污染水體原位生物修復(fù)技術(shù)研究及發(fā)展

于忠臣， 孫偉楠， 李晨曦， 倪龍琦

（東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

水體是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分， 具有水土保持、 水體循環(huán)、 改善氣候等多種功能［1］。 隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展， 工業(yè)化、 城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)， 大量的生活污水與工業(yè)廢水排入水體， 污染水質(zhì)， 使得各種污染物濃度超標(biāo)， 甚至出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象［2-4］。 水體污染不僅損害人們的居住環(huán)境、 影響城市形象，還會(huì)使得供水制水成本提高， 水生態(tài)系統(tǒng)失衡［5-6］。

對(duì)于污染水體修復(fù)而言， 除了需要關(guān)注水體水質(zhì)修復(fù)之外， 作為內(nèi)污染源的水體底泥的再懸浮會(huì)源源不斷地向水體釋放污染物質(zhì)， 故需要在修復(fù)水體水質(zhì)的同時(shí)對(duì)水體底泥進(jìn)行同步修復(fù)［7-8］。 污染水體修復(fù)技術(shù)可分為物理、 化學(xué)、 生物修復(fù)技術(shù)， 其中原位生物修復(fù)技術(shù)以其簡(jiǎn)易方便、 投資少、 無(wú)二次污染、 生態(tài)環(huán)保的特性成為目前的研究熱點(diǎn)［9］。

在以往的研究基礎(chǔ)上， 本文從水體水質(zhì)與水體底泥兩方面出發(fā)， 簡(jiǎn)述了污染水體原位生物修復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀， 并就今后污染水體生物治理技術(shù)發(fā)展方向提出建議， 旨在為未來(lái)城市污染水體的治理提供參考及依據(jù)。

1 污染水體水質(zhì)原位生物修復(fù)技術(shù)

1.1 微生物強(qiáng)化及促生技術(shù)

為強(qiáng)化微生物降解過(guò)程， 向污染水體或底泥直接加入人為強(qiáng)化的微生物或加入化學(xué)藥劑改善微生物生存條件， 達(dá)到啟動(dòng)或強(qiáng)化微生物對(duì)水體或底泥中污染物分解、 轉(zhuǎn)化及吸收的作用， 其中前者稱為微生物強(qiáng)化技術(shù)， 后者稱為微生物促生技術(shù)［10］。 微生物強(qiáng)化技術(shù)主要是通過(guò)人工技術(shù)篩選或馴化各類特殊菌種， 目前已經(jīng)有很多應(yīng)用案例； 微生物促生技術(shù)主要是向污染水體或底泥中加入多種化學(xué)藥劑（酶制劑、 共代謝底物、 微生物營(yíng)養(yǎng)劑、 微生物促生劑等）為微生物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

常素云等［11］利用啤酒廠廢水培育出的酵母細(xì)菌處理天津外環(huán)河水體， COD 的去除率達(dá)到33%，證明了啤酒廠廢水培養(yǎng)微生物制劑處理受污染水體的可行性。 尹莉等［12］證明了“固定化生物工程菌＋液態(tài)菌”的組合工藝可以提高坑塘黑臭水體污染物的去除效果， 完成污染物的快速降解， 減少投資及運(yùn)行費(fèi)用。

微生物強(qiáng)化及促生技術(shù)具有施工簡(jiǎn)便、 見效快、 兼容范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。 然而， 該技術(shù)需要對(duì)治理區(qū)域進(jìn)行周密調(diào)查， 前期需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間［13］。 與此同時(shí)， 該技術(shù)有可能引起生物安全性問(wèn)題［14］。

1.2 生態(tài)浮島技術(shù)

生態(tài)浮島源于20 世紀(jì)六七十年代的德國(guó)和日本等國(guó)家提供給魚類產(chǎn)卵的場(chǎng)所， 在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的保護(hù)和藻類的抑制有一定的作用， 就被人們逐步推行開來(lái)［15］， 生態(tài)浮島技術(shù)通過(guò)在水面漂浮裝置上種植水生植物吸收氮、 磷等元素， 利用植物根系吸附水中懸浮物， 富集水中的重金屬和有機(jī)污染物， 此外植物根系還可作為生物膜載體承載微生物［16］。

Chang 等［17］利用太陽(yáng)能人工浮島凈化水質(zhì)， 結(jié)果表明， 水體溶解氧明顯增強(qiáng)， 生態(tài)環(huán)境顯著改善。 Lu 等［18］利用綠色能源人工浮島對(duì)校園污染水體進(jìn)行修復(fù)， 結(jié)果表明， 水體各項(xiàng)指標(biāo)明顯下降，溶解氧濃度及氧化還原電位顯著提高。

生態(tài)浮島具有易于制作和搬運(yùn)， 使用時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)需占用土地， 植物易于栽培， 大量減少設(shè)施運(yùn)行和維修管理費(fèi)用， 便于日常維護(hù)和管理， 治污效果好等優(yōu)點(diǎn)。 然而， 生態(tài)浮島對(duì)水體位置要求較高，往往設(shè)置在水流平緩， 流動(dòng)性差的河道之上［19］。 另一方面， 為提高人工浮島對(duì)能源的利用率， 越來(lái)越多的學(xué)者開始研究綠色能源生態(tài)浮島（GAFI）與太陽(yáng)能生態(tài)浮島（SAFI）等［20］。

