水环境修复原理与技术课件.ppt

1、第三章第三章 水环境修复原理与技术水环境修复原理与技术1.物理修复技术物理修复技术2.化学修复技术化学修复技术3.生物修复原理及生物修复技术生物修复原理及生物修复技术4.生态修复技术生态修复技术5.综合方法综合方法水环境修复原理与技术水环境修复原理与技术利用物理的、化学的、生物的和生态的方法减少水环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，使污染了的水环境能部分或完全恢复到原始状态的过程成都市府南河综合整治工程在保证水环境结构健康的前提下，满足人类可持续发展对水体功能的要求水环境修复目标示意图v 处理对象不同处理对象不同 传统的环境工程领域，处理对象能够从环境中分离出来，例如废水或废弃物，需要建

2、造成套的处理设施，在最短的时间内，以最快的速度和低成本，将污染物净化去除；而在水环境修复领域，所修复的水体对象是环境的一部分，不可能建造能将修复对象包容进去的处理系统。如采用传统治理净化技术，即使局部小系统的修复，其运行费用也是天文数字。v 水环境修复过程中，需要保护周围环境。v 比传统环境工程学需要的专业面更广，包括环境工程、土木工程、生态工程、化学、生物学、毒理学、地理信息和分析监测，需要将环境因素融入技术中。水环境修复工程遵循的原则不同于传统环境工程学水环境修复工程遵循的原则不同于传统环境工程学确定污染程度、包括污染区域位置、大小、污染区域特征、形成历史、污染变化趋势和程度等外部污染源的

3、范围和类型；内部污染源的变化规律；底泥土壤环境的形成和性质；水动力学特征u水环境污染控制技术和生态恢复技术主要分水环境污染控制技术和生态恢复技术主要分3 3类类:物理方法物理方法，如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等，如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等化学方法化学方法，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐(铝铝盐盐)促进磷沉淀、加入石灰脱氮等。促进磷沉淀、加入石灰脱氮等。生物生物生态方法生态方法，如放养控藻型生物、构建人工，如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被。湿地和水生植被。水水环境修复环境修复技术概述技术概述地表水污染的修复3.1 3.1 物理修复技术物理修复技术物理修

4、复物理修复是经过简单预处理的污水，在湿地系统中通过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、吸附作用物理沉淀、过滤、吸附作用进一步除去可沉淀的固体、胶进一步除去可沉淀的固体、胶体、体、BOD5、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的有机物质。有机物质。目前国内外在水环境修复中所采用的主要物理措施目前国内外在水环境修复中所采用的主要物理措施:引引水冲刷稀释、曝气、机械人工除藻、底泥疏浚等。水冲刷稀释、曝气、机械人工除藻、底泥疏浚等。特点：特点：物理方法操作简单、造价低，但往往物理方法操作简单、造价低，但往往治标不治本。治标不治本。地表水污染的

5、修复3.1.1 冲刷冲刷/稀释稀释 采取引水冲污采取引水冲污稀释稀释污染水体，增加流域水资源量，污染水体，增加流域水资源量，加快污染水体加快污染水体流动流动，加强水体，加强水体自净自净能力。水体流动性能力。水体流动性的加强对沉积物的加强对沉积物-水体界面物质水体界面物质交换交换也有一定影响，也有一定影响，增加河流下层溶解氧含量，对增加河流下层溶解氧含量，对底泥底泥污染物释放产生一污染物释放产生一定的抑制作用，有助于水体生态系统的恢复。定的抑制作用，有助于水体生态系统的恢复。地表水污染的修复3.1.2 3.1.2 曝气曝气污染水体接纳大量的有机污染物后，有机物大量分解造污染水体接纳大量的有机污染

6、物后，有机物大量分解造成水体成水体溶解氧溶解氧浓度急剧降低，甚至出现厌氧状态，导致浓度急剧降低，甚至出现厌氧状态，导致溶解盐释放溶解盐释放以及臭味气体产生。以及臭味气体产生。通过人工曝气，可使水体底层通过人工曝气，可使水体底层溶解氧溶解氧得以恢复，水体中得以恢复，水体中溶解铁、锰、硫化氢、二氧化碳、氨氮以及气体溶解铁、锰、硫化氢、二氧化碳、氨氮以及气体还原还原组组分浓度大为降低，改善水生生物的生存环境。分浓度大为降低，改善水生生物的生存环境。同时，可有效限制底层水体中磷的活化和向上扩散，限同时，可有效限制底层水体中磷的活化和向上扩散，限制浮游藻类的生产力。制浮游藻类的生产力。地表水污染的修复3

