局与青岛市鑫海渔业公司网具研制中心积极调配科研力量，研制出清除浒苔的多种专用网具。一是对船浮拖网。将传统渔网去掉深水层的拖动缆绳，使渔网浮在水面上层作业。该网具由两艘钢壳渔船拖动，最大优势是浒苔不挂网，便于装卸。二是小围网。该网具幅面窄，由小马力渔船拖动作业，便于操作。三是顶层围拖网。根据外海浒苔分散的特点，开发研制了200～400米的顶层围拖网。该网具由大马力拖船拖动，在外海作业。作业时利用围拖网将大面积浒苔聚拢，然后利用大型机械船机械手直接抓运浒苔（图12-18）。

5.浮体控藻

浮体控藻主要是利用一些漂浮在水面上的物理设施（称为浮床）遮光，以起到控制藻类过量繁殖的效果。浮床通常采用塑料、泡沫板、竹料等材质制成，成本较低。在日本霞浦湖的修复过程中，浮床能够削减94%的浮游植物，起到了良好的效果。但是浮床抗风浪或防腐的能力较差，腐烂破碎后容易造成水体的二次污染。

图12-18　浒苔打捞处理方式及流程（来源：http://www.docin.com/p-520998788.html）

（二）化学修复

1.钝化营养盐

为了控制水体中的营养盐浓度，可在入水口处直接添加化学药品或向水体中直接投洒化学药品以钝化沉淀水体中的营养盐（主要是磷）。

在处理湖泊富营养化问题时，通常添加碳酸钠过氧水合物、茵多杀铵盐、铝盐（明矾、氯酸钠）、铁盐、石灰等使磷沉积到水底，减少磷的释放和营养盐循环。但在实际应用中，这些化学药品对富营养化的控制均不成功；且从生态毒理学角度看，使用化学药品对生态系统具有潜在威胁。

2.化学除藻

化学除藻是用化学药品（如硫酸铜和其他除藻剂）控制富营养化水域的藻类的方法。化学除藻剂一般可分为氧化型和非氧化型两大类。非氧化型主要为无机金属化合物及重金属抑制剂，如铜、汞、锡、有机硫、有机氯、铜化合物和螯合铜类物质等；氧化剂主要为卤素及其化合物、臭氧、高锰酸钾等（张饮江等，2013）。

化学药品可以快速杀死藻类。但死亡的藻类所产生的二次污染及化学药品的生物富集和放大作用对整个生态系统也会产生很大的负面影响。此外，长期使用低浓度的化学药物还会使藻类产生抗药性。因此，除非在应急处理中，或得到特别的安全许可的情况下，一般不建议采用化学除藻法。

（三）生物修复

作为营养盐控制的一种替代技术，生物调控是通过重建生物群落以得到一个有利的响应，常用于减少藻类生物量，保持水质清澈并提高生物多样性。但在生物修复过程中，水生动物、大型海藻等生物修复过程并非是相互孤立进行的，上行效应和下行效应往往相伴出现，且生态系统中复杂的系统结构和非线性过程难于控制，所以在运用生物修复技术对富营养化水体的治理过程中，也要考虑到物种间的相互影响及生态安全。

1.以水生动物为主的生物调控

利用水生动物来净化富营养化水体，主要是通过放养滤食性和噬藻体的鱼类、浮游动物或其他生物来减少藻类等浮游植物对水体造成的危害。从群落水平上看，部分植食性浮游动物和滤食性的鱼类能把富营养化水域的藻类生物量控制在极低的水平，从而限制浮游植物的过量增长，改良水质。通常情况下，海胆、鲍、蚌等可作为修复生物来养殖以降低底泥中的富营养化程度。同时，在切斯皮克湾的修复实验证明了养殖牡蛎也是一种理想的修复手段（Cerco，2007）。

需要注意的是，在以水生生物为主的生物调控过程中，所饲养的生物量不能超过水体的养殖容量和环境容量。

2.以大型海藻为主的生物调控

在近海海域栽培大型海藻，是一种对环境进行原位修复的有效手段。大型海藻具有很高的营养盐吸收速率、光合作用速率和生长速率。大型海藻在生长过程中，可通过光合作用吸收利用海水中的无机碳、氮、磷等元素，对富营养化水域中的大量氮、磷起到过滤的作用。人工栽培海藻易形成规模，且易于收获，快速生长的同时能从周围环境中大量吸收Pb、Au、Cd、Zn、Co、Cu、Ni、As、Fe、Mn等重金属，放出氧气，调节水体pH，并在水生生态系统的碳循环中发挥重要作用（徐姗楠，2006）。在富营养化水域，盐度、温度、光照、溶解性无机碳和溶解氧等环境条件通常具有很大的波动性，而大型海藻对此具有较强的耐受能力，是修复富营养化水域的理想生物。