1.3 人工曝氣技術(shù)

人工曝氣技術(shù)是基于河流受到污染后缺氧的情況， 利用人工措施或者自然跌水對(duì)水體進(jìn)行充氧的技術(shù)方法［21］。 一般來(lái)說(shuō)， 人工曝氣技術(shù)對(duì)于污染水體有3 種作用： 提高溶解氧含量、 改善水體環(huán)境、增加水體擾動(dòng)［22］。

Grochowska 等［23］報(bào) 道 了 人 工 曝 氣 技 術(shù) 對(duì) 波 蘭Olsztyn 的Dlugie 湖的修復(fù)效果， 經(jīng)過(guò)人工曝氣之后， Dlugie 湖水體中的有機(jī)物質(zhì)明顯減少， 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)改善。 張紹君等［24］的研究表明了純氧曝氣可有效控制河流黑臭現(xiàn)象， 可有效控制溶解氧、 色度、 臭閾值和COD， 氧利用率可達(dá)到90%。

相比于其他修復(fù)技術(shù)， 人工曝氣技術(shù)具有投資少、 見效快、 生態(tài)自然、 無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)， 已被眾多國(guó)家應(yīng)用于實(shí)際工程修復(fù)中。 然而， 在曝氣過(guò)程中， 會(huì)產(chǎn)生大量的能耗， 因此通過(guò)不斷改進(jìn)曝氣設(shè)備與方式方法， 引入綠色清潔能源， 盡可能改善曝氣效率， 是此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［25］。

2 污染水體底泥原位生物修復(fù)技術(shù)

2.1 底泥微生物修復(fù)技術(shù)

與水質(zhì)微生物修復(fù)技術(shù)相似， 底泥微生物修復(fù)技術(shù)是指通過(guò)微生物的自然凈化能力， 或強(qiáng)化微生物的特定作用將底泥中的污染物濃度降到規(guī)定范圍內(nèi)［26］。 底泥微生物修復(fù)技術(shù)通常有固定化微生物技術(shù)、 基因工程菌培養(yǎng)、 微生物燃料電池等形式。

楊玥等［27］利用微生物燃料電池對(duì)底泥進(jìn)行修復(fù)， 運(yùn)行650 h 后， 外接電阻為1 500 Ω 時(shí)有機(jī)質(zhì)去除率達(dá)到7.834%； 外接電阻為100 Ω 時(shí)總磷去除率達(dá)到29.98%， 銨態(tài)氮去除率達(dá)到41.64%； 外接電阻為1 000 Ω 時(shí)硝態(tài)氮去除率為71.52%。 唐海芳等［28］采用固定化微生物技術(shù)修復(fù)湖塘底泥，結(jié)果表明， 經(jīng)過(guò)一個(gè)月的修復(fù)， 在最佳工藝條件下， 水質(zhì)由劣Ⅴ類變成Ⅲ類， 底泥總有機(jī)質(zhì)去除率達(dá)到33.47%。

相比于其他技術(shù)， 底泥原位微生物修復(fù)技術(shù)具有價(jià)格低廉、 對(duì)環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)。 然而， 新加入的微生物會(huì)受到原生微生物以及底泥環(huán)境的影響， 難以達(dá)到預(yù)期效果， 即使是合適的菌劑或促生劑也需要較長(zhǎng)的時(shí)間令微生物生長(zhǎng)繁殖。

2.2 底泥植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染領(lǐng)域的治理方法， 利用植物或植物根系區(qū)微生物的吸收、 代謝以降低或消除污染物毒性［29］， 一般包括植物穩(wěn)定、 植物揮發(fā)、 植物吸收3 種機(jī)理［30］。

高巖等［31］研究結(jié)果表明， 鳳眼蓮可以快速消除上覆水體中的磷與底泥中的磷， 種植鳳眼蓮的水體中底泥的總磷含量明顯降低。 沈應(yīng)時(shí)等［32］研究表明， 沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中生長(zhǎng)良好， 生物量明顯增加， 5 種沉水植物沉床系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的總磷、 總氮和氨氮去除率較高， 均值分別為70.16%、 79.60%、 79.82%。

植物修復(fù)污染水體具有成本低、 能耗小、 治理效果好、 對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小、 有利于恢復(fù)河道生態(tài)景觀的特點(diǎn)， 能夠從根本上提高河流生態(tài)功能， 恢復(fù)其完整性［33］。 然而， 由于某些水生植物繁殖速度過(guò)快， 當(dāng)打撈速度跟不上其生長(zhǎng)速度時(shí)， 會(huì)覆蓋大面積水體， 其腐爛物會(huì)對(duì)水體造成二次污染， 因此水上植物凈化技術(shù)在凈化水體時(shí)應(yīng)該被謹(jǐn)慎使用［34］。