7、.1.33.1.3 机械机械/人工除藻人工除藻收获水体中的藻类，可在短时间内快速收获水体中的藻类，可在短时间内快速有效有效的去除藻的去除藻类及藻华。在某些特定环境，利用自然动力收货藻类可类及藻华。在某些特定环境，利用自然动力收货藻类可有效的减轻富营养化的危害。有效的减轻富营养化的危害。机械除藻在过去人工打捞藻类的基础上发展了机械除藻在过去人工打捞藻类的基础上发展了臭氧臭氧/超声波超声波除藻技术，此技术利用超声波的作用使藻类的细除藻技术，此技术利用超声波的作用使藻类的细胞破裂，打破藻细胞内的气囊，使其失去浮动能力而沉胞破裂，打破藻细胞内的气囊，使其失去浮动能力而沉淀。淀。地表水污染的修复 屠清瑛

8、等人分别于屠清瑛等人分别于2001 年年9月月6-8 日和日和14-20日在日在什刹海后海实验区（什刹海后海实验区（50m50m）进行了两次超声波）进行了两次超声波/臭氧复合试验，按每天作业臭氧复合试验，按每天作业7h 计，臭氧计，臭氧/超声波试验证超声波试验证明对明对藻类藻类有明显的去除作用。当水中臭氧浓度有明显的去除作用。当水中臭氧浓度5mg/L 时，时，1h后藻类的去除率平均在后藻类的去除率平均在30%-50%左右；充入臭氧左右；充入臭氧2h（浓度约（浓度约10mg/L)，藻类去除率平均在藻类去除率平均在80%左右。试验左右。试验结果证明，结果证明，总磷总磷也有明显的递减趋势，但是对也有

9、明显的递减趋势，但是对COD 的的作用不甚明显作用不甚明显.地表水污染的修复例：例：在太湖水环境修复中，利用风力、湖流在水源在太湖水环境修复中，利用风力、湖流在水源区域建造富集藻类的专门设施来收集藻类，避免了区域建造富集藻类的专门设施来收集藻类，避免了“水华水华”阻塞取水口而引起的水质恶化，取得良好阻塞取水口而引起的水质恶化，取得良好的效果。的效果。滇池、太湖、巢湖等设立藻水分离站滇池、太湖、巢湖等设立藻水分离站地表水污染的修复3.1.4 底泥疏浚底泥疏浚 可降低水体的可降低水体的内源污染内源污染负荷量和底泥污负荷量和底泥污染物重新染物重新释放释放的风险。对于沉积物中的重金属的风险。对于沉积物

10、中的重金属和持久性有毒有机污染物而言，只能通过环境和持久性有毒有机污染物而言，只能通过环境疏浚方法从湖泊中去除。疏浚方法从湖泊中去除。南明河、苏州河的治理均用到此技术。南明河、苏州河的治理均用到此技术。地表水污染的修复 在湖泊沉积物中，甲烷的产生和营养物的释放可在湖泊沉积物中，甲烷的产生和营养物的释放可以通过增加以通过增加石膏石膏（(CaSO42H2O).）来进行控制。进入）来进行控制。进入到沉积物中的石膏可以到沉积物中的石膏可以增加氧化还原电位增加氧化还原电位、减少甲烷的减少甲烷的产生产生和和抑制沉积物中磷的释放抑制沉积物中磷的释放。地表水污染的修复3.1.5 光催化技术光催化技术基于基于纳

11、米材料纳米材料的光催化特性，纳米材料应对水华和的光催化特性，纳米材料应对水华和赤潮藻具有杀伤能力。赤潮藻具有杀伤能力。纳米材料具有在光照（尤其是紫外光）纳米材料具有在光照（尤其是紫外光）下可以产生下可以产生羟基自由基羟基自由基及及强还原能力强还原能力的特性，对藻细胞内的的特性，对藻细胞内的脂类脂类、蛋白蛋白等生物大分子产生等生物大分子产生氧化氧化作用，从而破坏其作用，从而破坏其生物学生物学功能功能最终导致细胞死亡。因此被认为在消毒杀菌、空最终导致细胞死亡。因此被认为在消毒杀菌、空气净化、污水处理、海洋原油污染清除、自清洁材料气净化、污水处理、海洋原油污染清除、自清洁材料等方面具有很好的应用前景

12、，并已得到广泛的研究。等方面具有很好的应用前景，并已得到广泛的研究。适合用于养殖水体、景观水体的应急性杀藻地表水污染的修复3.2 3.2 化学修复技术化学修复技术 化学修复是化学修复是添加化学药剂添加化学药剂和和吸附剂吸附剂改变水体中氧化改变水体中氧化还原电位、还原电位、pH，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质，是，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质，是利用污染物的利用污染物的化学反应化学反应来分离、回收污水中的有害物质，来分离、回收污水中的有害物质，或使其转化为无害的物质。或使其转化为无害的物质。化学方法操作简单，用量少，见效快，但利用化学化学方法操作简单，用量少，见效快，但利用化学方法治理污染水体