按照理论上大型海藻组织中氮、磷的含量可推算出海藻转移水体中氮、磷的能力（表12-18）。经济价值较高的大型海藻，如江篱属、紫菜属、海带属、石莼属、墨角藻属、麒麟菜属海藻可充当海洋生态系统的修复者。浒苔属的海藻对富营养化水体的生态修复也有一定的效果。

表12-18　不同种类大型海藻对氮、磷转移能力

目前，已有大量研究证实，在富营养化海区和养殖海区栽培大型海藻，可达到环境、生态、经济等诸效益相互协调统一的良好效果。大型海藻的生命周期较长，在同一片污染海域中，根据季节变化和不同海藻的生活习性交替种植，可以大大降低水域中的营养物质含量，具有良好的环境效益。此外，人工栽培海藻广泛用于食品加工业中，且藻体还可作为制造化妆品和药物的原料，并可被加工成牲畜饲料或生物肥料（李春雁，2002）。大型海藻可以降低水域内的生态足迹（见插文），提高物质和能量利用效率，提高生物多样性，增强生态系统的功能。因此，这种生物修复的方法是切实可行的。

生态足迹

生态足迹（ecological footprint），就是能够持续地提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间（biologically productive areas），其含义是指要维持一个人、地区、国家的生存所需要的或者能够容纳人类所排放的废物的、具有生物生产力的地域面积。生态足迹估计要承载一定生活质量的人口，需要多大的可供人类使用的可再生资源或者能够消纳废物的生态系统，又称之为“适当的承载力”（appropriated carrying capacity）。这里具体指的是消除1m2养殖活动所带来的富营养需要的开阔近海面积。

例如，1m2鲑鱼养殖释放的氮和磷分别需要340m2和400m2浮游植物同化，对应的生态足迹分别是340m2和400m2。利用智利江蓠和鲑鱼混养，可将氮和磷的生态足迹分别降低到150m2和25m2。

（1）龙须菜（Gracilaria lemaneaformis）。龙须菜是红藻门（Rhodophyta）杉藻目（Gigartinales）江蓠科（Gracilariaceae）江蓠属（Gracilaria）的一个种（图12-19），可进行大规模的生产养殖，是提取琼胶的重要原料之一（汤坤贤，2005）。龙须菜可以大面积减轻养殖污水对海区的污染，防止水体富营养化，并在一定程度上抑制微藻的生长，对抑制赤潮发生有积极作用。在富营养化的近海海域养殖龙须菜可起到良好的修复效果。

图12-19　龙须菜（来源：http://pendiva.com/seaweed/wp-content/uploads/2010/02/gracilaria.jpg）

通常将龙须菜吊养于竹架或绳架上（图12-20），苗绳上每隔10～20cm夹一簇10g的龙须菜，初始养殖密度为750kg/hm2。

图12-20　龙须菜养殖方法（引自汤坤贤，2005）

A.竹架结构示意图；B.绳架结构示意图

修复过程中需在修复区内潮流方向上的内侧非修复区、生物修复区、外侧非修复区布设定点监测站位，在与潮流垂直和平行的方向上均布设监测断面。检测指标包括温度、透明度、盐度、pH、溶解氧（DO）、DO 饱和度、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、无机磷、叶绿素a。

在海区内的实验研究表明，龙须菜修复区的DO浓度明显高于非修复区，无机氮、无机磷、叶绿素a浓度低于非修复区。养殖污水流经龙须菜养殖区后，无机氮、无机磷得到有效的吸收，DO浓度得到提高。

龙须菜的生长率在一定范围内会随营养盐的增加而增大。一般而言，工厂化海水鱼类养殖排放的养殖废水中溶解态无机氮和溶解态无机磷的浓度分别在75μmol/L和15μmol/L以下，此含量的营养盐不会抑制龙须菜的生长（赵先庭，2007）。因此在富营养化海域通过种植龙须菜来进行生态修复，既可以获得较高的经济收益，又可以达到良好的修复、净化效果。

