城市水環(huán)境治理生物修復(fù)技術(shù)分析

施韶暉，樊 浦，臧力永

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局宿遷分局，江蘇宿遷 223800）

1 生物修復(fù)技術(shù)概述

起源于20世紀(jì)80年代興起于90年代的生物修復(fù)技術(shù)，其主要是利用天然存在或者經(jīng)過(guò)特別培養(yǎng)植物、動(dòng)物、微生物或其他生物等的特性對(duì)大氣、土壤、水環(huán)境、固體廢物等作為處理對(duì)象，將其中有毒、有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化成無(wú)公害物質(zhì)的處理技術(shù)。生物修復(fù)技術(shù)借助的是動(dòng)植物和微生物等生物所具有的自我修復(fù)能力，比如通過(guò)土地耕作、生物堆肥、生物通氣生物反應(yīng)器、生物促進(jìn)技術(shù)等進(jìn)行原位修復(fù)、異位修復(fù)，如通過(guò)微生物的機(jī)理性能來(lái)吸收污染物質(zhì)，從而起到凈化水環(huán)境的作用。當(dāng)前現(xiàn)代常用的水環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)主要有水生動(dòng)物修復(fù)技術(shù)、水生植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)、土地處理技術(shù)、生物膜法處理技術(shù)等。生物修復(fù)技術(shù)主要是利用動(dòng)植物和微生物所形成的生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力，因此在投入成本上較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、操作上方便安全、效果上實(shí)用有效，因此被廣泛應(yīng)用在城市水環(huán)境治理當(dāng)中。目前城市水環(huán)境治理中大多采用以大型水生植物為主的水處理和水體修復(fù)技術(shù)。

2 生物修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理

2.1 植物修復(fù)

生物修復(fù)技術(shù)中的植物修復(fù)主要是利用水生植物對(duì)水污染的超強(qiáng)吸收、吸附、降解和富集等能力。水生植物的根系發(fā)達(dá)，可以直接對(duì)水中污染物進(jìn)行吸收，再經(jīng)轉(zhuǎn)化、輸送將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、酶等分泌到水體中，其中所輸送的單糖、氨基酸、脂肪族化合物等可以釋放到根系周圍、莖葉周圍和水中沉積物當(dāng)中，這對(duì)水體的生化活性起到改變作用，有利于提高城市水環(huán)境的生物修復(fù)能力。另一方面，水生植物將水體中污染物以非植物性毒素方式積累在本體中，根系分泌物又為水中微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物的活躍又提高了對(duì)有毒物質(zhì)的降解能力。這樣一種共生共榮的生物循環(huán)利用，有效提高了水環(huán)境的生物修復(fù)能力。

2.2 動(dòng)物修復(fù)

動(dòng)物修復(fù)主要是利用水中生物如魚蝦類、底棲動(dòng)物類、浮游動(dòng)物類等習(xí)性進(jìn)行水質(zhì)修復(fù)。水污染會(huì)使藻類過(guò)度繁殖，所產(chǎn)生的氮、磷等會(huì)嚴(yán)重污染水域并造成水體缺氧。針對(duì)這種情況一般采用投放食草魚種，如鰱魚、鳙魚、草魚等以浮游動(dòng)植物為食的魚類。此外，魚蝦、水蚤和底棲動(dòng)物如河蚌、螺類等也可以消耗浮游動(dòng)植物、藻類，可以有效地對(duì)浮游動(dòng)植物的生物量進(jìn)行限制，有效降低水體的氮磷含量和pH。

2.3 微生物修復(fù)

廢污水對(duì)水環(huán)境的污染會(huì)使水體里的各種有機(jī)磷、有機(jī)酸、有機(jī)汞、重金屬、氰化物、蛋白質(zhì)、醛醇以及酚類物質(zhì)等含量超標(biāo)，而微生物群體可以利用自身細(xì)胞壁滲透和反滲透的功能對(duì)這些超標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行吸收、消化，從而產(chǎn)生新的代謝物質(zhì)，新的物質(zhì)又繼續(xù)為其他微生物提供養(yǎng)料。這種循環(huán)往復(fù)的生物鏈功能可以有效地分解、凈化廢污水中的有害有機(jī)物，使水環(huán)境得到有效修復(fù)。

3 城市水環(huán)境治理中生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用存在問(wèn)題

3.1 底泥生物修復(fù)工作不夠重視

城市水環(huán)境中的底泥通常是由泥沙、黏土、有機(jī)物及多種礦物等混合組成，經(jīng)過(guò)廢污水、垃圾等污染和長(zhǎng)時(shí)間物理、化學(xué)和其他生物經(jīng)水體傳輸沉積的作用，底泥會(huì)滋生大量的污染物質(zhì)，所形成的黑臭水嚴(yán)重污染水環(huán)境和空氣。但在城市水環(huán)境治理工作中，如何借用外緣微生物和生物促生劑來(lái)對(duì)底泥進(jìn)行生物修復(fù)，相關(guān)部門還沒有形成整體性的認(rèn)知和高度重視，從而使底泥生物修復(fù)工作開展不夠全面，相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用不夠深入。

