微生物小球及菌液聯(lián)用改善河道水環(huán)境

李奎鵬LI Kui-peng

（煙臺(tái)市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，煙臺(tái) 264001；江蘇東南生物科技有限公司，丹陽 212300）

0 引言

近年來，隨著城市對(duì)環(huán)境資源開發(fā)利用程度的增加，大量富含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的污染物不斷排入城市內(nèi)的河流，造成河流富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，部分河段甚至發(fā)黑發(fā)臭，嚴(yán)重影響了周邊居民的生活健康，黑臭河道治理工作迫在眉睫。消除河道黑臭現(xiàn)象，除采取雨污分流、控源截污外，河道底泥污染治理同樣是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)，在河道整治中，如果僅通過控制外源污染而忽視底泥內(nèi)源污染時(shí)，河道水質(zhì)很難達(dá)到改善效果。

1 河道底泥治理技術(shù)

河道底泥污染治理技術(shù)主要分為物理方法、化學(xué)方法和生物方法三種[1]。

1.1 物理治理技術(shù)

底泥物理治理方法的典型代表是清淤疏浚技術(shù)，通過清淤船、挖掘機(jī)等，將沉積于河道底部的底泥完全挖除。河道底泥挖除后，通常要回填黏土壓實(shí)或回填礫石、卵石等。河道清淤疏浚既增加了行洪斷面，又將底泥中的污染物同時(shí)轉(zhuǎn)移帶走，該方法技術(shù)成熟、見效快[2]。

清淤疏浚技術(shù)的主要缺點(diǎn)有三項(xiàng)：一是工程投資大、成本較高，需要耗費(fèi)大量的財(cái)力物力，動(dòng)用大量機(jī)械與人力，河道治理費(fèi)用高昂；二是清淤疏浚大多需要圍堰抽水，使得部分河段干枯，河道景觀及生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，短期內(nèi)無法恢復(fù)[3]；三是清淤后的底泥成為新的污染物，底泥內(nèi)含有大量的氮、磷及重金屬等污染物，極易造成二次污染。

1.2 化學(xué)治理技術(shù)

底泥的化學(xué)治理技術(shù)主要是通過投加化學(xué)藥劑與底泥污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將底泥內(nèi)污染物降解成無毒物質(zhì)，從而達(dá)到污染治理目的。這類化學(xué)藥劑主要有鐵鹽（三氯化鐵）、鋁鹽及氫氧化鈣等?；瘜W(xué)治理技術(shù)具有投資小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

投加化學(xué)藥劑可能對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞，在降解污染物的同時(shí)，可能會(huì)毒殺水生動(dòng)物、水生植物及微生物等，其潛在威脅還需進(jìn)一步研究，目前僅能作為應(yīng)急輔助手段。

1.3 生物治理技術(shù)

隨著生物技術(shù)和生物科學(xué)的不斷發(fā)展，生物修復(fù)的優(yōu)勢逐漸被人們所認(rèn)知，生物治理技術(shù)主要是利用各類微生物的新陳代謝作用，將河道內(nèi)的氮、磷、有機(jī)物等降解代謝。微生物修復(fù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)[4]，結(jié)合了物理治理和化學(xué)治理的優(yōu)點(diǎn)，不產(chǎn)生二次污染，成本較低，適用范圍廣，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。通過向水體投加具有特殊功能的優(yōu)勢菌種或采用基因重組技術(shù)產(chǎn)生的高效菌種，使其與自然菌群協(xié)同作用，可重新構(gòu)建微生物菌群，提高微生物活性，修復(fù)受損的水生態(tài)系統(tǒng)，提高水體自凈能力[5]。

2 微生物小球及菌液聯(lián)用效果分析

2.1 微生物菌液制備

目前常見的河道治理用微生物菌液大多是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培育特定菌種，該方式培育成本低，優(yōu)勢菌種繁殖迅速，但是一旦應(yīng)用于實(shí)際河道后，往往難以適應(yīng)復(fù)雜的自然河道條件，菌種易喪失活性，逐漸被其他菌種取代。為專門制備用于河道治理的高效復(fù)合微生物活菌液，特以多條河道的河水、底泥作為初始菌種源，通過高通量測序?qū)嶒?yàn)對(duì)河水、底泥中的微生物進(jìn)行了菌種鑒定，鑒定發(fā)現(xiàn)底泥內(nèi)的微生物種類豐富、數(shù)量龐大，通過分析每種微生物的相對(duì)豐度，發(fā)現(xiàn)其中富含種類豐富的硝化、反硝化菌及除磷菌等，明確了從河水與底泥的土著微生物中篩選培養(yǎng)脫氮除磷菌的可行性。從河水與底泥中篩選出脫氮除磷菌種后進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，采用高通量測序分析測定了擴(kuò)增培養(yǎng)后菌液中的菌群結(jié)構(gòu)及比例，并與初始菌群進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)增培養(yǎng)后的復(fù)合微生物菌液中菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，脫氮除磷菌群已經(jīng)成為優(yōu)勢菌種。

