基于生物-生態(tài)耦合的湖泊水環(huán)境修復(fù)集成技術(shù)研究

李昂,李娟

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056;2.武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰?湖北 武漢 430056)

根據(jù)2022年武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)顯示,武漢市166個(gè)湖泊中,4個(gè)湖泊達(dá)到I類水質(zhì),4個(gè)湖泊達(dá)到II類水質(zhì),58個(gè)湖泊達(dá)到IV類水質(zhì),52個(gè)湖泊達(dá)到V類水質(zhì),48個(gè)湖泊劣于V類水質(zhì)。按綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià),8個(gè)湖泊為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),91個(gè)湖泊為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),56個(gè)湖泊為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),11個(gè)湖泊為重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。63個(gè)有功能類別的湖泊中,達(dá)到水質(zhì)功能類別標(biāo)準(zhǔn)的有21個(gè),占33.3%,與2021年相比減少8.0個(gè)百分點(diǎn)。湖泊水質(zhì)總體保持穩(wěn)定,但與“武漢市重點(diǎn)湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)工作方案”目標(biāo)還有差距,因此著重改善不達(dá)標(biāo)湖泊水體環(huán)境質(zhì)量是水污染防治工作的首要工作內(nèi)容。

本研究以武漢市經(jīng)開區(qū)16個(gè)小微水體為研究對(duì)象,小微水體具有流動(dòng)性差,水環(huán)境容量小,水體自凈能力差,自然充氧能力不強(qiáng)等特點(diǎn);在雨洪污染和懸浮物沉積等多重作用下,湖水中污染物濃度超過了環(huán)境容量和自凈能力,其富集的速度大于其消除的速度,造成有機(jī)物濃度高。湖泊水體水中污染物總量較低,但污染物種類繁多、性質(zhì)復(fù)雜,湖泊水體水質(zhì)要提升至地表水IV類標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有單一技術(shù)很難實(shí)現(xiàn),因此需要采用生物-生態(tài)耦合的方式對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行提升,本次研究為今后湖泊水體的水質(zhì)提升提供一個(gè)新思路,對(duì)推動(dòng)利用該技術(shù)大規(guī)?；幚砗此w具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

湖泊水體多為封閉靜止或緩流水體,盡管湖泊水體中污染物總量較低,但污染物種類繁多、性質(zhì)復(fù)雜,常規(guī)水處理工藝難以有效凈化湖泊水體。因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)于湖泊水體處理技術(shù)的研究有著高度關(guān)注。

化學(xué)氧化法主要是在原水中投加強(qiáng)氧化劑,其原理是氧化劑通過失去電子對(duì)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行氧化的方法,氧化分解去除原水中的還原性有機(jī)物、藻類及嗅味物質(zhì)等。李想[1]等人在混凝處理單元前采用了高錳酸鉀復(fù)合藥劑預(yù)處理,研究結(jié)果表明,預(yù)處理能夠很好的強(qiáng)化混凝處理工藝,能夠顯著提高混凝過程對(duì)濁度、有機(jī)物等污染指標(biāo)的去除效率,當(dāng)高錳酸鉀的用量為0.25 mg/L時(shí),還能使混凝階段混凝劑的投加量減少。陳詩(shī)雯[2]等人在原有常規(guī)工藝前采用二氧化氯預(yù)氧化工藝研究微污染黃河水,結(jié)果表明,兩個(gè)工藝相結(jié)合不僅使得除藻能力大大增加,還降低了出水色度,以及嗅味等感官性指標(biāo)濃度。

生物氧化法是指在常規(guī)凈水工藝前增設(shè)生物預(yù)處理工藝,利用微生物群體的新陳代謝活動(dòng)對(duì)水中的有機(jī)污染物、氨氮、亞硝酸鹽及鐵、錳等無機(jī)污染物進(jìn)行生物降解,提高原水的可生化性,減輕常規(guī)處理和后續(xù)深度處理的負(fù)荷。錢東[3]等人發(fā)現(xiàn),采用懸浮填料生物接觸氧化池,運(yùn)行成本較低,氨氮去除率一般在70%左右,夏季達(dá)80%以上,冬季在30%左右。付斌[4]等人以齒輪型生物載體作為懸浮填料,懸浮填料表面附著一層以菌膠團(tuán)為主的黃褐色的生物膜,預(yù)處理對(duì)氨氮去除率能達(dá)到80%以上,出水氨氮、亞硝氮滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

