生物強化技術(shù)在河道水體治理中的應(yīng)用

汪玉嬌

摘要 以瓊江河潼南區(qū)小渡段為試驗段，研究了以投加復(fù)合微生物菌劑為主、底泥曝氣為輔的生物強化技術(shù)對水體中CODCr、NH3-N、TP的降解效果。結(jié)果表明，對試驗水體進(jìn)行生物強化之后，CODCr、NH3-N、TP的去除率分別達(dá)51.72%、41.44%、52.38%，水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《GB 3838—2002》地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。說明生物強化技術(shù)可以有效地解決自然水體中污染物含量超標(biāo)、水環(huán)境狀況差等問題，為河道水體治理提供新的思路。

關(guān)鍵詞 生物強化; 河道水體治理; 微生物復(fù)合菌劑 ;底泥曝氣

中圖分類號 X522 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）10-0062-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.10.017

Abstract Taking the Xiaodu section of the Qiongjiang River as an experimental section， this study analyzed the degradation effects of CODCr， NH3N and TP in water by bioaugment technology accompanying with sediment aeration.The results of this experiment showed that after taking bioaugmentation technology into water body， compared with the past， the water pollution was reduced.The removal rates of CODCr， NH3N and TP were 51.72%， 41.44% and 52.38%， respectively， and the water quality was stable to meet the Class III of the surface water environmental quality （GB 3838—2002）.It illustrated that bioaugmentation technology could effectively solve the problems of excessive pollutant in natural water bodies and ameliorate the condition of polluted water.In short， bioaugmentation technology also provided a new idea of river water treatment.

Key words Bioaugmentation;River water treatment;Microbial preparation;Sediment aeration

目前，我國各大河道的主要污染指標(biāo)是CODCr、BOD5、NH3-N等，多呈現(xiàn)出以耗氧有機物、水體黑臭為主要特征的污染現(xiàn)象[1]。根據(jù)《2018年重慶市環(huán)境質(zhì)量簡報》[2]顯示，嘉陵江流域中Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)斷面分別有11、3、4個，主要污染指標(biāo)為CODCr、NH3-N、和TP。我國河道雖然具有一定的污染共性，但又存在些許差異，這可能與不同的污染源有關(guān)。以重慶地區(qū)為例，綦江為長江上游南岸支流，因其受到城鎮(zhèn)、農(nóng)村污水和工業(yè)園區(qū)污水的影響，不同河段水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)不同。其中，同一時段北渡斷面以TP濃度超標(biāo)為主;而溫塘斷面則以NH3-N超標(biāo)為主[3-4]。河道水體污染治理則需要結(jié)合具體實際，選用物理法、化學(xué)法及生物-生態(tài)法三大類進(jìn)行治理[5]。其中，生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)具有能耗低、無二次污染、效果穩(wěn)定等優(yōu)勢，是當(dāng)前城市河流水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究熱點之一[6]。生物強化技術(shù)作為生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)的一種[7]，具有施工簡便、見效快、應(yīng)用廣泛、對污染物質(zhì)進(jìn)行徹底降解、無二次污染等優(yōu)勢[8]。生物強化技術(shù)中的微生物作用主體具有強大的生物代謝作用，在治理氮、磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)及有機物污染的河道中常被選用。這些微生物攝取水中的有機污染物吸收進(jìn)入胞內(nèi);并獲取這些有機物質(zhì)作為自身代謝營養(yǎng)源，呈指數(shù)性快速增長，逐步形成生態(tài)位，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢優(yōu)質(zhì)微生物群落，以實現(xiàn)進(jìn)一步代謝分解水中有機源;同時，在微生物投加過程中，依托外力擾動水體，能夠提高水體中的溶氧量，促進(jìn)耗氧有機物加速分解，從而降低水體中的有機物污染。此外，微生物代謝過程中能夠分泌多種酶，促進(jìn)水體中的氮磷等營養(yǎng)元素的生物轉(zhuǎn)化。

筆者選取瓊江河潼南區(qū)小渡段為研究對象，采用復(fù)合微生物菌劑投加為主、底泥曝氣為輔的生物強化技術(shù)對水體進(jìn)行凈化，綜合分析評價CODCr、NH3-N、TP等指標(biāo)的變化規(guī)律，對其治理效果前后進(jìn)行對比。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 復(fù)合微生物菌劑。所采用的復(fù)合微生物菌劑由重慶沐聯(lián)環(huán)境工程有限公司提供，該復(fù)合菌主要由COD降解菌、硝化細(xì)菌、絮凝菌等按照一定比例復(fù)配而成，經(jīng)上海量遠(yuǎn)檢測技術(shù)有限公司檢測，結(jié)果表明無毒無副作用且有效微生物濃度高達(dá)107 CFU/mL。

