CN107651754B - 一种修复富营养水体的复合生态***构建方法及人工礁石 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复富营养水体的复合生态***构建方法及人工礁石，构建时将带有沉水植物的人工礁石尖端***水体底泥中，待沉水植物生长稳定后，适当曝氧后，在水体中投放清藻类生物，待清藻类生物种群稳定后，投入生物复合菌，适当维护，待***完整即可。该人工礁石，包括由火山岩制成的空心人工礁石，所述人工礁石的空心内填充有包含植物根径底端的凝胶，所述人工礁石的表面包覆有海藻酸钠凝胶溶液的固化层。空心人工礁石优选为锥形，锥形尖端***底泥中。本发明复合生态***构建操作简单、周期短、成本低、应用性强，且可以使水体长期保持清澈见底，同时有一定的厨余垃圾处理能力和生态养殖高营养价值泥鳅的能力。

Description

一种修复富营养水体的复合生态***构建方法及人工礁石

【技术领域】

本发明涉及一种修复富营养水体的复合生态***构建方法及人工礁石，属于环境保护技术领域。

【背景技术】

水体富营养化是指在人类活动的影响下，水体中氮、磷营养物质的富集,引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧量下降、鱼类及其它生物大量死亡、水质恶化的现象。我国自20世纪80年代以来，由于经济的急速发展和环境保护的相对滞后，许多湖泊、水库已进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、西湖、东湖、南湖、玄武湖、渤海湾、莱州湾、九龙江、黄浦江等。2014年对我国62个重点湖泊水质状况调查发现，被污染的湖泊占38.7％，其中主要我国主要淡水湖太湖、巢湖、滇池都达到了富营养化水平。近20年来,湖泊富营养化发展严峻，我国富营养化湖泊主要分布在长江中下游湖区、云贵湖区、部分东北山地及平原湖区与蒙新湖区。主要淡水湖泊除了位于人烟稀少地区和处于原始状态的部分湖泊外,其营养盐水平基本上均达到了发生富营养化的标准。随着经济的高速发展，人口的急剧增长以及工业化和城市化进程的加快，氮、磷营养物质向水体的排放量日益增多，加剧了水体的富营养化,富营养化湖泊的数量和面积已居世界前列，湖泊富营养化已经成为严重威胁我国水资源和水安全的最重要的社会和环境问题之一。水质污染严重和水环境质量恶化加剧了水资源危机，并将影响人们的生活和我国经济发展的速度。因此，保护水资源，防治水体污染以及富营养化水体修复是当今我国乃至世界环保工作的一个重大方向。

人工种子包被技术是将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等)包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。1981年Lawrence等研究了芹莱和茜筐体细胞包裹的液胶包埋带技术以后,便有越来越多的人工种子方面的报道。1987年我国开始将人工种子纳入国家高科技发展规划(863计划),对一些经济作物如橡胶树和一些我国南方的特有果树的人工种子进行研究。据王宏霞等的研究(2011)，结果表明，以MS液体培养基+海藻酸钠(3％)+活性炭(0.5％)+多菌灵(0.3％)+苯甲酸钠(0.2％)+壳聚糖(0.05％)+6-BA(0.5mg/L)+NAA(1mg/L)制作的半夏人工种子，其萌发率最高，达到80％；据安彦杰等的研究(2009)，以海藻酸钠+MS+蔗糖+IBA 1.0mg/L+6-BA 0.5mg/L制作的菹草人工种子在灭菌自来水中萌发率可达80％,且转株率达20％。国内外的研究和应用表明，人工种子与天然种子相比，具有繁殖速度快、生产周期短,可工厂化大规模制备、贮藏、迅速推广、生产不受季节限制等优点。目前,人工种子的研究范围主要集中于一些重要的粮食作物和经济作物，药用植物，以及观赏植物等,但在沉水植物的应用较少。

富营养化水体修复技术经历了若干年的发展，目前国内外采用的湖泊水体修复技术可分为物理法、化学法和生物/生态法。

物理法主要包括底泥疏浚、引水换水、污水截留、造流曝气、机械除藻等。

底泥疏浚指把污染底泥从水体中清除出去，此方法可以较大程度地削减底泥对上覆水体的污染贡献率，从而改善水质。在很多情况下，底泥疏浚是一种必需的措施，此法见效快，效果好。例如瑞典的Trummen湖、滇池草海等在疏浚工程实施后水质都有了明显的好转。然而，对于疏浚的效果还存在一些争议，南京的玄武湖、日本的Suwa湖都是疏浚失败的例子。疏浚底泥的环境效果与疏浚方法有关，疏浚可能对生态修复产生负面影响。此外，疏挖底泥费用昂贵，对水体生态破坏较大，清除的污泥处置困难，容易造成二次污染。底泥疏浚只能作为湖泊水体修复的辅助手段。