13、需大量投加化学药剂，方法治理污染水体需大量投加化学药剂，成本昂贵，成本昂贵，同同时容易引起时容易引起二次污染。二次污染。地表水污染的修复3.2.1 化学沉淀法化学沉淀法 通过向水体投加通过向水体投加铁盐或铝盐铁盐或铝盐，通过，通过吸附或絮凝吸附或絮凝作作用与水体中的用与水体中的无机磷酸盐无机磷酸盐产生化学沉淀，降低水体磷产生化学沉淀，降低水体磷的浓度，控制水体的富营养化。同时，铝盐能够形成的浓度，控制水体的富营养化。同时，铝盐能够形成氢氧化铝沉淀氢氧化铝沉淀，在沉积物表层形成，在沉积物表层形成“薄层薄层”，可阻止，可阻止沉积磷的释放。沉积磷的释放。地表水污染的修复3.2.2 改性硅藻土强化混凝

14、法改性硅藻土强化混凝法硅藻土是由天然形成的硅藻矿石加工而成，不含有硅藻土是由天然形成的硅藻矿石加工而成，不含有毒化学物质。毒化学物质。改性硅藻土处理湖水时，直接改性硅藻土处理湖水时，直接吸附吸附、化学、化学沉淀沉淀、脱稳絮凝脱稳絮凝、吸附架桥吸附架桥等作用同时存在，湖水等作用同时存在，湖水净化的过程是这些过程共同作用的结果。净化的过程是这些过程共同作用的结果。较适用于开放性大型水体的脱磷和除浊。较适用于开放性大型水体的脱磷和除浊。地表水污染的修复吴蕾、陈云峰在吴蕾、陈云峰在改性硅藻土用于改性硅藻土用于巢湖水巢湖水脱磷研究脱磷研究中研中研究了改性硅藻土除磷最适操作条件，并将改性硅藻土同几究了改性

15、硅藻土除磷最适操作条件，并将改性硅藻土同几种常规混凝剂的处理效果和其经济性进行了对比，与常规种常规混凝剂的处理效果和其经济性进行了对比，与常规混凝剂相比，改性硅藻土混凝剂相比，改性硅藻土出水出水更为清澈透亮，更为清澈透亮，污泥沉降性污泥沉降性能能好，好，污泥量少污泥量少，在建设成本和运行成本上更为节省。，在建设成本和运行成本上更为节省。地表水污染的修复3.2.3 化学除藻法化学除藻法 采用各种采用各种化学除藻剂化学除藻剂进行除藻，效果最显著，但进行除藻，效果最显著，但也最具有危险性。也最具有危险性。例如：单一除藻剂有碘伏、水溶性甲壳素碘等例如：单一除藻剂有碘伏、水溶性甲壳素碘等 复配除藻剂有碘

16、伏复配除藻剂有碘伏-新洁尔灭、碘伏新洁尔灭、碘伏-异噻异噻 唑啉酮等唑啉酮等地表水污染的修复3.2.4 酸碱中和法酸碱中和法 向水体中添加石灰进行酸碱中和，调整水体向水体中添加石灰进行酸碱中和，调整水体酸碱度酸碱度，以适应，以适应水生水生态系统的物种生长、繁殖的态系统的物种生长、繁殖的需要。需要。24120地表水污染的修复3.3 生物修复原理及生物修复技术生物修复原理及生物修复技术1.1.生物修复概述生物修复概述2.2.微生物在环境污染治理中的作用微生物在环境污染治理中的作用 3.3.植物在环境污染治理中的作用植物在环境污染治理中的作用4.4.水环境污染控制中的生物修复技术水环境污染控制中的生

17、物修复技术 3.3.1.生物修复生物修复(Bioremediation)广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。生物修复的概念及其原理生物修复的概念及其原理v生物修复的基本指导思想生物修复的基本指导思想净化速度缓慢净化速度缓慢由于三方由于三方面的原因面的原因生物修复技术系统中生物修复技术系统中添加氮、磷等营养盐添加氮、磷等营养盐接种、驯化高效菌接种、驯化高效菌自

18、然条件下自然条件下DO不足不足营养盐缺乏营养盐缺乏高效菌生长缓慢高效菌生长缓慢供氧供氧快速去除污染物快速去除污染物v生物修复技术的特点生物修复技术的特点 优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复侧重于受污区域的原位生物处理。生物修复技术分类生物修复技术分类按按场地场地划分：原位生物修复和异位生物修复划分：原位生物修复和异位生物修复1)原位

