生物膜技術在受污染地表水修復中的應用

陳 航,黃可談,陳中平,蔣 川

(金華市水文站,浙江 金華 321013)

0 引 言

水是人類生命之源,是人類賴以生存的基本物質(zhì),人類的生命活動和生產(chǎn)活動都離不開水.隨著世界人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展,人們對水的需求日益增長,同時,用水的浪費和水資源的污染使優(yōu)質(zhì)水資源日益短缺,已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素.由于工農(nóng)業(yè)及人類自身的需要,地表水域附近往往是人類聚居之地.城市的日益擴大和工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展,導致周圍水域的污染加重[1].目前,我國1/3以上的河段受到污染,90%以上的城市水域污染嚴重,盡管已采取了一些控制措施,但因排入地表水體的污染物生物降解性越來越差,造成污染物質(zhì)在水體中長期累積,超過了地表水的自凈能力.

以往,人們過多關注嚴重污染的場合,而對于污染程度不是很嚴重且常被忽視的地表水體污染問題卻缺乏應有的重視,近年來,世界各國環(huán)境保護科研工作者均開始對此展開專項研究,提出了各種控制對策和治理措施,但限于地表水體的復雜性和龐大的治理工程開支,研究進展極其緩慢,可推廣的成果不多.

地表水體是人類賴以生存的寶貴資源,其中便于利用的地表淡水資源僅占淡水總量的0.014%,其珍貴之處不言自喻.然而,工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,導致大量復雜的污染物通過各種途徑輸入地表水體,有限的地表水資源正在遭受著不同程度的污染,水體生態(tài)環(huán)境日趨惡化,生物多樣性遭到嚴重破壞,不僅影響了人類正常生活,還制約著經(jīng)濟發(fā)展,污染地表水修復課題的研究迫在眉睫.

1 受污染地表水特征及修復技術

1.1 受污染地表水特征

地表水體不同于地下水體,同后者相比,前者因完全裸露于外界環(huán)境中,因此更缺乏自然的保護.河流、湖泊和濕地等是由種群豐富的土著微生物、水生植物和水生動物組成的、具有強大自凈能力的獨特生態(tài)系統(tǒng).但由于種種原因,受到污染的地表水體遭受了超越自身凈化能力的不可恢復性破壞,需要人為干預,恢復其生態(tài)原貌.

受污染地表水的特征主要有以下幾方面[1].

(1)受污染途徑多,包括沿水區(qū)域生活污水、工業(yè)廠礦廢水、居民生活垃圾排放、農(nóng)業(yè)徑流、水路交通油品泄露以及雨水徑流匯水攜污等;

(2)流動性大,污染區(qū)域廣,分布范圍寬,難以異位集中處理;

(3)地表水體中顆粒物濃度較高,一些有毒有害有機物附著其上,并隨之沉積于水底底泥中,有可能引起水的二次污染;

(4)污染程度和污染物分布受深度、流域、季節(jié)等多因素控制;

(5)具有晴儲雨暴的污染特征;

(6)多數(shù)污染地表水屬于微污染水體,污染物濃度較低,降解功能菌難以成為優(yōu)勢菌群.

1.2 污染地表水體修復技術

在污染水環(huán)境修復技術方面,目前主要分為兩大部分,對于富營養(yǎng)化湖泊水體,主要采用營養(yǎng)鹽控制,清淤挖泥,化學、機械等方法直接除藻,生物調(diào)控,水生高等植物修復,物理生態(tài)工程技術,固定化微生物技術等;而對于污染河道(流)主要采用前置庫技術,濕地系統(tǒng)處理技術(包括天然濕地和人工濕地技術),土地滲濾處理(包括土地慢速滲濾、土地快速滲濾、人工復合滲濾床),生態(tài)濾池技術以及生態(tài)混凝土技術等.總體上可以歸納為化學修復法、物理修復法、生態(tài)修復法和生物修復法.

