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流域生态环境修复

Lastrevisionon21December2020

流域生态环境修复

流域水污染修复理论与技术

摘要：

自然生态系统是人类赖以生存和发展的物质基础。

人类在改造自然和利用自然的过程中，对自然生态环境所产生的负面效应也变得日益突出。

随着人口急剧增长、长期的工农业污染、大规模的森林砍伐以及资源的不合理利用等全球性问题的出现，直接或间接导致了环境污染、土壤退化、植被破坏、气候异常、生物多样性降低等生态问题。

尤其是对流域水环境更是遭到大面积污染，提出有效的水污染治理和防治措施，对自然生态环境的发展至关重要。

关键字：

水污染修复生态环境

1．生态修复基本思路

对水域水环境污染进行有效治理的前提是控制污染源，只有外源得到了有效控制，作为末端治理技术的水环境污染治理才能见效，不然只能是事倍功半，甚至徒劳无功。

水环境污染实际上是典型的生态问题，在治理污染水域时只有采用生态学的方法才能使生态问题得到最终解决，因此近年来的水环境污染治理强调治理与生态修复相结合，并且更加强调了生态修复的作用。

2.物理修复技术

物理方法修复是经过简单预处理的污水，在湿地系统中通过物理沉淀、过滤、吸附作用进一步除去可沉淀的固体、胶体、BOD5、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的有机物质。

物理措施可以单独使用，往往也是生态修复等措施的前置措施。

人工曝气

人工曝气净化技术是根据湖泊水库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，以提高水体的溶氧水平，恢复水体中好氧微生物的活力，使水体的自净能力增强，从而改善水体的水质状况，促进水体生态系统的恢复，是一种快速、高效、简便易行的污染水体治理技术。

但是投资成本高，运行和管理费用比大。

一般将曝气技术用在污染较为严重的水体的处理。

调水冲污

对水体生态修复，调水是较为有效和普遍的治理方法。

用清洁、营养元素浓度低的水更换富营养化湖水，或增加进水量将发生藻华的湖水冲刷出去通过水体置换，外流引水，可稀释水体营养物浓度，增加水体流动性，从而防止和抑制藻类爆发性繁殖。

“引清冲污”能够引起污染物转移，操作不当会引发更大面积的水污染。

由文献[5]可以看出，单纯用调水冲污的办法控制富营养化藻类的过度生长繁殖，往往难以奏效，充其量也只是一项治标不治本的应急措施。

底泥生态疏浚

湖泊底泥是湖泊水生态系统的重要组成部分，是湖泊营养物质循环的中心环节，也是水土界面物质（物理的、化学的和生物的）积极交换带。

湖泊底泥中富积的营养物是湖泊主要的营养内源，是造成湖泊水体富营养化和藻类疯长的营养盐主要来源之一。

关于清淤不仅费用高、技术难度大，而且影响清淤结果的因素也很多。

极易造成二次污染，所以，清淤只能是修复水体生态系统、改善水质的一种辅助和补充方法。

减少外源污染、改善生态结构才是关键途径。

3.化学修复技术

污水的化学处理方法就是利用污染物的化学反应来分离、回收污水中的有害物质，或使其转化为无害的物质。

化学方法处理污染水体主要是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、pH，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质。

利用物质的胶体化学性质，应用絮凝原理，使水华生物凝聚沉淀到水体底部，同时维持一定浓度的Cu2+的浓度可以产生杀藻的作用。

王红梅等（2004年）在滴水湖整治设计中应用了化学方法的应急除藻方案。

化学法具有操作简单、用量少等优点，且其见效一般较快，通常可以作为一种应急方案。

用化学方法治理富营养化水体需大量投加化学药剂，成本较为昂贵，同时也容易引起二次污染，对水体的整个生态环境也会有一定的影响。

此外，化学法用于富营养化水体的治理通常具有可持续性，并没有解决问题的根本。

因此，如果采用化学法的同时没有其它适宜的辅措施，水体很快便又会出现富营养化问题。

化学修复技术主要是针对污染物的特征通过添加化学药剂以强制去除或固定污染物，达到对生态环境的修复，如絮凝剂可促进污染物沉淀，石灰可以脱氮，化学药剂除藻、调节pH对重金属进行化学固定等。

化学修复技术操作比较简单，短期效果好，但易造成二次污染。

目前，化学修复主要被用于污染土壤的生态修复中，土壤化学修复方法主要包括各种中和或去除有毒物质的技术，涉及土壤淋洗修复、溶剂浸提修复、化学氧化修复、化学还原修复、化学脱氯修复、电化学修复、真空浸提修复、沉淀修复和活性炭吸附修复等。