19、生物修复：对受污染的介质(土壤、水体)不做搬运或输送而在原位污染地进行的生物修复处理，其修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件。2)异位生物修复：植被污染介质(土壤、水体)搬动或输送到他处进行的生物修复处理。生物修复的生物类型生物修复的生物类型 土著微生物：环境中固有的微生物土著微生物：环境中固有的微生物 外来微生物：需大量接种的高效菌外来微生物：需大量接种的高效菌 基因工程菌基因工程菌（Genetically engineered bacteria,GEM）植物及超积累植物植物及超积累植物v生物修复的影响因素生物修复的影响因素 营养盐：需添加氮、磷营养元素

20、 电子受体：可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体。共代谢基质 污染现场和土壤特性：土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物修复的速度和程度。有毒有机污染物的物理化学性质生物修复的影响因素生物修复的影响因素 共代谢的含义共代谢的含义 早在早在2020世纪世纪6060年代，人们就发现一株能在一氯乙酸上生长的假单胞年代，人们就发现一株能在一氯乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤，而不能利用后者作为碳源生长。微生物的这菌能够使三氯乙酸脱卤，而不能利用后者作为碳源生长。微生物的这种不能利用基质作为能源和

21、组分元素的有机物转化方式称为种不能利用基质作为能源和组分元素的有机物转化方式称为共代谢（共代谢（co-metabolismco-metabolism）。共代谢又称为共代谢又称为共氧化（共氧化（co-oxidationco-oxidation）或）或联合氧化（联合氧化（combinedcombined oxidationoxidation），辅助代谢（辅助代谢（assistant metabolismassistant metabolism).).因此，微生物不能因此，微生物不能依靠某种有机物生长并不一定意味着这种污染物能够抵抗微生物的攻依靠某种有机物生长并不一定意味着这种污染物能够抵抗微生物的

22、攻击击,当存在其他底物时，这种污染物就会通过共代谢作用而生物降解当存在其他底物时，这种污染物就会通过共代谢作用而生物降解。v生物修复的基本措施生物修复的基本措施 接种微生物或引种超积累植物 添加营养物 提供电子受体 提供共代谢底物以诱导共代谢酶产生 添加表面活性剂v1.1.微生物对有机污染物的降解与转化微生物对有机污染物的降解与转化 微生物是自然界中的分解者微生物是自然界中的分解者 在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成成COCO2 2、H H2 2O O、SOSO4 42-2-、POPO4 43-3-、NONO2 2-、NONO3 3-等无

23、机物。等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、机酸、COCO2 2、H H2 2、CHCH4 4等。等。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。3.3.2.3.3.2.微生物在环境污染治理中的微生物在环境污染治理中的作用作用v2.2.微生物对重金属的转化与固定微生物对重金属的转化与固定微生物虽然不能降解重金属，但是可以降低其毒性，并可将其累积在菌体内使之固定。汞的去甲基化及还原汞的去甲基化及还原 例如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经例如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可

24、使汞离子转化成元素汞，经1010小小时后挥发掉的汞可达时后挥发掉的汞可达75%75%。假单胞菌。假单胞菌K K6262能使无机汞和有机汞形成元能使无机汞和有机汞形成元素汞。素汞。累积及固定重金属累积及固定重金属在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内金属硫蛋白金属硫蛋白(Metalothioneins(Metalothioneins简称简称MT)MT)有关，有关，MTMT是一种低分子量的细胞质蛋白，同是一种低分子量的细胞质蛋白，同Hg,ZnHg,Zn、CdCd、CuCu、AgAg等重金属有强烈的亲和性，结果使重金属富集并抑制其毒性。等重金属有强烈的亲和性，结

25、果使重金属富集并抑制其毒性。变形杆菌难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物适宜的环境条件适宜的环境条件v营养 微生物的生长需要维持一定量的C:N:P营养物质及某些微量营养元素。v电子受体 环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分解时需耗氧。v有毒有害有机污染物的化学性质v污染现场和土壤的特性 适宜的环境条件适宜的环境条件v有毒有害有机污染物的化学性质 污染物的溶解度污染物的溶解度 污染物的辛醇污染物的辛醇-水分配系数水分配系数 非水溶相液体的利用非水溶相液体的利用 污染物的吸着性污染物的吸着性 重金属的生物有效性重金属的生物有效性适宜的环境条件适宜的环境条件v污染现场和土壤的特性

26、土壤物理特性土壤物理特性 土壤化学特性土壤化学特性3.3.3.3.3.3.植物在环境污染治理中的作用植物在环境污染治理中的作用v植物修复的概念植物修复的概念 利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytoremediation)植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物v环境中金属污染的去除方案环境中金属污染的去除方案 场外修复:先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子 微生物修复：生物量小，吸收量小，同时生物体过小难以进行后处理 植物修复：生物量大，吸收量大，同时易于进行后处理。适应重金属胁迫的植物不吸收或少吸收重金属将吸收的金属钝化在植物的地下部分大量吸收金属的同时正