化學修復法的實質(zhì)是利用化學藥劑復雜的化學及物化作用(包括中和、絡合、生成氣體或沉淀、破乳化、膠體失穩(wěn)、萃取、凝聚與絮凝等),將污染物從水相轉(zhuǎn)移到另一種物相,污染物的物態(tài)雖然改變,但并未從根本上消滅污染物,且投加化學藥劑易產(chǎn)生二次污染.

物理修復法是指利用阻隔物、過濾機、過濾池或大型沉淀池等方式去除水體中污染物的技術,修復對象的主要特征是懸浮物污染,經(jīng)常采取疏挖底泥、機械除藻、引水清淤等措施,因適用范圍的限制,往往與其他修復技術配合應用.

生物修復是利用植物、動物及微生物對污染物的富集、吸收降解等作用修復水體,修復過程可自然、原位地進行,工程投資僅為物理法、化學法修復的30%～50%.狹義的生物修復主要指微生物修復.

生態(tài)修復法主要采取塘、人工濕地、岸邊帶水生植被恢復、水生生物系統(tǒng)恢復及河道保護等技術,由于生態(tài)修復法的核心還是生物吸收、降解技術,因此常和生物修復聯(lián)合使用.

污染地表水體的特殊性質(zhì)增加了物理法、化學法修復的困難性.近年來,隨著各種新型生物載體(填料)的研發(fā),生物膜技術得到了發(fā)展,并被用于污染地表水的修復.

2 生物膜技術在地表水修復中的應用

生物膜技術是人們長期以來根據(jù)自然界中水體自凈的現(xiàn)象,農(nóng)田灌溉時土壤對污染物的凈化作用以及有機物的腐敗過程,總結(jié)、模擬而發(fā)展起來的一種污水處理技術.它以天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如塑料、纖維等)為載體,使微生物群體呈膜狀附著于載體表面上,通過與污水接觸,生物膜上的微生物攝取污水中的有機物作為營養(yǎng)并加以同化,從而使污水得到凈化.由于載體比表面積大,可附著大量微生物,因此對污染物的降解能力很強.生物膜接觸氧化法是生物—生態(tài)聯(lián)合修復技術的一種主要工藝,其核心構件是生物填料,生物填料的材質(zhì)和外型直接關系到生物膜量和處理性能.

2.1 生物膜法修復地表水的基本原理

地表水體砂礫表面一般都附著有一層微生物膜,當流水通過其表面時,其中的有機物就會被生物膜吸附,進而氧化分解,因而,地表水體本身具有一定的自凈能力.通過填充填料來凈化地表水體,實質(zhì)是對地表水體自凈能力的一種強化,即利用填料比表面積大,附著微生物種類多、數(shù)量大的特點,人為加大河流中可降解污染物質(zhì)的微生物的種類和數(shù)量,從而使河流的自凈能力成倍增長[2-3].

附著在填料上生物膜降解污染物質(zhì)的過程一般可分為4個階段.

(1)污染物質(zhì)向生物膜表面擴散;

(2)污染物在生物膜內(nèi)部擴散;

(3)微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學反應;

(4)代謝生成物排出生物膜.

生物膜由于固著在填料上,因此能在其中生長世代時間較長的微生物,如硝化菌等,見圖1.另外,在生物膜上還可能大量出現(xiàn)絲狀菌、輪蟲、線蟲等,使生物膜凈化能力增強的同時還有脫氮除磷的作用.該方法由于沒有引入外來菌種,所以沒有改變地表水體原有的生態(tài)系統(tǒng),有利于污染水體的自我恢復.

2.2 生物膜技術在地表水修復中的應用

用于微污染水體修復的生物膜技術是近年來國內(nèi)外為解決水域污染而研究開發(fā)的重點技術.許多發(fā)達國家,如日本、韓國等已經(jīng)用于工程實踐,我國則剛剛起步,還只是處于試驗階段,但發(fā)展較快.當前,日韓等國用于凈化河流的生物膜技術主要有礫間接觸氧化法、人工填料接觸氧化法、薄層流法和伏流凈化法等[4-5].