3.2 生物修復(fù)技術(shù)缺乏科學(xué)、合理的多樣化應(yīng)用

城市水環(huán)境治理所需要應(yīng)用的技術(shù)是多種多樣的，但部分城市的水環(huán)境污染治理方法單一，比如多為借助微生物投放劑、人工增氧等。微生物投放劑技術(shù)主要是利用微生物細(xì)胞的吸附原理。微生物細(xì)胞的比表面積很大，對(duì)水中的有機(jī)顆粒、溶解性有機(jī)物、膠體物質(zhì)等特別是有毒有害的有機(jī)污染物具有超強(qiáng)的吸附處理能力。但在修復(fù)中只單純應(yīng)用微生物修復(fù)技術(shù)，沒有采取其他相應(yīng)技術(shù)處理被吸附去除的有機(jī)物，這些有機(jī)物會(huì)不斷累積在剩余污泥中，造成二次污染。因此，城市水環(huán)境污染治理需要科學(xué)合理地應(yīng)用融合多種科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，涵蓋環(huán)境工程學(xué)、微生物學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等，如此才能使修復(fù)工作效果顯著。

3.3 忽視水生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)和調(diào)節(jié)能力

水生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、水體流動(dòng)性和物質(zhì)循環(huán)途徑的多重性，使其具有強(qiáng)大的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，這種自動(dòng)調(diào)節(jié)能力和恢復(fù)能力和水生系統(tǒng)的組成多樣化呈正比例關(guān)系，因此具有自限性。當(dāng)前城市水環(huán)境污染治理中，清淤、駁岸等方式一定程度上能緩解河道水體的污染，但經(jīng)過(guò)處理后的底泥如果不加以其他技術(shù)的利用，依然還是會(huì)釋放無(wú)機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽，導(dǎo)致清淤駁岸后的有機(jī)污染物去除效果不明顯。因此必須在清淤駁岸的基礎(chǔ)上多樣化地采用生物修復(fù)技術(shù)，使水環(huán)境的水體生物鏈得以延長(zhǎng)，提高水生態(tài)環(huán)境的自我修復(fù)和調(diào)節(jié)能力。

4 生物修復(fù)技術(shù)在城市水環(huán)境治理中的應(yīng)用

4.1 在脫氮除磷方面運(yùn)用生物修復(fù)技術(shù)

城市水環(huán)境被污染的判定標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一就是水中氮、磷的含量超標(biāo)。過(guò)高的氮、磷會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致藻類迅速繁殖、大量生長(zhǎng)，會(huì)大量消耗水中氧氣，造成其他水生物如魚蝦、蚌螺等因缺氧死亡。或者大量藻類繁殖所形成的赤潮現(xiàn)象，赤潮消退時(shí)所造成的相關(guān)生物大量死亡和分解所產(chǎn)生的有害氣體也會(huì)嚴(yán)重污染空氣和水環(huán)境，危害人類健康。氮、磷作為植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，通過(guò)生物修復(fù)技術(shù)對(duì)城市富營(yíng)養(yǎng)污水中的氮、磷等物質(zhì)進(jìn)行除污處理非常必要。水生植物中的浮游植物、挺水植物、沉水植物在進(jìn)行水體污染處理時(shí)具有不同的功能。挺水植物如美人蕉、荊三棱、香根草等主要是通過(guò)根系和葉面的光合作用進(jìn)行二氧化碳、氨氮、總磷等吸收、氧氣釋放，最后通過(guò)收割過(guò)剩的挺水植物并移除水體，達(dá)到水體脫氮、除磷的目的，從而促進(jìn)水環(huán)境生態(tài)環(huán)境的有效循環(huán)。浮游植物主要是對(duì)水體表面污染物進(jìn)行吸附、吸收和富集。沉水植物則是通過(guò)對(duì)水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行吸收和吸附，使水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量實(shí)現(xiàn)合理控制，達(dá)到成分平衡。利用水生植物進(jìn)行脫氮除磷處理，需要結(jié)合科學(xué)合理的相關(guān)生物修復(fù)技術(shù)預(yù)處理方式來(lái)進(jìn)行。目前人工濕地污水凈化系統(tǒng)是城市水環(huán)境治理中應(yīng)用較多的脫氮除磷的技術(shù)之一。