27、常生长可在金属污染土壤中生产符合环境标准的农产品通过栽种植物积累金属，收获后进行植物提取植物修复污染物的方式植物修复污染物的方式v植物固定植物固定(Phytostabilization)指利用植物和其他一些添加物使环境中的指利用植物和其他一些添加物使环境中的金属流动性降低金属流动性降低，生物可，生物可利用性下降，降低金属对生物的毒性。利用性下降，降低金属对生物的毒性。该法只是暂时将该法只是暂时将金属固定金属固定，并没有彻底去除环境中的金属。，并没有彻底去除环境中的金属。v植物吸收植物吸收(Phytoadsorption)指利用能耐受并可过量积累金属的植物吸收环境中的金属离子，将指利用能耐受并可

28、过量积累金属的植物吸收环境中的金属离子，将它们输送并贮存在植物体的地上部分。它们输送并贮存在植物体的地上部分。需要选择能耐受并可需要选择能耐受并可过量积累金属过量积累金属的植物种类。的植物种类。v植物挥发植物挥发(Phytovolatilization)指植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气指植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中。中。该法只适用于该法只适用于挥发性污染物挥发性污染物。某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可

29、能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。植物修复污染物的方式植物修复污染物的方式v 根系降解根系降解(Rhizodegradation)植物中超过植物中超过20%20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外尤其在根表面向外1-3mm 1-3mm 的地方的地方,这些微生这些微生物是没有种植过植物的土壤的物是没有种植过植物的土壤的3-4 3-4 倍。一些微生物可以同植物相结合倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解

30、促进重金属的降解,也可以矿化某些有机污染物如也可以矿化某些有机污染物如PAHsPAHs、PCBsPCBs。植物吸收植物吸收 环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的，并且达到一定程度后具有毒害作用。对于此类化合物，一些植物也演化出了特定的生理机制使其脱毒。植物通常是通过螯合和区室化等作用，来耐受并吸收富集环境中的重金属，这种机制也存在于许多水生植物中。植物吸收植物吸收芦苇芦苇污染物去除功能：去除污染物去除功能：去除BOD、氮、氮生长特点：根系非常发达，生长速度快生长特点：根系非常发达，生长速度快凤眼莲凤眼莲生长特点：生长特点：根系发达，生长速度快，根系发达，生长速度快，分泌克藻物质分泌

31、克藻物质富集镉、铬、铅、汞、砷、硒、富集镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等；铜、镍等；吸收降解酚、氰；吸收降解酚、氰；抑制藻类生长物质。抑制藻类生长物质。污染物去除功能：污染物去除功能：植物吸收植物吸收浮萍浮萍生长特点：生长速度快，分泌克藻物质生长特点：生长速度快，分泌克藻物质污染物去除功能：富集镉、铬、铜、硒污染物去除功能：富集镉、铬、铜、硒;抑制藻类生长抑制藻类生长植物吸收植物吸收Page 48狐尾藻狐尾藻生长特点：生长特点：生长速度快生长速度快污染物去除功能：污染物去除功能：吸收吸收TNT、DNT等结构相近化合等结构相近化合植物吸收植物吸收地表水污染的修复3.3.4.3.3.4.水环境生物

32、修复技术水环境生物修复技术按污染物的主要按污染物的主要特点特点划分：划分：生物操纵法生物操纵法植被群落恢复植被群落恢复生物除藻等生物除藻等优点优点可在可在原地原地被降解；修复被降解；修复时间较短时间较短；就地处理就地处理操作简便操作简便，对周围环境干扰少；，对周围环境干扰少；较少的修复较少的修复经费经费；人类直接暴露在污染物下的机会减少；不人类直接暴露在污染物下的机会减少；不产生二次污染，遗留问题少等。产生二次污染，遗留问题少等。例例：在湖泊管理中，通过：在湖泊管理中，通过放养凶猛鱼类来控制食浮放养凶猛鱼类来控制食浮游动物鱼类，减少食藻动游动物鱼类，减少食藻动物的牧食压力，增大浮游物的牧食压力

33、，增大浮游植物的牧食压力，从而控植物的牧食压力，从而控制藻类的异常繁殖，改善制藻类的异常繁殖，改善富营养化状况。富营养化状况。放养放养生物量减少生物量减少浮游动物浮游动物生物量减少生物量减少凶猛鱼类凶猛鱼类浮游植物浮游植物食浮游生物鱼类食浮游生物鱼类生物量增加生物量增加蚕蚕食食导导致致导导致致控制水体富营养化控制水体富营养化达达到到1.1.生物操纵生物操纵利用生物操纵调整利用生物操纵调整营养结构营养结构，促进水质恢复。，促进水质恢复。在在1975 1975 年，年，Shapiro Shapiro 等提出了生物操纵理论等提出了生物操纵理论生物操纵概念生物操纵概念F指应用湖泊生态系统内营养级之间的