郭明等采用模拟法和色谱检测技术对土壤中的农药残留进行了化学修复治理，结果表明，通过单糖组分处理及改变土壤的pH均可在一定程度上影响农药的降解率，加速农药分解，从而降低土壤中农药的残留量。

利用漂白粉、水和二氧化碳消毒剂作为氧化剂，张涛等通过化学氧化修复方法来处理氰化物污染的土壤，结果显示低浓度的二氧化碳强氧化剂修复污染土壤效果最好［17］。

利用化学钝化方法对Zn/Cd模拟污染土壤进行了化学修复，结果表明，凹+P处理效果最好，凹凸棒石可在一定程度上降低弱交换态Zn的含量。

利用化学萃取方法对重金属污染的土壤进行了修复，不同化学试剂处理效果比较表明EDTA去除污染土壤中各种重金属的效果均好于其他几种萃取剂。

段雷等研究表明，投加碱性修复剂能有效提高土壤和土壤溶液的pH，增加土壤盐基饱和度和可交换盐基含量，从而有效缓减土壤酸化[3]。

将化学改良法应用于盐碱化的土壤改良，结果表明石膏法改良后的土壤电导率和pH均呈现下降趋势，该措施能大大减轻盐碱胁迫对作物生长的影响。

3.生物修复技术

生物作用是通过微生物代谢、氧化作用、植物的吸收及细菌的硝化与反硝化作用进一步除去BOD5、氮、磷、胶体和难溶有机物质及重金属。

通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。

生物膜修复技术

生物膜法是指天然材料（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表面，有利于加强对污染物的降解作用[6]。

生物膜法具有较高的处理效率，对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。

它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。

此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。

植物修复技术

水生植物可降低水的流速与水动力扰动作用，稳定沉积物，为底栖生物提供良好的栖息地，并可通过光合作用将光能转化为有机能，向水体释放氧气，促进生物地球化学循环，达到净化水体的目的。

水生植物生长过程中吸收同化碳、氮、磷等营养元素，有利于水体的生物地球化学循环；且通过人工收获利用其资源的同时将其固定的氮、磷带出水体，减少水体的营养负荷。

而以单优势群落为主体的生态系统则是非优化的生态系统，有时易造成二次污染，加重水体的富营养化水平。

植物修复是按照生态学规律，利用植物自然演替、人工种植或两者兼顾，使受到人为破坏、污染或自然毁损而产生的生态脆弱区重新建立植物群落，恢复生态功能的技术体系［2］。

它具有绿色、安全、成本低和美化环境等方面的优点，因此也被称之为绿色修复，同时它也是应用最广泛的生态修复技术。

重金属污染或有机物污染是一种常见的土壤污染，植物修复在此类土壤治理中具有较好地修复效果，其原理就是在利用某些特定植物吸收、利用、降解或转移环境中污染物质的同时，植物本身的形态、性质等未受到影响，从而达到去除环境中污染物，使污染环境得到修复和改善的目的。

植物修复也被广泛地应用于退化环境的生态修复中，而选择适宜植物种类是进行此类修复的关键之一。

在陆地生态环境修复中，耐干旱、耐瘠、固氮、速生和高产的草本或灌木是首选种类。

刘沛松等针对伏牛山低山丘陵区的退化生态环境现状，提出了以豆科牧草紫花苜蓿和乡土树种立体配置的林－草复合生态修复模式，该研究结果为伏牛山低山丘陵区植被恢复与重建提供了理论和现实依据［6］。

许佐民等研究了矿区退化环境的生态修复，认为应以植物修复为主，对引入植物种类的选择应根据发展目标的不同来决定，如要发展畜牧业，可以引种优质牧草，若将枝条编制业作为发展目标，则应积极发展紫穗槐、柠条等，如果要提供薪材，在混交林阶段可适当加大薪炭林比重［7］。

叶瑞卿等利用植物修复技术对退化草地进行了系统修复，修复后的退化草地四度一量分别提高了1．97、1．18、3．31、5．11、1．85倍，施肥使草产量提高21．6%～80．0%，补播提高5．4%～62．2%，退化草地修复后优良植物群落、营养成分明显提高，植物多样性、丰富度、均匀度明显改善，土壤侵蚀量仅为对照草地的13．5%～33．9%

人工浮岛技术

自然界的水生植物附近的细菌群落的种类和数量远比自由水体中丰富。

植物通过植物吸收、根系阻留和植物根系上生长的生物膜来去除水体中的污染物。

也有学者指出植物通过植物稳定、根际修复、植物转化、根际过滤、植物挥发等方式净化水体。

不少学者利用多花的黑麦草研究了处理污染水体的技术。

生物操纵技术

生物操纵技术即通过去除食浮游生物者或添加食鱼动物降低浮游生物食性鱼的数量，使浮游动物的生物量增加或体型增大，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。