人工濕地污水凈化系統(tǒng)在去除污水中的氮磷物質(zhì)上具有顯著優(yōu)勢(shì)，它通過(guò)模仿天然濕地系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)，利用人工基質(zhì)、微生物、高等維管植物、微型動(dòng)物等所組成的生態(tài)系統(tǒng)功能進(jìn)行污水處理。人工濕地污水凈化系統(tǒng)主要針對(duì)城市污水處理或與城市污水類似的污水處理、經(jīng)過(guò)一二級(jí)處理后的污水深度處理。在應(yīng)用此技術(shù)前，首先要做好相關(guān)調(diào)研、預(yù)處理工作。如應(yīng)首先認(rèn)真研究該人工濕地的水域水力負(fù)荷、污染物負(fù)荷比；其次根據(jù)季節(jié)變化和地質(zhì)特點(diǎn)做好植物種類的選擇和合理配置安排；最后要認(rèn)真考慮人工濕地底部防滲、防堵塞等措施安排等。由于人工濕地污水凈化系統(tǒng)主要是針對(duì)重金屬、有機(jī)物、氮磷等物質(zhì)進(jìn)行凈化處理，特別是通過(guò)植物吸附、吸收和富集等功能來(lái)進(jìn)行污水處理，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)污水處理功能效果好的植物篩選工作。經(jīng)多次研究實(shí)踐證明，污水處理效果好的植物有菖蒲、香蒲、蘆葦?shù)?。在城市水環(huán)境處理中，特別是針對(duì)處于閑置狀態(tài)的資源如沒有農(nóng)業(yè)利用價(jià)值的魚塘、荒地、廢棄的河灘、河道以及難以截污治理的湖泊、城郊河道等，都可以將其改造為人工濕地進(jìn)行污水處理，這樣不僅投資少、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且能耗低、應(yīng)用價(jià)值高、環(huán)保效率顯著。

4.2 生物修復(fù)技術(shù)在降解有機(jī)污染物方面的運(yùn)用

城市水治理中有機(jī)物污染是很常見的問(wèn)題，生物修復(fù)技術(shù)中的生物強(qiáng)化技術(shù)是一種較為新型的技術(shù)，即通過(guò)在污水中投放外源型微生物制劑如高效菌等來(lái)對(duì)活性污泥進(jìn)行污水處理，以達(dá)到去污凈化的效果。生物強(qiáng)化技術(shù)的操作較為簡(jiǎn)單，主要是在污水中投入微生物制劑，如硝化細(xì)菌、光合細(xì)菌（PSB）、日本EM等。通過(guò)相關(guān)的生物強(qiáng)化技術(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如將高效菌放入活性污泥處理系統(tǒng)中，處理焦化廢水中的揮發(fā)酚效果最佳的狀態(tài)是：持續(xù)進(jìn)水需水力停留為15j、高效菌劑投放量比例為0.3%，控制活性污泥的SV30為30%。達(dá)到如此條件下的焦化廢水揮發(fā)酚的處理效果可以達(dá)到99.94%，處理后水中揮發(fā)酚的含量低于0.5mg/L，完全符合《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)一級(jí)處理水的要求。同時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在活性污泥處理系統(tǒng)中投入X4菌，比未投入高效菌劑的COD去除處理效果有明顯提升。當(dāng)投入X4菌的比例符合相關(guān)條件時(shí)，24h可降解97%的油脂。在對(duì)丙烯腈和總氰等有機(jī)物降解中，利用特效菌種可以使降解率分別達(dá)到98.7%和84%。因此，使用生物強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行有機(jī)污染物降解，比傳統(tǒng)老舊單一的治理技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，不僅設(shè)備投入成本少，而且技術(shù)操作簡(jiǎn)便、安全，所取得的效果顯著。此外，在降解有機(jī)污染物上還有生物促進(jìn)技術(shù)。生物促進(jìn)技術(shù)是通過(guò)在水環(huán)境中添入具有污染物降解能力的土著微生物，以此構(gòu)建一個(gè)具有更完整、更高效的自然降解功能的生態(tài)環(huán)境，一般通過(guò)在污染水源當(dāng)中投放解毒劑或者具有促使污染物降解的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如常量元素、酶、有機(jī)酸、維生素等，以此促進(jìn)土著微生物的繁殖和增長(zhǎng)速度，建立更好的好氧微生物區(qū)系，提高污染環(huán)境中微生物的競(jìng)爭(zhēng)性抑制水平，促進(jìn)水環(huán)境中污染物質(zhì)的降解。

4.3 在去除重金屬污染中應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)