1.1.2 菌劑投加曝氣組合船。所用組合船兼具菌劑投加和移動曝氣2種功能，可根據(jù)水體深度自行調(diào)節(jié)菌劑投加深度和曝氣深度。通過曝氣對水體底泥進(jìn)行輕微擾動和富氧，使沉積在底泥中的污染物釋放到水體中，同時投加復(fù)合微生物菌劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗水體概況。試驗段水體為瓊江河潼南區(qū)小渡段，全長12.7 km，平均寬度40 m，深度5～8 m，主要污染物來源于農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水散排。由圖1可知，CODCr、NH3-N、TP含量經(jīng)常性超過Ⅲ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，DO含量不足，3—5月污染物濃度居全年最高。

1.2.2 治理方法。整個治理階段分為期1～30 d的項目實施期和31～60 d的項目維護(hù)期。

（1）項目實施期。根據(jù)前期試驗小試，復(fù)合微生物的投加量為0.01‰，利用菌劑投加曝氣組合船進(jìn)行復(fù)合微生物投加。具體投加過程：將試驗段分為5小段，平均每小段長度2.54 km，通過曝氣機進(jìn)行底泥輕微擾動的同時加入復(fù)合微生物菌劑，將菌劑均勻地投加到試驗段水體和底泥中。

（2）項目維護(hù)期。經(jīng)過項目實施期的菌劑投加后，試驗段水體中微生物系統(tǒng)逐漸建立，微生物可進(jìn)行生長和繁衍，但一部分微生物隨河水流失，因此需要根據(jù)水質(zhì)的波動適時補充投加復(fù)合微生物菌劑。

1.2.3 水質(zhì)檢測方法。水質(zhì)監(jiān)測點設(shè)在小渡段下游12 km的中和斷面處。CODCr采用《GB 11914—1989》重鉻酸鹽法測定，NH3-N采用《GB/T 7479—1987》納氏試劑分光光度計法測定，TP采用《GB/T 11893—1989》鉬酸銨分光光度法測定。去除率通過公式（1）計算。

φ=（c1-c2）/c1（1）

式中，φ為污染物去除率，c1為污染物當(dāng)前濃度（mg/L），c2為治理前污染物濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

項目治理期為2019年4月1日—2019年6月1日，期間通過菌劑投加曝氣組合船對水體進(jìn)行修復(fù)，從項目開始，即對水體CODCr、NH3-N、TP進(jìn)行檢測，根據(jù)污染物的降解和去除率對項目實施情況進(jìn)行評價。

2.1 水體中CODCr的變化

化學(xué)需氧量CODCr作為水質(zhì)污染指標(biāo)，反映了水體受還原性物質(zhì)污染的程度，該指標(biāo)也作為水體中有機污染物相對含量的綜合指標(biāo)之一。自然水體中的CODCr污染物質(zhì)一部分來自于人類活動造成的外源污染，一部分來自被微生物氧化分解的水生動植物的殘體，還有一部分來自于底泥有機污染物的擴散與釋放。向水體中投加復(fù)合微生物菌劑后，微生物在水體中大量繁殖，逐漸成為水體中優(yōu)勢種群，消耗水體中的有機污染物作為碳源進(jìn)行生長代謝和新細(xì)胞的合成，降解水體中的CODCr。

從圖2可以看出，治理期間水體中CODCr呈現(xiàn)從下降到穩(wěn)定的趨勢，在治理初期的1～10 d，水體中CODCr含量未有明顯下降的趨勢，在此期間，微生物率先利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖，并不會過多地利用水體中的有機碳源等營養(yǎng)物質(zhì)，此時水體中的CODCr在29～24 mg/L浮動，去除率最高可達(dá)20.69%。在治理中期10～30 d，外加培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗殆盡，此時復(fù)合微生物菌劑中具有高效降污染物性能的微生物逐漸成為水體生態(tài)系統(tǒng)微生物種群中的優(yōu)勢種群，在此期間微生物主要利用水體中的有機污染物作為碳源和能源進(jìn)行生長代謝，CODCr含量逐漸下降到20 mg/L 左右，去除率最高達(dá)44.83%。治理后期的30～60 d，不再向水體中添加復(fù)合微生物菌劑，此時復(fù)合微生物菌劑中的CODCr降解菌已經(jīng)成為優(yōu)勢種群，水體的微生物系統(tǒng)被重新構(gòu)建，CODCr含量穩(wěn)定在17～14 mg/L，期間因降雨或地表徑流的影響，CODCr含量有短暫的回升，但并未造成水質(zhì)的惡化。通過此次治理說明復(fù)合微生物菌劑對水體中的CODCr具有良好的降解作用，且微生物可以穩(wěn)定地定殖在水體中，從根本上提高水體自凈能力，起到長期治理的作用。