34、关系，通过对生物群落及其生境的一系列凋整，从而减少藻类生物量，改善水质。F主要原理是调整种群结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而限制藻类的过量生长。F调整方法是在湖泊中投放、发展某些鱼种，而抑制或消除另外一些鱼种，使整个食物网适合于浮游动物或鱼类自身对藻类的牧食和消耗p 庇护机制庇护机制F 是指浮游动物赖以逃避鱼类捕食的行为机制或环境条件F 可能的庇护机制包括：a.低光照庇护.水质混浊或藻类密集使光线减弱，可能降低鱼类的视觉，从而减少捕食率；b.低温庇护.前者对温度适应范围较宽，能通过变温层，而鱼类则较窄；c.厌氧庇护.前者耐低氧能力较一般鱼类强；d.对肉食性鱼类的回避行为；e.大型水生植

35、物庇护.水生植物的屏蔽作用，提供了良好的庇护场所。这是在实践中首先被考虑利用的庇护机制。在生物操纵理论基础上，研究者提出了在生物操纵理论基础上，研究者提出了经典生物操纵经典生物操纵法法和和非经典生物操纵法非经典生物操纵法。1）经典生物操纵法）经典生物操纵法 指通过化学方法毒杀、捕捞或放养肉食性鱼的方法，调节浮游动物群落结构和种群数量，促进食藻浮游动物的增长，特别是枝角类种群的发展，通过它们对藻类的摄食降低藻类生物量。经典生物操纵法适合富营养化程度较轻、以小型藻类为主的水域。2 2）非经典生物操纵法）非经典生物操纵法 依靠提高大型滤食性鱼类的密度来控制藻类，如直接放养滤食性鱼类白鲢、鳙等直接摄食

36、藻类。在藻类水华暴发的富营养湖泊中，必须放养密度合理的滤食性鱼，才能收到较好的控制效果。1.1.人为去除鱼类人为去除鱼类v先将湖泊小的鱼类全部捕出或用药剂毒杀后，重新投放以肉食性鱼类为主的鱼类群落，控制浮游生物食性鱼类，保护浮游动物v我国浅水湖泊中应用密网、密箔的捕捞方法v鱼藤酮毒性很大，在沿岸投放浓度达0.25m/L的鱼藤酮可杀死小鱼，也能毒杀溞类，产生负效应2.2.投放肉食性鱼类投放肉食性鱼类v控制浮游生物食性鱼类，进而促进大型浮游动物发展，是生物操纵的主要途径之一。v许多实验表明这种方法对改善水质有明显效果。v但在实践中,该方法常使肉食性鱼类不能长久维持其密度地表水污染的修复 例如：例如

37、：刘建康等在武汉东湖做了刘建康等在武汉东湖做了3 次原地围隔实验，发现次原地围隔实验，发现放养放养4650 gm-3 以浮游生物为食的鲢和鳙，能有效地遏以浮游生物为食的鲢和鳙，能有效地遏制微囊藻水华的爆发。制微囊藻水华的爆发。郎宇鹏等通过野外模拟试验也发现，投放密度为郎宇鹏等通过野外模拟试验也发现，投放密度为50 gm-3 的鲢鱼，对蓝藻有明显的抑制效果。的鲢鱼，对蓝藻有明显的抑制效果。刘建康，谢平刘建康，谢平.用鲍缩直接控制微囊藻水华的围隔试验和湖泊实践用鲍缩直接控制微囊藻水华的围隔试验和湖泊实践J.生态生态科学，科学，2003,22（3）:193-196.郎宇鹏郎宇鹏,朱琳朱琳,刘春光等刘

38、春光等.鲢鱼对淡水浮游植物的抑制作用研究鲢鱼对淡水浮游植物的抑制作用研究J.农业环境科农业环境科学学报，学学报，2006,25(增刊增刊):683-686.地表水污染的修复2.2.植被群落恢复植被群落恢复 通过水环境的通过水环境的生境调控生境调控和植被的和植被的人工重建人工重建促促进进水生植被水生植被的自然恢复，逐步恢复受损水体的的自然恢复，逐步恢复受损水体的生生态系统态系统的结构，包括生产者（主要是水生植物）、的结构，包括生产者（主要是水生植物）、消费者（鱼类）、分解者（细菌）等，在生产者、消费者（鱼类）、分解者（细菌）等，在生产者、消费者、分解者之间建立有效的食物链，促进系消费者、分解者之