引水换水是将外来清洁水源注入湖泊水体，起到稀释水体污染物的作用，降低营养盐浓度，减少藻类生长，对提高水体透明度有一定作用。但此种方法不仅对补水水源的水质水量要求高，而且大流量调水成本高昂。

污水截流即将原本直接排入湖泊的污水收集到污水厂处理后再排放。污水截流是削减排入受纳湖泊水体的污染物总量。环境治理的一个共识是源头治理最重要、过程治理次之、最后是终端治理。污水截流是源头治理，是治理湖泊水体污染的前提条件。但是污水截流法不能消除内源污染、干湿沉降等污染源；大部分湖泊的补水水源为河流或降雨，污水截流不能削减来自补水水源的污染物。对于已污染的水体只依靠污水截流很难恢复其水质功能。

曝气是采用机械搅拌、压缩空气、水泵、喷射泵等方法进行曝气，提高水体溶解氧浓度，抑制水体中藻类的爆发，增强水体自净能力，能有效修复受污染水体。但是曝气法存在投资费用高、安装维护困难、运行费用高等问题，不适宜长期应用。

机械除藻是将藻类从水体中移出的一种方式，一般应用在蓝藻富集区，采用固定式除藻设施和除藻船对区域内湖水进行循环处理，有效清除浮藻层。能直接大量清除湖面蓝藻水华，可以作为蓝藻大面积爆发时的应急措施。但是机械除藻速度远比不上藻类生长速度，去除效率低，费用高，作用微弱，不能从根本上解决湖泊水体富营养化和水体景观问题。除此之外，打捞出的藻类的处置也是一大难题。

化学沉淀通过投加化学混凝药剂促进湖水中污染物的沉降，提高水体透明度，抑制沉积物中磷的释放，改善水质。但是化学药剂不仅成本高，效果持续时间短，而且容易造成二次污染。投加化学药剂只适用于应急处理。

化学除藻是利用喷洒除藻剂来去除湖泊水体中的藻类，是一种工艺简单、操作方便的有效杀藻方法。但是化学除藻剂在抑藻的同时也造成了二次污染，对其它水生生物存在毒性。化学除藻剂未从根本上解决水体富营养化的问题，一旦停用藻类又会爆发，化学除藻法只能用于应急处理。

生物/生态修复法是利用培育的植物或培养、接种微生物的生命活动对湖泊水中的污染物进行迁移、转化和降解，从而使水体得到净化的技术。湖泊水体修复常用的生物/生态水体修复技术包括微生物强化法、生物载体法、水生植物法、生物操纵法及人工湿地等。

微生物强化法是通过向湖泊水体中投加人工选育或基因工程培育的修复菌种，通过这些高效菌种快速去除水体中的氮、磷营养元素和有机污染物。此技术操作简单，管理方便，可快速改善水质。但由于水体中缺少微生物的附着基质，投加的微生物往往会随水流损失，要保持良好的修复效果就要持续投加微生物，造成修复费用高昂。

生物载体法是指用天然材料(如卵石)、合成材料(如纤维)为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着面积，有利于加强对污染物的降解作用，提高湖泊水体自净能力。但目前生物载体法还存在以下问题：1)影响湖泊水体景观；2)应用过程中对水域生态***的结构和使用功能造成一定影响，如在污染水体中使用的载体会影响到湖泊的蓄水和泄洪等功能；3)生物膜技术在基建及运行方面所需费用较高。

水生植物法是利用水生植物及其共生微生物吸收和分解污染物，从而起到净化水体的作用。水生植物还可以改变湖水与底泥间的物质交换平衡，促使悬浮或溶解在水中的污染物向底泥转移，澄清净化水质。植物还可以与浮游藻类形成营养竞争，抑制藻类爆发。据研究报道，被制成浮床的大榕草、香根草、水芹、水蕹草、多花黑麦草等，对去除水体N、P和抑制藻类孳生均有明显的作用。通过对水生植物收割去除水体中的氮、磷。水生植物法投资成本低，能促进水生生态***的发展，提高水体景观效果。但是水生植物管理工作量大，管理不到位容易造成二次污染，过多的水上植物会封锁水面，遮蔽阳光，影响水下植被和生物。