（2）真江蓠（Gracilaria verrucosa）。真江蓠是红藻门（Rhodophyta）杉藻目（Gigartinales）江蓠科（Gracilariaceae）江蓠属（Gracilaria）的一个种（见图12-21），是提取琼胶的重要原料。其藻体紫褐色，有时略带绿色或黄色；直立；单生或丛生；高通常30～50cm，最高可达2m。真江蓠具有小盘状固着器，多生长在潮间带至潮下带上部的岩礁、石砾、贝壳以及木料和竹材上。真江蓠在我国北起辽宁，南至广东、广西沿海均有分布。

图12-21　真江蓠

（来源：http://www.niobioinformatics.in/seaweed/images/Gracilaria_verrucosa.jpg）

经研究发现，除真江蓠（Gracilaria verrucosa）外，细基江蓠繁枝变型（Gracilaria tenuistipitata）、菊花心江蓠（Gracilaria lichenoides）等对养殖区的富营养化海水也具有较好的修复效果。以江蓠与大麻哈鱼共养为例发现，江蓠可去除鱼类养殖过程中排放到环境中可溶性铵的50%～95%（何培民，2006）。

富营养化海区内江蓠的养殖模式有浮筏和网箱两种。

浮筏养殖（图12-22）。将新鲜真江蓠苗种平铺式装入孔径为0.5cm、规格为0.5m×10m的聚乙烯网袋中，每个网袋装真江蓠苗种10kg。网袋口用聚乙烯绳缝合，将网袋长边悬挂在250m长的缆绳上，每条缆绳悬挂5～6个，相邻缆绳上的网袋间隔排挂。缆绳两端用竹桩固定，中央部分用5～6个浮子等距离支撑。通过在缆绳上悬挂重物，调整网袋位置为水面以下1～2m（霍元子，2010）。

图12-22　真江蓠网袋养殖栽培模式示意图（引自霍元子，2010）

网箱养殖。在饲养鱼类的网箱中，用粗绳夹苗的方式养殖江蓠。苗绳大约每隔15cm夹一簇10g左右的江蓠，两端系在网箱内相对的两侧，并使江蓠完全浸没于海绵之下0.2～0.5m。苗绳间距0.4～0.5m。每个网箱悬挂6条苗绳。

孔石莼（Ulva lactuca）。孔石莼属绿藻门（Chllorophyta）丝藻目（Ulotrichales）石莼科（Ulvaceae）石莼属（Ulva），藻体呈片状，近似卵形的叶片体由两层细胞构成，高10～40cm，鲜绿色，基部以固着器固着于海湾内中、低潮带的岩石上（图12-23）。孔石莼广泛分布于西太平洋沿岸海域，在我国辽宁、河北、山东和江苏省沿海均有分布。

图12-23　孔石莼

（来源：http://study.nmmba.gov.tw/Portals/Biology/thumb_%e5%ad%94%e7%9f%b3%e8%93%b4_1.jpg）

实验证明，在实验室静态净化实验中，孔石莼能同时吸收富营养化水体中的氮、磷，尤其是对氨氮具有极强的吸收能力（表12-19）。在养殖水体中，还具有净水和节能的综合效果。此外收获后的孔石莼可作为鲍鱼饵料（李秀辰，1998；顾宏，2007）。

表12-19　孔石莼滤池中水质的变化（引自李秀辰和张国琛，1998）

3.以水生高等植物为主的生物调控

以水生高等植物为主的生物调控方法也是防治水体富营养化的有效措施。高等植物和藻类在光能和营养物质上是竞争者。大量修复实验的检测结果显示，水生高等植物群落稳定性较高，而且能够有效净化重富营养化水体，对过量繁殖的藻类也有明显的抑制作用，可取得很好的成效。

此方法的主要优势在于以下几点：①净化环境所需要的能源由植物的光合作用提供；②许多植物能改善生态景观，具有美学价值；③植物体在富集营养盐后可被收割，部分植物具有经济价值；④ 植物体本身可作为环境污染程度的指示生物；⑤植物的根系能圈定底泥中的污染区，防止污染源进一步扩散；⑥ 植物能为相关微生物提供良好的生存条件（宋关玲，2007）。

4.水生动植物组合的生物调控

利用大型海藻进行修复时，常常通过与双壳贝类混养的方式来控制水体中藻类的密度，改善水质，最终消除富营养化。

（1）麒麟菜与沟纹巴非蛤组合：可通过混合养殖热带、亚热带类型双壳贝类沟纹巴非蛤（Paphia exarata Philippi）和热带大型海藻异枝麒麟菜（Eucheuma muricatum）来进行水体生态修复。二者最佳混养组合为麒麟菜养殖量6kg/立方米、沟纹巴非蛤养殖量60只/立方米（黄通谋，2010）。