39、间建立有效的食物链，促进系统的物质恢复，恢复水体的功能，达到水体生态统的物质恢复，恢复水体的功能，达到水体生态系统恢复的目的。系统恢复的目的。v水生植被修复包括水生植被修复包括 人工强化自然修复人工强化自然修复 人工重建水生植被人工重建水生植被v前者是通过对湖泊环境的调控来促进湖泊水生植被的前者是通过对湖泊环境的调控来促进湖泊水生植被的自然恢复自然恢复。v后者则是对已经失去自动恢复能力的湖泊，通过生态后者则是对已经失去自动恢复能力的湖泊，通过生态工程途径工程途径重建重建水生植被。水生植被。v重建水生植被要依据系统重建水生植被要依据系统生念学和群落生态学生念学和群落生态学理论，理论，重新设计和建

40、设全新的能够稳定生存的水生植被和以重新设计和建设全新的能够稳定生存的水生植被和以水生植被为核心的湖泊良性生态。水生植被为核心的湖泊良性生态。水生植被修复的优化设计水生植被修复的优化设计1.1.水生植被修复的优化设计水生植被修复的优化设计p设计基础设计基础:a.a.由湖盆形态、底质条件和水文条件决定水生植被由湖盆形态、底质条件和水文条件决定水生植被面积、类型和分布格局面积、类型和分布格局b.b.强烈的风浪扰功能决定水生植被的分布格局和面强烈的风浪扰功能决定水生植被的分布格局和面积积c.c.水质和湖水透明度是决定水生植物分布深度和面水质和湖水透明度是决定水生植物分布深度和面积的重要因素积的重要因素

41、沉水植物的最大分布水深约是湖水透明度的沉水植物的最大分布水深约是湖水透明度的2525倍倍d.d.人类需求是决定水生植被类型、面积和分布格人类需求是决定水生植被类型、面积和分布格局的主导因素局的主导因素 v (1)(1)调蓄型调蓄型湖泊：以蓄洪、泄湖泊：以蓄洪、泄 洪、灌溉为主洪、灌溉为主要功能，吞吐量大，要求水流通畅。修复重点：要功能，吞吐量大，要求水流通畅。修复重点：忌讳淤积，不易大规模发展水生植被。忌讳淤积，不易大规模发展水生植被。v (2)(2)水源型水源型湖泊：湖泊：以城镇供水为主要功能，以城镇供水为主要功能，保护水质是恢复水生植被的主要目标。修复重保护水质是恢复水生植被的主要目标。修

42、复重点：应该尽可能地扩大水生植被的面积，并以点：应该尽可能地扩大水生植被的面积，并以沉水植被为主。沉水植被为主。v(3)(3)运动娱乐运动娱乐型湖泊：以水上运动、娱乐为主型湖泊：以水上运动、娱乐为主要功能，水生植被主要起美化环境的点缀作用。要功能，水生植被主要起美化环境的点缀作用。修复重点：水生植被恢复主要在沿岸带，应以修复重点：水生植被恢复主要在沿岸带，应以观赏性湿生植物和挺水植物为主，辅以少量浮观赏性湿生植物和挺水植物为主，辅以少量浮叶植物。叶植物。v (4)(4)观光游览观光游览型湖泊：以观光游览为主要功型湖泊：以观光游览为主要功 能，要求湖水清澈，自然景色优美。修复重点：能，要求湖水清

43、澈，自然景色优美。修复重点：水生植被选择既应满足水质保持的需求，也应水生植被选择既应满足水质保持的需求，也应考虑植物的景观效果。考虑植物的景观效果。e)e)营养平衡和生态平衡原则营养平衡和生态平衡原则 v营养平衡原则营养平衡原则 VRP=植被面积植被面积初级生产力初级生产力磷含量磷含量(收获率收获率+水产品增产效率水产品增产效率+沉积效应沉积效应)VRP:水生植被在湖泊磷平衡中的综合效应不同湖泊初级生产力会有所差异,水产品增产效率和沉积效应变化更大p优化设计优化设计:a.a.先锋物种的选择先锋物种的选择v物种选择原则物种选择原则:适应性、本土性、强净化可适应性、本土性、强净化可操作操作v确定植

44、物种类确定植物种类b.b.群落配置群落配置v 通过人为设计，将欲恢复重建的水生植物群落，通过人为设计，将欲恢复重建的水生植物群落，根据环境条件和群落特性按一定的比例在空间分根据环境条件和群落特性按一定的比例在空间分布、时间分布方面进行安排。布、时间分布方面进行安排。v 一般来说，配置应以湖泊历史上存在过的某营养一般来说，配置应以湖泊历史上存在过的某营养水平阶段下的植物群落的结构为模板，适当引入水平阶段下的植物群落的结构为模板，适当引入外来物种。外来物种。水平空间配置水平空间配置 生态型生态型植物群落植物群落 经济型经济型植物群落植物群落v生态型生态型群落，以水体污染治理、促进生态系统恢复为群落