生物操纵理论可分为经典和非经典生物操纵理论。经典生物操纵理论是通过人工清除湖泊中滤食鱼类或增加肉食鱼类的数量，使浮游动物数量的增加和组成种类体型大型化，从而提高浮游动物对浮游植物的摄食效率，降低浮游植物的数量；非经典生物操纵理论是通过放养滤食性鱼类直接控制浮游植物数量。实验表明通过鲢、鳙等的放养有效控制微囊藻和蓝绿藻水华，改善水体的透明度。但由于某些复杂因素的存在，试验中往往会出现浮游植物数量增多，水体缺氧，水生生物死亡等现象。生物操纵理论还存在争议，应用于实际水体修复还不现实。

人工湿地一般由人工基质(多为碎石)和生长在其上的水生植物(如芦苇、茳芏等)组成，是一种独特的“土壤—植物—微生物”生态***。利用湿地基质对污染物进行物理吸附、过滤、微生物降解和植物吸收，能有效可靠的处理废水。对水力和污染负荷有一定的缓冲作用，能提供直接或间接效益，如；绿化、野生动物栖息、娱乐和教育等。人工湿地建造和运行费用便宜，在污水处理及景观水体修复中应用较多。人工湿地最大的问题是堵塞，美国环境保护署通过对多个运行中的人工湿地调查发现有近50％的人工湿地***在投入使用5年后出现了不同程度的堵塞。人工湿地的植物必须按时收割，否则容易造成二次污染。填料更换和植物的管理大大增加了人工湿地的维护成本。

因此，现阶段富营养化水体修复存在的问题有：

1)费用高，对环境影响大。如化学修复、底泥疏浚等容易产生二次污染，对湖泊生态***造成破坏。

2)修复效果难以持续。微生物法、化学法虽然能够快速提高水质，但因未能从实质上提高湖泊水体的自净能力，修复效果往往不能持续，当有污染物进入水体时，水环境又受到破坏。

【发明内容】

本发明目的是克服现有技术的缺陷，提供一种结构和功能完整、可以通过自身调节维持***内部稳定性的修复富营养水体的复合生态***的构建方法。

本发明的另一目的是提供一种构建上述复合生态***用的人工礁石。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将带有沉水植物的人工礁石尖端***水体底泥中；

b、待沉水植物生长稳定后，适当曝氧后，在水体中投放清藻类生物，待清藻类生物种群稳定后，投入生物复合菌，适当维护，待***完整即可。

本发明中的锥形人工礁石为锥形空心人工礁石，由火山岩制成，所述的沉水植物由海藻酸钠凝胶包被固化在所述的空心人工礁石内。

本发明中的沉水植物以包含植物根***端的凝胶形式放入锥形空心人工礁石内，所述包含植物根***端的凝胶由厨余垃圾液，EM复合菌液5-8wt％、海藻酸钠3-6wt％和GA375-85mg/l混合制成。沉水植物优选苦草。

制备包含植物根***端的凝胶，方法如下：

取苦草幼苗，清洗干净，切去植株长根，留余植株少许根，用蒸馏水冲洗后，与厨余垃圾液、EM复合菌液5-8wt％、海藻酸钠3-6wt％和GA3 75-85mg/l(厨余垃圾液、EM复合菌液和海藻酸钠的总量满足100％，GA3再根据体积加入)混合制成包含植物根***端的凝胶。

本发明中的清藻类生物为泥鳅和/或滤食性鱼类，投放密度为40-60g/m²,滤食性鱼类为鳙鱼或鲢鱼。

本发明中投放的生物复合菌由光合细菌、沼泽红假单胞菌、地衣芽孢杆菌和施氏假单胞菌组成，投入密度为20-30g/m³。

本发明中的适当曝氧是指使水体DO浓度达到5mg/L，适当维护是指捞取沉水植物死亡的叶片，***完整是指完成一个由生产者、消费者、分解者和无机环境构建的完整生态***。

本发明一种修富营养水体的复合生态***用人工礁石，包括由火山岩制成的空心人工礁石，所述人工礁石的空心内填充有包含植物根径底端的凝胶，所述人工礁石的表面包覆有海藻酸钠凝胶溶液的固化层。空心人工礁石优选为锥形，锥形尖端***底泥中。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