2.3 底泥動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

底泥動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是指基于生物操縱原理， 通過(guò)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物攝食低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物或有機(jī)碎屑， 間接降低水體中氮、 磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的含量， 最終影響水體環(huán)境［35］。

孟順龍等［36］研究發(fā)現(xiàn)， 放養(yǎng)螺螄可有效改善養(yǎng)殖塘中底泥環(huán)境， 螺螄放養(yǎng)量越大， 底泥的凈化效果越好。 馮建祥等［37］研究表明， 海蜇的上下浮動(dòng)行為可促進(jìn)池塘上下層水體交換， 同時(shí)其生物沉降作用可提高大型底棲動(dòng)物群落的生物多樣性。

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)具有其他修復(fù)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)： 成本較低， 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響較小， 可最大限度地降低污染物濃度， 基本不產(chǎn)生副作用和二次污染， 可應(yīng)用于其他技術(shù)難以使用的場(chǎng)合［38］。 然而，目前對(duì)水生動(dòng)物修復(fù)技術(shù)的大部分研究仍然還處于實(shí)驗(yàn)階段， 實(shí)際應(yīng)用范圍有限。 與此同時(shí)， 與生物修復(fù)技術(shù)緊密相關(guān)的放養(yǎng)技術(shù)、 物種組合技術(shù)、 資源回收技術(shù)仍需要進(jìn)行系統(tǒng)研究； 另一方面， 水生動(dòng)物在污染物降解轉(zhuǎn)化中的具體機(jī)理作用仍需要進(jìn)一步 研究［39］。

3 污染水體生物處理技術(shù)的新發(fā)展

3.1 多方法組合修復(fù)技術(shù)

受現(xiàn)有技術(shù)所限制， 一方面單獨(dú)的污染水體修復(fù)技術(shù)所達(dá)到的修復(fù)效果有限， 另一方面只能針對(duì)水體水質(zhì)或底泥進(jìn)行單一的修復(fù)， 為盡可能提高修復(fù)效果， 達(dá)到水體與底泥同時(shí)處理的目的， 已有學(xué)者結(jié)合多種方法對(duì)此進(jìn)行了嘗試， 并且取得了一定效果［40-42］。

然而， 運(yùn)用多種修復(fù)方法對(duì)水體與底泥進(jìn)行同時(shí)修復(fù)， 難以避免地會(huì)造成資源的浪費(fèi)， 因此， 在未來(lái)的污染水體修復(fù)相關(guān)研究中， 將水體水質(zhì)修復(fù)與底泥修復(fù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行修復(fù)至關(guān)重要， 尋求一種盡可能高效的方法， 對(duì)污染水體水質(zhì)與底泥進(jìn)行同步修復(fù)正在成為新的研究熱點(diǎn)。

3.2 水力驅(qū)動(dòng)原位生物修復(fù)技術(shù)

為節(jié)省能源消耗， 提出通過(guò)水力驅(qū)動(dòng)同步攪拌的方法在曝氣條件下對(duì)污染水體及底泥進(jìn)行同步修復(fù)， 技術(shù)原理如圖1 所示。

圖1 水力原位生物修復(fù)技術(shù)示意Fig. 1 Hydraulic in situ bioremediation technology

水力驅(qū)動(dòng)受控循環(huán)原位生物修復(fù)技術(shù)利用氣提原理， 構(gòu)造了空間上疊層的兩級(jí)內(nèi)循環(huán)串聯(lián)， 通過(guò)曝氣作用實(shí)現(xiàn)水力受控循環(huán)及級(jí)間的水力聯(lián)系。 同時(shí)， 在內(nèi)循環(huán)水流驅(qū)動(dòng)雙動(dòng)力輪系的作用下， 攪動(dòng)裝置使底泥充分?jǐn)噭?dòng)并懸浮起來(lái)， 在內(nèi)循環(huán)水流的夾帶下參與內(nèi)循環(huán)， 交替流經(jīng)厭氧、 缺氧和好氧環(huán)境， 實(shí)現(xiàn)空間上疊層A／O 和A2／O 梯度串聯(lián)作用，有效強(qiáng)化底泥中本源微生物的生物降解作用， 達(dá)到底泥和水體中本底有機(jī)物及氮素的原位同步降解的目的， 實(shí)現(xiàn)污染水體的原位生物修復(fù)。 水力驅(qū)動(dòng)受控循環(huán)原位生物修復(fù)技術(shù)充分利用了水力葉輪及曝氣作用， 減少了能源消耗， 豐富和發(fā)展了污染水體原位修復(fù)方法， 為污染水體原位同步修復(fù)提供了新的發(fā)展思路。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從水體水質(zhì)與底泥修復(fù)2 個(gè)方面總結(jié)了現(xiàn)有水體生物修復(fù)技術(shù)， 根據(jù)現(xiàn)有水體修復(fù)單一獨(dú)立處理的特點(diǎn)， 提出了污染水體水質(zhì)及底泥同步修復(fù)處理的新研究方向。 水力驅(qū)動(dòng)原位生物修復(fù)方法的提出， 為污染水體原位生物修復(fù)技術(shù)提供了新的發(fā)展思路。