45、，以水体污染治理、促进生态系统恢复为目标。建群物种选择：建群物种一般为耐污、生长快、目标。建群物种选择：建群物种一般为耐污、生长快、繁殖能力强、环境效益好的物种。繁殖能力强、环境效益好的物种。v经济型经济型群落，以推动流域经济发展，顺应地方需求为群落，以推动流域经济发展，顺应地方需求为目的。建群物种选择：建群物种一般为经济价值较高、目的。建群物种选择：建群物种一般为经济价值较高、具一定社会经济效益的物种。具一定社会经济效益的物种。v配置时，污染严重时应以生态恢复为目标，配置时，污染严重时应以生态恢复为目标，污染较轻污染较轻湖区，应同时考虑经济效益。湖区，应同时考虑经济效益。垂直空间配置垂直空间

46、配置 v考虑不同生活型植物群落与不同沉水植物群落对水深的要求v群落配置时从湖岸边至湖心，随水深的加深，分别选用不同生活型或同一 生活型不同生长型的水生植物，分别占据不同的生态空间 2.2.水生植被修复的技术途径水生植被修复的技术途径p基本条件创建基本条件创建v蓝绿藻蓝绿藻v风浪风浪v浅滩创建浅滩创建v清除淤泥清除淤泥v水深，控制在水深，控制在1m1m以内以内v水质水质，透明度透明度p恢复水生植被的途径恢复水生植被的途径a)a)挺挺水植物水植物v可直接种植,深水区必须有1/3露出水面，茭草最大水深可达1米，但需要有两个以上叶片浮出v常见有：芦、蒲草、荸荠、莲、水芹、茭白荀、荷花、香蒲芦苇b)b)

47、浮浮叶植物叶植物v生于浅水中，叶浮于水面，根长在水底土中的植物；浮叶植物仅在叶外表面有气孔，叶的蒸腾非常大，根一般因为缺乏氧气。v可采取营养体移栽、种子播撒或繁殖芽、扦插根状茎等方式v常见有：菱、睡莲、眼子菜王莲c)c)沉水植物沉水植物v 植物体全部位于水层下面营固着生活的大形水生植物。它们的根有时不发达或退化，植物体的各部分都可吸收水分和养料，通气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。这类植物的叶子大多为带状或丝状，如苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等v 对水深和光照条件的要求高，是水生植被恢复的重点和难点。v 在沉水植被几乎绝迹、光效应差的次生裸地上，应选择光补偿点低、耐污的种

48、类建立先锋群落。v 在光效应较好，可选择具中等耐污和较高光补偿点的种类为先锋种。v 沉水植物恢复时，应从水浅的岸边开始，并在低水位季节进行。沉水植物归纳：大型水生植物的四种生活型归纳：大型水生植物的四种生活型生活型生活型生长特点生长特点代表种类代表种类挺水植物挺水植物根茎生于底泥中根茎生于底泥中,植物体上部挺植物体上部挺出水面出水面芦苇、香蒲芦苇、香蒲漂浮植物漂浮植物植物体完全漂浮于水面植物体完全漂浮于水面,具有特具有特化的适应漂浮生活的组织结构化的适应漂浮生活的组织结构凤眼莲、浮萍凤眼莲、浮萍浮叶植物浮叶植物根茎生于底泥根茎生于底泥,叶漂浮于水面叶漂浮于水面睡莲、荇菜睡莲、荇菜沉水植物沉水植

49、物植物体完全沉于水气界面以下植物体完全沉于水气界面以下,根扎于底泥或漂浮于水中根扎于底泥或漂浮于水中狐尾藻、金鱼藻狐尾藻、金鱼藻大型水生植物的生态功能大型水生植物的生态功能净化所需的能源由光合作用提供净化所需的能源由光合作用提供 具有美学价值，能改善景观生态环境具有美学价值，能改善景观生态环境植物可被收割和利用，创造新的价值植物可被收割和利用，创造新的价值 能固定土壤或底泥中的水分，防止污染源进一步扩散能固定土壤或底泥中的水分，防止污染源进一步扩散 为降解微生物提供了良好的栖息场所为降解微生物提供了良好的栖息场所污染物的去除机制污染物的去除机制植物吸收植物吸收微生物降解微生物降解物理化学作用物

50、理化学作用富集富集吸附吸附沉降沉降微生物降解微生物降解微生物是净化污水的主要微生物是净化污水的主要“执行者执行者”，它们把有机质作，它们把有机质作为丰富的能源，将其转化为营养物质和能量。为丰富的能源，将其转化为营养物质和能量。水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形成水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形成好氧、缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提好氧、缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境，也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分供了良好的生存环境，也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。解者。植物的根系还可