本发明通过向水体中加入生产者(苦草)、消费者(鱼、虾、泥鳅等)、分解者(复合菌)组成完整的生物群落，再与非生物物质和能量共同构建完整的人工模拟生态***。本发明构建的生态***可以较长时间内正常状态下通过自身调节维持***内部稳定性，此间，生产者会利用太阳光和水中营养物质进行生长发育，将水中营养物质转移到植物体内，实现水体净化。

本发明复合生态***构建操作简单、周期短、成本低、应用性强，且可以使水体长期保持清澈见底，同时有一定的厨余垃圾处理能力和生态养殖高营养价值泥鳅的能力。

【附图说明】

图1是本发明实施例1的总磷浓度变化图；

图2是本发明实施例1的氨氮浓度变化图；

图3是本发明实施例2的总磷去除率变化曲线图；

图4是本发明实施例2的氨氮去除率变化曲线图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明：

一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，具体包括以下步骤：

a、将包被有沉水植物的人工礁石尖端***水体底泥中，沉水植物投入密度为600-800g/m²；

b、待沉水植物生长稳定后，适当曝氧使水体DO浓度达到5mg/L时，在水体中投放生物量密度为40-60g/m²的清藻类生物，待清藻类生物种群稳定后，投入生物复合菌，投入密度为20-30g/m³，适当维护，待生产者、消费者、分解者和无机环境***完整即可。

实际上，投入沉水植物、清藻类生物和生物复合菌的量可以根据水体富养程度和需要修复的速度来适当调整，当然首先要保证的是整个生态***的健康循环。

本发明将厨余垃圾应用到水生生态***中，厨余垃圾中蕴含着丰富的有机肥料，将厨余垃圾发酵液包被到植物根系中不仅可以为厨余垃圾的处理提供去向，也可为沉水植物的生长提供营养需要。

本发明将锥形人工礁石应用于生态***修复，解决了生态修复工程中水下种植沉水植物的难题。与此同时，人工礁石也可为底栖生物和鱼类的生长提供产卵和生长的环境，丰富水下生态***的生物多样性。

本发明利用泥鳅捕食水生高等植物碎屑、藻类、水底腐质和泥渣的食性，减少了水体浮游藻类，增加了水体的透明度，而且泥鳅除了用鳃和皮肤呼吸，还具有特殊的肠呼吸功能，可以在较低溶氧的水体生存，具有较强的适用性，可应用于不同污染程度的水体修复，同时，泥鳅喜欢在淤泥中生长，对底泥的扰动进一步释放了底泥中的营养物质，降低了底泥的营养含量。

本发明加入生物复合菌能同时去除水体有机物、氮、磷,且可以有效抑制有害藻类生长，从而降低水体的叶绿素a,提高水体的透明度，同时复合菌为浮游动物提供天然饵料，促进了浮游动物的生长，浮游动物又以浮游藻类为食，进一步抑制了藻类的生长，同时浮游动物又是泥鳅和鱼类的饵料，形成了一条完整的食物链，体现了生态***的完整性。

实施例1：

试验鱼缸：鱼缸用沸水清洗后，在底部铺设7cm高的湖泊底泥或者细沙。

复合生态***构建方法：

a、制备沉水植物：取苦草幼苗，清洗干净，切去植株长根，留余植株少许根，用蒸馏水冲洗后，与粉碎后的厨余垃圾、5％EM复合菌液、3％海藻酸钠和75mg/L的GA3混合制成包含苦草根***端的凝胶；

b、将包含苦草根***端的凝胶放入由火山岩制成的空心锥形人工礁石内，再将锥形人工礁石放入2wt％氯化钙溶液中进行固化反应，待固化后，终止反应即得苦草礁石体；

c、将锥形苦草礁石体尖端***底泥中；密度为800g/m²，加入稀释后的湖泊水样，总磷初始浓度为0.5mg/L，氨氮初始浓度为5mg/L；

d、待沉水植物生长稳定后，适当曝气，使水体DO浓度达到5mg/L时，投放生物量密度为50g/m²的泥鳅和鳙鱼，当鱼类种群稳定后，即未出现大面积死亡情况时，投入主要由光合细菌、沼泽红假单胞菌、地衣芽孢杆菌和施氏假单胞菌组成的复合细菌，投入密度为25g/m³，适当维护，捞取沉水植物死亡的叶片，即完成一个由生产者、消费者、分解者和无机环境构建的完整生态***。