本工程在培育微生物過程中，采用價(jià)格昂貴的高通量測序分析貫穿全過程，確保復(fù)合微生物菌液的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)復(fù)合微生物活菌液的工業(yè)化生產(chǎn)后，可直接將微生物菌液噴灑到水體中，經(jīng)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該菌液能迅速適應(yīng)自然條件，菌液活性強(qiáng)，去除污染物效果好。

2.2 微生物菌液投加試驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，明確了復(fù)合微生物活菌液對(duì)河流水質(zhì)改善的作用，確定了不同水體下的最佳噴灑量與噴灑頻率。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過向5 個(gè)河道模擬裝置內(nèi)噴灑復(fù)合微生物制劑，研究微生物制劑對(duì)水體和底泥污染物削減效果，以確定微生物菌液投加濃度和投加頻率。經(jīng)過為期半年的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和連續(xù)監(jiān)測，試驗(yàn)結(jié)果表明：

①好氧條件下，微生物菌劑投加后，能顯著提高水中高錳酸鹽指數(shù)去除率的適宜投加量（V菌液/V河水）為5/10000～1/1000。

②微生物菌劑在好氧條件下能顯著提高水中氨氮的硝化程度，當(dāng)菌液加入量為5/1000 時(shí)效果最好；厭氧條件下，當(dāng)加入量為1/10000～1/1000 時(shí)，能極顯著增強(qiáng)污水的反硝化作用，硝酸鹽氮的去除率約提高14%。

③微生物菌劑加入量大于5/1000 時(shí)，才能顯著提高污水的除磷能力。由實(shí)驗(yàn)可知：菌劑中的微生物可有效地降解污水的有機(jī)物質(zhì)，降低氮、磷的含量，增加水體的透明度，改善底泥顏色并且有效去除異味。

2.3 微生物小球投加分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，直接向水體投加復(fù)合微生物菌液雖然可以有效降低水體污染物，凈化水質(zhì)，但微生物菌液投加量較大，當(dāng)水流速度較快時(shí)，菌液易流失，持續(xù)時(shí)間較短。為解決該技術(shù)的不足，試驗(yàn)將固定化技術(shù)引入到水體生物治理技術(shù)中。通過分析研究，尋找了耐用價(jià)廉的微生物固定化載體，確定了適宜的包埋劑、膠凝劑等添加劑，將微生物細(xì)胞固定于水不溶性凝膠聚合物內(nèi)，其發(fā)達(dá)的孔隙網(wǎng)格能夠防止細(xì)胞外協(xié)，也能阻止產(chǎn)物外散[6]。包埋法操作簡單，載體、包埋劑及膠凝劑等價(jià)格低廉，已于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)的固定化微生物小球的密度為1.1～1.2g/mL，直徑控制在3～5mm，微生物菌落總數(shù)＞9.0×105cfu/g。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過向河道模擬裝置內(nèi)投加微生物小球，研究微生物小球?qū)λw和底泥污染物削減效果，與僅投加微生物菌液的效果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

①固定化微生物小球的最佳投加量約為2.0kg/m2，投加量太小時(shí)，污染物去除效果不理想，投加量過大后，TOC、總氮去除率下降，原因是包埋劑內(nèi)含有有機(jī)物，可能造成水體初期污染。

②相同微生物投加量時(shí)，固定微生物小球的底泥污染去除效果遠(yuǎn)好于僅投加復(fù)合微生物菌液，水體污染物去除效果前期不如微生物菌液，后期效果逐漸持平。

③投加微生物時(shí)間越久，固定微生物小球?qū)λw和底泥污染物的控制效果愈加好于僅投加復(fù)合微生物菌液。

④相較于無底泥河道，固定化微生物小球投加于有底泥的河道后，各項(xiàng)水質(zhì)改善效果明顯更好。因此，固定化微生物技術(shù)更適用于底泥厚度≥10cm 的河道內(nèi)使用。

2.4 微生物小球及菌液聯(lián)用試驗(yàn)