圖1 生物膜法修復機理

2.2.1 礫間接觸氧化法

礫間接觸氧化法是根據(jù)河床生物膜凈化河水的原理設計而成,通過人工填充的礫石,使水與生物膜的接觸面積增大數(shù)十倍,甚至上百倍.水中污染物在礫間流動過程中與礫石上附著的生物膜接觸、沉淀,進而被生物膜作為營養(yǎng)物質(zhì)而吸附、氧化分解,從而使水質(zhì)得到改善.該方法使用天然材料為填料,花費少,凈化效果好,因此得到了廣泛的應用.如日本野川凈化場、坂川古崎凈化場和韓國良才川水質(zhì)生態(tài)-生物修復設施[4,6-7].

日本多摩川支流野川因大量的生活污水排入致使水質(zhì)惡化,BOD等各項指標嚴重超標,水體污染嚴重,給人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的不便.為此,設立了野川凈化場,使野川的水先進入凈化場,經(jīng)凈化場凈化后再注入多摩川.凈化場設立在野川一側(cè)的河灘地帶,為地下構造式,自建成投入使用后,大約經(jīng)過6年的運行結(jié)果觀測,進入凈化槽污水的BOD和SS的平均值為12.7 mg/L和9.0 mg/L,經(jīng)凈化槽凈化后出水BOD和SS的平均值為5.2 mg/L和3.3 mg/L,去除率分別為59.1%和63.3%[4].此外,該凈化場所需的填料卵石是現(xiàn)場取自多摩川的高水位河床,省工省錢;取水位也是利用野川的自然水位差設計,不需動力;凈化場由于采用地下構造式,上覆土砂,還可做為居民游憩的公園或廣場.日本江戶川支流坂川古崎凈化場也是以卵石作為填料,利用生物膜技術對水體進行凈化.污染物在接觸氧化槽內(nèi)通過接觸沉淀、吸附和氧化分解作用實現(xiàn)凈化,自1993年投入運行以來,系列觀測結(jié)果表明,河道微污染水體水質(zhì)有明顯改善[6].韓國良才川于1995年實施卵石接觸氧化生物-生態(tài)治理工程,凈化設施日處理能力為32 000 t/d.河水經(jīng)攔河橡膠壩攔截后引入帶攔污柵的進水口,水流經(jīng)過進水自動閥,經(jīng)污物濾網(wǎng)進入污水管流入接觸氧化槽,氧化槽中放置卵石,污水通過氧化槽得到凈化后,再匯集到清水出水管中,由清水出口排入橡膠壩下游側(cè).設施建成至今已穩(wěn)定運行多年,治污效果顯著[7].

2.2.2 人工填料接觸氧化法

人工填料接觸氧化法是在小型河道、排水溝(渠)內(nèi)或外設置凈化設施,在設施內(nèi)填充粒狀、細線狀、墊子狀、波板狀填料等,利用填料比表面積大、空隙率高的特點,使大量的微生物附著在其表面,形成生物膜.當污水流過凈化裝置時,其中的污染物質(zhì)與生物膜接觸被吸附、沉淀,進而被分解.這樣,污水在排入河流之前就能得到充分的凈化,減少了河流污染的發(fā)生源.同時,還能對污染的河流起到稀釋作用.近年來,該方法因其投資省、凈化效果好,所以在河流的直接凈化中應用較多,日本建設省已建成使用的采用該方法凈化中小河流的處理設施就有150多個.如日本千葉縣排水溝和廣島縣福山市排水渠[4,8],我國太湖流域小河道修復試驗研究[9].