实施例1的生态***构建完成后，每四天检测一次水质，实验周期为15天，设置五个重复。结果如图1所示，富营养化水体中总磷的浓度均下降至0.15mg/L以下，呈显著性下降趋势，表现出较好的修复效果，如图2所示，富营养化水体中氨氮的浓度均下降至0.8mg/L以下，呈显著性下降趋势，表现出较好的修复效果。

实施例2：

野外试验场地：约1.5m深的、面积15m²的池塘，水体富营养化，总磷初始浓度为1mg/L，氨氮初始浓度为5mg/L

a、制备沉水植物：取苦草幼苗，清洗干净，切去植株长根，留余植株少许根，用蒸馏水冲洗后，与粉碎后的厨余垃圾、5％EM复合菌液、3％海藻酸钠和75mg/L的GA3混合制成包含苦草根***端的凝胶；

b、将包含苦草根***端的凝胶放入由火山岩制成的空心锥形人工礁石内，再将锥形人工礁石放入2wt％氯化钙溶液中进行固化反应，待固化后，终止反应，得苦草礁石体；

c、将锥形苦草礁石体尖端***水体底泥中,苦草密度为600-800g/m²；

d、待沉水植物生长稳定后，适当曝气，使水体DO浓度达到5mg/L时，投放生物量密度为40-60g/m²的泥鳅和鳙鱼，当鱼类种群稳定后，即未出现大面积死亡情况时，投入主要由光合细菌、沼泽红假单胞菌、地衣芽孢杆菌和施氏假单胞菌组成的复合细菌，投入密度为20-30g/m³，适当维护，捞取沉水植物死亡的叶片，即完成一个由生产者、消费者、分解者和无机环境构建的完整生态***。

实施例2的生态***构建后，每3天测采集水样监测水体中总磷和氨氮浓度，实验周期为15天。结果如图3、4所示，富营养化水体中总磷、氨氮的浓度呈显著性下降趋势，表现出较好的修复效果，去除率达均在80％以上，池塘水体中总磷浓度下降至0.1mg/L以下，氨氮浓度下降至1mg/L以下。

本发明构建的生态***，可用于修复富营养化的浅层湖泊河流、生物修复氧化塘、城市景观小型浅水湖泊。利用该方法可以指导实际生态修复工程中种植初始密度为600-800g/m²的沉水植物，且可以实现带水作业，大大降低了施工成本，提高了修复效率。

但该***也存在一定的局限性，由于光照对沉水植物生长的影响，这个***不适于应用到较深的水体。

Claims (8)

1.一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将带有沉水植物的人工礁石尖端***水体底泥中；

b、待沉水植物生长稳定后，适当曝氧后，在水体中投放清藻类生物，待清藻类生物种群稳定后，投入生物复合菌，适当维护，待***完整即可；

所述的人工礁石为锥形空心人工礁石，由火山岩制成，所述的沉水植物由海藻酸钠凝胶包被固化在所述的空心人工礁石内。

2.根据权利要求1所述的一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于所述的沉水植物以包含植物根***端的凝胶形式放入空心锥形人工礁石内。

3.根据权利要求2所述的一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于所述包含植物根***端的凝胶由厨余垃圾液，EM复合菌液5-8wt％、海藻酸钠3-6wt％和GA375-85mg/l混合制成。

4.根据权利要求1所述的一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于所述的沉水植物为苦草。

5.根据权利要求1所述的一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于所述的清藻类生物包括泥鳅和/或滤食性鱼类，投放生物量密度为40-60g/m²。

6.根据权利要求1所述的一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于所述的生物复合菌由光合细菌、沼泽红假单胞菌、地衣芽孢杆菌和施氏假单胞菌组成，投入密度为20-30g/m³。

7.根据权利要求1所述的一种修复富营养水体的复合生态***构建方法，其特征在于所述曝氧指使水体DO浓度达到5mg/L。

8.一种修复富营养水体的复合生态***用人工礁石，其特征在于包括由火山岩制成的空心锥形人工礁石，所述人工礁石的空心内填充有包含植物根茎 底端的凝胶，所述人工礁石的表面包覆有海藻酸钠凝胶的固化层。

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