通過微生物菌液和微生物小球投加試驗(yàn)可知，復(fù)合微生物菌液投加在水中后，對(duì)水體污染物的去除效果較好，但天然河道往往流速較大，菌液隨水體流動(dòng)而逐漸流失，僅有部分微生物進(jìn)入河道底泥后棲息繁殖，構(gòu)建新的微生物群落，發(fā)揮水質(zhì)凈化作用。固定微生物小球能夠克服微生物菌液的不足，將微生物活性小球投放到河床底泥后，微生物逐漸開始降解底泥內(nèi)各種污染物，原位修復(fù)河床生態(tài)系統(tǒng)，有效減輕了底泥內(nèi)源污染，改善了上部水體的水質(zhì)。但投加固定微生物小球相應(yīng)增加了河道治理成本，故工程中推薦采用微生物小球及復(fù)合微生物菌液聯(lián)用以改善河道水質(zhì)，修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)。

本示范工程選取的河道位于江蘇省丹陽市境內(nèi)，是一條城市內(nèi)河，河道寬度10～30m，河道內(nèi)常年有水，經(jīng)相關(guān)部門檢測數(shù)據(jù)表明，河道水體污染較嚴(yán)重，高錳酸鹽指數(shù)常年高于15mg/L、氨氮濃度常年高于10mg/L、總磷濃度常年高于1.0mg/L，各項(xiàng)指標(biāo)均不滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，其中氨氮濃度常年屬于黑臭水體標(biāo)準(zhǔn)。該河道水流速度較慢，富營養(yǎng)化嚴(yán)重，水體溶解氧含量低，水生生物較少，河道底泥黑臭，嚴(yán)重影響河道周邊環(huán)境，也對(duì)下游干流水體產(chǎn)生了一定污染，河道水環(huán)境亟需治理。經(jīng)前期乘船排查河道底泥厚度平均約0.5～1.0m 厚，若采用機(jī)械清淤，淤泥量約32 萬m3，清淤過程不僅需要耗費(fèi)大量的機(jī)械和人力，而且清淤產(chǎn)生的淤泥量很大，需對(duì)河道底泥進(jìn)行無害化處理，否則極易造成二次污染，河道治理成本高，見效周期久。本工程不采用常規(guī)的機(jī)械清淤，而是向河道內(nèi)投加復(fù)合微生物菌液和固定化微生物小球，原位進(jìn)行河道水體修復(fù)，通過微生物降解作用去除底泥和水體中的各類污染物，恢復(fù)水體自凈能力。該技術(shù)施工簡單，成本低，見效快。

根據(jù)江蘇東南生物科技有限公司提出并起草完成的《微生物小球及菌液聯(lián)用改善河道水環(huán)境操作技術(shù)規(guī)程》（DB32/T 3647-2019），本工程河道屬于黑臭水體，河道流速約0.2m/s，河道底泥厚度大于10cm，適合投放微生物小球和微生物菌液。固定化微生物小球的投加量采用1.3kg/m3，投加周期為每月投加一次；微生物菌液投加量采用0.4kg/m3，投加周期為每5 天投加一次。經(jīng)過一個(gè)月的連續(xù)投加，每隔3～5 天取水樣送檢，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)主要是高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 河道水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)變化情況

通過示范工程水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，投加微生物小球和微生物菌液后，水中的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷三項(xiàng)指標(biāo)均有一定程度的增加，分析主要原因可能是投加過程中對(duì)河道底泥有一定擾動(dòng)，導(dǎo)致底泥內(nèi)污染物釋放至水體中造成的；其次是由于投加的微生物小球和微生物菌液內(nèi)含有一定有機(jī)物，造成高錳酸鹽指數(shù)升高。投加微生物小球和菌液一個(gè)月后，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷指標(biāo)呈現(xiàn)波浪形下降，逐漸低于黑臭河道標(biāo)準(zhǔn)限值，在連續(xù)投加微生物小球和菌液兩個(gè)月后，水體高錳酸鹽指數(shù)基本穩(wěn)定在10mg/L 左右，氨氮濃度基本穩(wěn)定在5mg/L 左右，總磷濃度基本穩(wěn)定在0.2mg/L 左右，完全消除水體黑臭問題，部分指標(biāo)達(dá)到了Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)踐證明，該技術(shù)去除污染物效果顯著，完全可以用于黑臭水體治理，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

①河道底泥的常見修復(fù)技術(shù)中，采用生物原位修復(fù)可從根本上修復(fù)河道受損的生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)微生物的活性，提高水體自凈能力，發(fā)展前景廣闊。

②通過投加復(fù)合微生物菌液和微生物小球試驗(yàn)，確定了合理的投加量，對(duì)比了兩種投加方式的實(shí)際效果，分析了兩種投加方式的適用環(huán)境。

③通過工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，采用微生物小球和菌液聯(lián)用可顯著改善水體水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)。