福山市排水渠寬3.5 m,水深約 65 cm;進水的BOD值為2.8～8.1 mg/L,COD值為7.5～10.8 mg/L,SS為7.0～19.0 mg/L;流量為 2 328～10 368 m3/d.渠內(nèi)布置細繩狀生物填料,采用6段式設置,共延長32 m.經(jīng)4年的運行,其BOD的去除率為11%～46%;COD的去除率為2%～32%;SS有去除率為16%～53%,進一步提高了排水渠的水質(zhì).千葉縣排水溝凈化設施設置于溝的一側(cè),采用新型不織布為填料,其特點是比表面積大、孔隙多、通氣性好.該凈化設施自1996年開始運行以來,凈化效果十分明顯,SS的凈化效率達到了97%,BOD和COD的去除率也分別達到了88%和70%.大大減少了進入河流的污染物質(zhì)的量,使河流污染得到了一定的控制[8].河海大學田偉君等[9]利用仿生填料在太湖林莊港進行了120 m長的河道修復試驗,穩(wěn)定運行期間填料上附著的生物膜厚度可達0.8～1.1 mm,對CODMn的去除率穩(wěn)定在10%左右,對NH4+-N的去除率穩(wěn)定在40%左右,對TN的去除率達到了20%,而對TP的去除率也在25%左右.王淑梅等[5]在深圳市福田河一420 m長的河段進行原位綜合凈化試驗,經(jīng)過 3個月的運行,CODCr,BOD5,NH+4-N,TN,TP和SS的去除率分別達到67.4%、87.7%、34.3%、30.3%、53.3%和 39.7%,該技術能夠改善污染相對嚴重的城市河流水質(zhì).

2.2.3 薄層流法

河流自凈主要通過附著在河床及水生植物上的生物膜以達到凈化有機污染物的目的.薄層流凈化法著眼于此,采用增大生物膜的附著面積,以減少單位生物膜的處理水量而提高河床的自凈能力.具體方法是增加河面的寬度使水深變淺,增大河水與河床的接觸面積,工程建設可使河流的凈化能力增強數(shù)倍到數(shù)10倍[10].例如,河寬為原河流的2倍,水深為原河流的1/2,河流的凈化能力就為原來的2倍;如河寬為原河流的4倍,水深為原河流的1/4,河流的凈化能力就變成原來的4倍.

2.2.4 伏流凈化法

伏流凈化法主要是利用河床向地下的滲透作用和伏流水的稀釋作用來凈化河流的[10].所謂伏流即從河床向地下滲入沿地下水脈流動的地下水流.經(jīng)泥沙過濾后的伏流水相對水質(zhì)良好.伏流凈化法是將伏流水用水泵抽出并送回河流,以降低地下水位來促使地下水加速滲透,該方法可被看作是一種緩速過濾法(微生物膜過濾),整個河床是一個大的過濾池,由河床上附著的生物膜構成緩速過濾池的過濾膜,污染的河水經(jīng)過濾膜的過濾作用緩慢地向地下擴散,成為清潔的地下水.用于稀釋的伏流水是滲入地下的清潔水,人為用泵提升到地面來稀釋河流,使河流的自凈作用進一步增強.

3 生物膜技術在應用中存在的問題及發(fā)展前景

人工生物膜強化凈化技術的研究與應用雖然取得了很大的成功,但仍存在一些尚需解決的問題.

(1)實際應用范圍較窄.該類技術目前大都應用在小的水體中,對整個水域系統(tǒng)自我恢復能力的強化應用還沒有.

(2)應用過程中會對水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構和使用功能造成一定影響.如生物膜技術應用時的攔壩及在污染水體中使用的載體會影響到水域的航運和泄洪等功能.

(3)耗資較大.目前生物膜技術在基建及運行方面所需費用較高,每凈化一條小河流就相當于建了一個污水處理廠.因此,該技術還需進一步完善.

從我國經(jīng)濟條件和各種技術的應用情況來看,生物-生態(tài)聯(lián)合修復技術將是今后研究的重點.該聯(lián)合技術綜合了生物凈化技術凈化效果好的優(yōu)點以及生態(tài)修復技術強化水域生態(tài)系統(tǒng)自我恢復能力的優(yōu)點,提高水域的自凈能力,恢復水域生態(tài)系統(tǒng)的原來面貌.人工生物膜技術是生物-生態(tài)聯(lián)合修復技術的一種主要工藝,它在日韓等國的成功應用為我國開展污染地表水體修復治理提供了典范,隨著我國環(huán)境保護力度的加強以及環(huán)境污染治理技術的發(fā)展,諸如生物膜技術等一批生物、生態(tài)修復技術將被廣泛應用于污染地表水體的治理.

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