2.2 水體中NH3-N的變化

NH3-N在水體中以銨離子或游離氨的形式存在，游離的氨在堿性條件下會對水體中的動植物造成毒害，但同時也是水體中的營養(yǎng)素，微生物利用其作為氮源，合成自身細(xì)胞。水體中的NH3-N在好氧條件下，經(jīng)硝化細(xì)菌的硝化作用，氧化成為NO2--N和NO3-N，同時消耗水體中大量的溶解氧。治理過程中投機的微生物復(fù)合菌劑中含有一部分硝化細(xì)菌，同時輔以人工曝氣提高水體中的溶解氧，達(dá)到消減水體中氨氮的目的。

由圖3可知，治理初期的1～10 d，水體中NH3-N含量在1.11～1.27 mg/L，未呈現(xiàn)下降的趨勢，原因是投加的復(fù)合微生物菌劑中含有一定的氯化銨、尿素等氮素營養(yǎng)物質(zhì)，且針對水體中溶解氧不足的情況采取的人工曝氣對底泥具有一定的擾動作用，加速了沉積物中氮污染物向水體中的釋放。治理中期的11～30 d，外加菌劑中氮素營養(yǎng)物質(zhì)逐漸被消耗，硝化細(xì)菌大量生長繁殖，由圖4可知，隨著人工曝氣的進(jìn)行，水體中溶解氧含量上升，在此期間硝化細(xì)菌利用水體中的NH3-N污染物作為氮源，好氧條件下將一部分其氧化成為NO2--N和NO3-N，另一部分同化為自身的一部分，達(dá)到降解水體中NH3-N污染物的效果，在第27天其含量達(dá)0.85 mg/L。治理后期的30～60 d中，水體中NH3-N穩(wěn)定在0.91～0.65 mg/L，溶解氧穩(wěn)定在5.0 mg/L以上，期間受到短期的沖擊后并未破壞水體穩(wěn)態(tài)，說明人工曝氣技術(shù)可以有效提高水體中溶解氧含量且復(fù)合微生物菌劑中的硝化細(xì)菌可以有效去除水體中NH3-N污染物并適應(yīng)水體的環(huán)境，達(dá)到長久降解污染物質(zhì)的作用。

2.3 水體中TP的變化

由圖5可知，TP的變化趨勢和CODCr及NH3-N的變化相似，治理初期1～10 d，水體中TP含量呈上升趨勢最高達(dá)0.28 mg/L，主要原因是對底泥的曝氣擾動效果造成了沉積物中P元素向水體中釋放[9]以及培養(yǎng)基中的含有磷酸二氫鉀等營養(yǎng)物質(zhì)造成了水體中TP含量的上升。治理中期的11～30 d，水體中TP逐漸下降，第30天出現(xiàn)最低值0.16 mg/L，在曝氣作用下，水體中小分子有機物被氧化分解，形成了以礦物構(gòu)架為主的鐵、硅等比表面積較大的無機大分子膠體，在懸浮過程中與PO43-產(chǎn)生吸附作用[10]，使P元素從水體遷移至底泥，同時復(fù)合微生物中的絮凝菌可以分泌出具有絮凝效果的胞外聚合物，加速了此過程的進(jìn)行。治理后期31 ～60 d，水體中的TP含量穩(wěn)定在0.11～0.18 mg/L，去除率最高達(dá)52.38%，且具有一定的抗沖擊能力，說明生物強化技術(shù)對水體中TP有著良好且穩(wěn)定的去除作用。

3 結(jié)論

（1）通過投加復(fù)合微生物菌劑且輔以底泥曝氣的生物強化技術(shù)對瓊江河潼南區(qū)小渡段進(jìn)行試驗的60 d中，水體中CODCr、NH3-N、TP污染物的去除率分別達(dá)51.72%、41.44%、52.38%，含量穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，說明生物強化技術(shù)可有效去除河道水體中的污染物。

（2）投加的復(fù)合微生物菌劑可以穩(wěn)定定殖在自然水體中，修復(fù)被破壞的微生物生態(tài)系統(tǒng)，從根本上提高水體的自凈能力，且短期內(nèi)無需再次投加。

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