（2）鱼、藻、沙蚕组合：该法已在实验生态条件下取得良好的效果。卢光明等（2011）以菊花江篱（Gracilaria lichenoides）、双齿围沙蚕（Perinereis aibuhitensis）和黑鲷（Sparus macrocephlus）为试验动物，在浙江省三门湾蛇蟠岛上的四期围垦养殖池塘内分别对单养鱼、鱼+藻、鱼+藻+沙蚕以及鱼+沙蚕4种不同养殖模式系统中水体及沉积物中的氮、磷等进行了跟踪监测，分析其环境效应。

在总面积为6666.7m2的养殖池塘内设置陆基围隔，围隔中设置长15m、宽10m、高1.5m的网箱。每个箱子内放养黑鲷鱼苗200尾。菊花江蓠分别采用绳筏和网箱的方式，放置于养鱼网箱的上、下通风处养殖；养殖密度为1.5kg/m2。沙蚕每亩放养1.5kg，将其均匀地播撒在围隔内。

在实验过程中，对于各处理围隔内的理化指标进行定点跟踪测定，水化项目每周监测一次，沉积物每10天监测一次。水化监测项目主要包括水体温度、pH、DO饱和度、COD、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、总无机氮、无机磷、总氮、总磷等，沉积物中主要监测总氮、总磷、无机磷。

实验证明，养殖菊花江蓠 1.5kg/m2、双齿围沙蚕 22.5kg/hm2的密度下，能够对水体及沉积物起到较好的净化效果，并且能够有效提高黑鲷的收获规格及产量；其中菊花江蓠的主要作用在于对水体中溶解态无机氮和溶解态无机磷的净化，双齿围沙蚕的主要作用在于去除沉积物的氮、磷污染物。综合考虑，鱼+藻+沙蚕的模式具有最佳的环境效益、产量效益和综合效益（表12-20）。

表12-20　各处理收获生物状况

注：a，b，c，d表示各指标在各处理间的差异显著（P<0.05）。

5.以微生物为主的生物调控

生物修复的基础是自然界中微生物对污染物的生物代谢作用。微生物修复富营养化水体的原理是利用微生物分解有机物的过程将水体中的污染物经过厌氧或好氧代谢，转化为无害物质，如二氧化碳、硝酸盐等；同时有效地降低水体COD和BOD值，改善水质。另外，一些微生物释放酶或抗生素，作用于富有藻类，可以使得藻类裂解，从而达到抑制藻类水华和赤潮的效果。

修复菌种选取的主要标准为菌群的生物学、遗传学特性稳定，对于水体中的生物无毒无害。此外，微生物需要有较快的生长速率，适合大规模培养，并且能够长时间保藏。菌株还需要具有较强的抗逆性，适应各种水质环境。常见的修复菌种有光合细菌和海洋酵母。

光合细菌是研究最早、应用最广泛的微生态制剂菌群，在淡水养殖领域应用较广，在海洋生境的修复中的应用目前研究较少。光合细菌在生长繁殖过程中能利用有机酸、氨、硫化氢、烷烃以及低分子有机物作为碳源，和供氢体进行光合作用，提高水体的溶氧量，保持水质（徐升，2006）。同时，部分菌种在防治虾病、促进虾类生长等方面也表现出了良好性能。常用的菌种有球形红假单胞菌、芽孢杆菌、硝化细菌、海洋噬菌蛭弧、双歧杆菌、鞘氨醇单胞菌属（Shpingomonas）等。

海洋酵母在水质调节中也能起到良好的效果。它可以有效分解水体中的糖类，迅速降低生物耗氧量。并且，酵母作为一种单细胞生物，含有较高的蛋白质、维生素，可作为鱼虾等经济生物的饵料添加剂，提高水产养殖产量。

以微生物为主的调控方法的主要优点在于其在降解水体中的有害物质的同时，能够促进养殖水体中微生态的平衡。虽然微生物在水产养殖上有较为广泛的应用，但是利用微生物，尤其是病毒和细菌，来控制水体富营养化的做法可能会引起水体的二次污染，修复的长期效果仍有待深入研究，一般在应用生物修复技术引入菌种之前，应先进行风险评估。