有研究发现[10]，经过人工驯化、固定化微生物和转基因工程菌能够大大减小持久有机污染物类污染物的含量。

4.微波技术

微波是指频率为300～300000MHz的电磁波,介质在微波场中主要发生离子传导和偶极子转动。

微波辐射常作为诱导化学反应的催化剂。

许多磁性物质、活性炭、过渡金属及其化合物等对微波有很强的吸收能力,微波辐射也会使其表面产生许多“热点”,这些热点处的能量比其他部位高得多,因此在这些区域化学反应较易发生。

另外,微波可用于污染物的降解。

在污染水体中,由于微波仅对其中的极性分子起作用,电磁场使极性分子产生高速旋转并发生碰撞加剧分子活性,降低反应活化能和分子的化学键强度,提高化学反应速率；剧烈的极性分子震荡,可使化学键断裂,使污染物得到降解。

此外,微波可扰乱生物体内的电场分布,且对动物神经、内分泌、膜通透性、离子水平等都有影响,微波辐射可用于杀灭细菌等生物体。

5.复合生态修复技术

生态修复是一个复杂的系统工程，因此通过单一修复技术很难完成对整个生态环境的系统修复，且其修复效果和效率均比较差。

究其原因，可能是由于单一修复技术自身存在一定的缺陷所致，如化学修复虽速度快，但耗资大，在实际应用中难以调控，同时，化学修复因子容易受环境中pH以及原有无机物、有机物的影响，且易形成毒性更大的副产物，容易造成二次污染;微生物修复相对而言比较经济且不会产生二次污染，但容易对环境中的一些结构产生不良影响，导致有机体的损伤，有时其产生的气态污染物对大气也会造成一定的污染;植物修复尽管具有很多优点，但它的修复周期相对较长，与其他修复法相比也具有较大的局限性，其只有与其他技术相配合才能取得更好的修复效果。

复合修复技术就是在充分分析不同修复技术特点的基础上，扬长避短，通过不同修复技术间的有效组合，从而形成一个全新的复合生态修复技术。

化学－生物联合修复就是一种常见的复合修复技术，其主要修复机理是通过化学氧化、土壤催化氧化、化学聚合、化学还原、化学脱氯与生物修复中植物的超积累富集吸收、微生物的分解与固定综合利用来去除污染土壤中的重金属和有毒有机物，与单一的修复法相比，化学－生物联合修复有机物污染效率更高。

联合修复技术是治理污染土壤的有效途径，其实质就是通过各种修复方法与其他辅助性措施之间的组合或联合，形成一个复合生态学原理，最终达到激活土壤生态系统自净功能的目的。

周启星等则认为污染土壤生态修复最基本的联合修复方式应有2种，一是以植物修复为主体的植物修复－化学强化或生物化学强化、植物修复－物理化学强化、植物修复－酶学强化或它们之间的联合修复;二是以微生物为主体的微生物修复－化学强化或生物化学强化、微生物修复－物理化学强化、微生物修复－酶学强化或它们之间的联合修复［17］。

陈立等利用联合修复技术对石油污染土壤进行了修复研究，结果表明，黑麦草（苜蓿）微生物联合技术修复效果最佳，石油烃降解率达67．38%［13］。

6.小结与讨论

21世纪以来，随着工农业生产的迅速发展，人类对自然资源需求水平的不断提高，环境资源的不合理利用和环境的污染现象频繁发生，这使得全球生态环境条件日益恶化。

近年来，我国已把生态建设和环境保护列为必须着重研究和解决的一个重大战略性问题，明确提出要遏制生态恶化，加大环境保护和治理力度，而水污染修复技术无疑是解决当前生态威胁的最重要手段。

虽然我国的水污染修复技术取得了较好的研究进展，并发挥越来越重要的作用，但就目前情况来看，还存在以下几方面的问题:

①许多研究成果主要集中在实验室或小规模的模拟试验上，在复杂条件下的大规模实际应用的效果还需要进一步验证，另外，如何加快科学研究向应用甚至商业化的转化也是亟待解决的难题;②应该将分子生物学、环境工程学、基因工程等理论和方法运用于生态修复技术中，交叉综合地运用各学科的知识，有效实现水污染修复技术的不断创新;③不同的修复技术在修复周期、成本及副作用等方面存在差异，需要将现有的技术进行有效地整合或发展出新的更为有效的修复技术。

以上问题希望在以后的研究中能够引起足够的重视。

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