重金屬污染是當(dāng)前水環(huán)境污染問(wèn)題中嚴(yán)重問(wèn)題之一，污水中所含的汞、鎘、鋁等重金屬嚴(yán)重超標(biāo)會(huì)對(duì)引發(fā)人類很難治愈甚至死亡的疾病，危害極大，因此采用化學(xué)、物理等多種方法進(jìn)行重金屬?gòu)U水處理成為當(dāng)前水環(huán)境治理的主要方式。生物修復(fù)技術(shù)在去除重金屬污染中具有顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)利用微生物、植物、動(dòng)物等生命體的生命活動(dòng)代謝、吸附、降解、改變其形態(tài)等方法來(lái)對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理，成本投入較少、處理效率高，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。利用生物修復(fù)技術(shù)去除重金屬污染，主要利用微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)。

微生物修復(fù)技術(shù)和降解有機(jī)污染物的原理基本一致，通過(guò)在活性污泥中投放外源型微生物、高效菌種等方式來(lái)對(duì)重金屬進(jìn)行吸附。首先要對(duì)活性污泥進(jìn)行分離、純化和篩選，對(duì)于篩選獲取的霉菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如藤黃微球菌、產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)Cu2+、Pb2+等具有高強(qiáng)度的吸附性。因此在進(jìn)行微生物修復(fù)時(shí)，可以有針對(duì)性地根據(jù)廢水中重金屬含量的比例選擇相對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)菌種，以此提高微生物對(duì)金屬離子的吸附效率。

植物修復(fù)技術(shù)去除重金屬污染主要是利用植物根系對(duì)水體內(nèi)部重金屬污染物進(jìn)行吸收、吸附、固定、揮發(fā)、去除，從而降低重金屬污染物在水環(huán)境中的含量，達(dá)到修復(fù)水體、治理水環(huán)境的目的。水中植物對(duì)重金屬如鋅、鉛、鎘、銅等具有良好的去除效果，如水鱉科植物、龍須菜等。此外，通過(guò)水生動(dòng)物進(jìn)行重金屬去除也效果顯著。水生動(dòng)物中的甲殼類動(dòng)物如螺、貝類如牡蠣以及環(huán)節(jié)動(dòng)物等對(duì)重金屬具有高強(qiáng)度的富集作用，可以去除水中將近80%的重金屬元素。因此通過(guò)綜合利用動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)可以取得更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的治理效果。

5 在城市水環(huán)境治理中應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)中的注意要點(diǎn)

5.1 充分做好水環(huán)境調(diào)查工作

為了有針對(duì)性地選擇合理的生物修復(fù)技術(shù)，提高技術(shù)應(yīng)用和水環(huán)境治理效率，應(yīng)對(duì)需要治理的水域進(jìn)行深入、全面的調(diào)查。應(yīng)針對(duì)河、湖等水體以及底泥中的各種生物學(xué)、理化指標(biāo)如TP、NH3-N、TOC、水體pH、BOD5、底棲動(dòng)物、高等動(dòng)植物群落、浮游生物群落及底泥TOC、pH、NH3-N等進(jìn)行全面調(diào)查。此外，對(duì)河湖的地理特征、水文特征分布情況、河岸植被和生物帶分布情況、污染物排放量、排放規(guī)律、排污口分布情況、污染物種類數(shù)量等都需要進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并制定全面、真實(shí)的調(diào)查報(bào)告。然后根據(jù)調(diào)研報(bào)告開展相應(yīng)的模擬試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上選擇最佳的水環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)，并最終形成實(shí)施方案。

5.2 做好底泥生物修復(fù)工作，啟動(dòng)河湖生態(tài)系統(tǒng) 功能

河湖的底泥需要提高其“無(wú)機(jī)化”功能，通過(guò)實(shí)施底泥生物氧化，使底泥的有機(jī)碳含量降低，提高底泥氧化還原電位，消減泥層的厚度，加強(qiáng)底泥分解上覆水體有機(jī)污染物方面的能力，使底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的能力得以提升，進(jìn)而使底泥的生物修復(fù)能力得以恢復(fù)。同時(shí)，要加強(qiáng)底泥或水環(huán)境當(dāng)中土著微生物活性的激活力度。相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)水環(huán)境中底泥土著微生物的激活工作，通過(guò)有針對(duì)性的篩選、試驗(yàn)，使底泥中的土著微生物得以大量繁殖，構(gòu)建具有良好競(jìng)爭(zhēng)性的好氧微生物區(qū)系，提高有機(jī)污染物的降解效率，使水體生物得以有效修復(fù)。通過(guò)水體生物的有效修復(fù)，使水體溶解氧增加，再聯(lián)合曝氣復(fù)氧等措施，可以高效消除水體黑臭問(wèn)題，從而構(gòu)建高效完整循環(huán)的河湖生態(tài)系統(tǒng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

生物修復(fù)技術(shù)在城市水環(huán)境治理當(dāng)中有著高效、實(shí)用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也需要多方面綜合辯證，有針對(duì)性地選取合適技術(shù)種類進(jìn)行應(yīng)用，才能在城市水環(huán)境治理當(dāng)中取得事半功倍的效果。