吸附法是利用多孔性的固體吸附劑,如沸石、活性炭、硅藻土等,將水樣中的一種或數(shù)種污染物質(zhì)吸附于表面,以達(dá)到去除水中有機(jī)污染物、色度及其嗅味等物質(zhì)的目的。富添[5]等人研究了沸石的靜態(tài)吸附能力以及預(yù)處理工藝對(duì)氨氮的去除效果,結(jié)果表明,沸石對(duì)氨氮具有很強(qiáng)的吸附能力,工藝對(duì)氨氮的去除率高達(dá)80%以上。左思敏[6]等人在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),預(yù)處理采用高錳酸鉀和粉末活性炭聯(lián)用方式處理低溫低濁微污染長(zhǎng)江水是有效的,不僅能夠改善出水水質(zhì),同時(shí)還可以降低混凝劑和氯氣用量。

綜上,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于處理湖泊水體的研究多集中在單一技術(shù)上,如物化方法、生物法或者生態(tài)技術(shù)法,即使有物化與生物法組合工藝對(duì)湖泊水體的凈化研究,也極少關(guān)注組合工藝的作用機(jī)理。

2 治理技術(shù)研究及其優(yōu)勢(shì)

基于生物-生態(tài)耦合的湖泊水環(huán)境修復(fù)集成技術(shù),采用微生物復(fù)合菌種+沉水植物群落構(gòu)建+鑭改性的凹凸棒土底質(zhì)改良劑相互耦合、相互作用,有效凈化湖泊水質(zhì),維持湖泊水質(zhì)長(zhǎng)效達(dá)標(biāo)。

2.1 微生物復(fù)合菌種

在治理湖泊水體的過程中,針對(duì)所治理水體的實(shí)際情況,使用不同種類、不同配比的復(fù)合微生物,通過模擬實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合微生物菌種對(duì)污染水體的修復(fù)效果,以獲得最佳的湖泊水體投菌方式;同時(shí)分析微生物在水體治理過程中的作用,為以后更加高效治理湖泊水體奠定基礎(chǔ)。

功能菌株篩選,篩菌試驗(yàn)中所需要用到的一切設(shè)備、玻璃器皿等物品再使用前均需經(jīng)過滅菌操作。首先在無菌條件下制作分離純化用平板:將用于分離純化的瓊脂培養(yǎng)基在高壓滅菌鍋(121 ℃,0.1 MPa)中滅菌30 min。取出后放置在無菌臺(tái)內(nèi),使用紫外線照射20 min,期間保持通風(fēng),待培養(yǎng)基冷卻至50 ℃左右,按無菌操作法倒若干平板(每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)倒大概15 mL左右),平置,等待徹底凝固后使用。再經(jīng)富集、初篩、復(fù)篩和鑒定環(huán)節(jié),得到純化菌株,圖1為功能菌株篩選流程圖。

圖1 功能菌株篩選流程圖

本技術(shù)所篩選出來的功能菌株Y1,目前已上傳中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心,本功能菌株不論在溫度較低的冬季還是溫度較高的夏季,均可將水體中的氨氮完全去除,有效提高水體水質(zhì),圖2為功能菌株XRD成像。

圖2 功能菌株XRD成像

通過圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出氨氮在實(shí)驗(yàn)?zāi)┪驳靡酝耆コ?且無亞硝氮?dú)埩?證明Y1菌具有良好的脫氮效果。

圖3 功能菌株脫氮效果

2.2 沉水植物群落構(gòu)建

根據(jù)生物操縱理論,比較篩選不同類群的沉水植物,輔以微生物調(diào)控手段進(jìn)行湖泊水體水生態(tài)修復(fù)研究。不同沉水植物對(duì)水體中TN、TP、NH3-N和COD都有不同的去除效果,例如苦草等對(duì)磷的凈化效率可達(dá)90%。本研究篩選適宜的沉水植物進(jìn)行分析,以沉水植物凈化技術(shù)為先導(dǎo),研究不同結(jié)構(gòu)水生動(dòng)植物種群對(duì)水體目標(biāo)污染物的去除效果。

本次研究以苦草為對(duì)照組,比選金魚藻、伊樂藻、狐尾藻、黑藻對(duì)TP和TN的去除率,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,隨著時(shí)間的推移,TN 的去除率逐漸提高,苦草試驗(yàn)組(對(duì)照組)的 TN 去除效果最好。各種沉水植物對(duì)水中總氮的去除率為:金魚藻(23.7%)、伊樂藻(21%)、狐尾藻(17.8%)、黑藻(17.6%)、苦草(25.1%)。對(duì) TP的去除率為:苦草(70%)、伊樂藻(67%)、金魚藻(61.5%)、黑藻(28.8%)、狐尾藻(18.3%)。對(duì)氨氮的去除效果為:苦草(35%)、黑藻(24%)、金魚藻(21%)、狐尾藻(18%)、伊樂藻(26%)。

通過圖4～5實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)苦草對(duì)水質(zhì)的凈化效果明顯優(yōu)于其他沉水植物,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1 500 g/m3的最優(yōu)苦草種植密度下,水體中TP、TN的去除率均達(dá)到90%以上。

圖5 不同密度苦草總磷去除率

2.3 鑭改性的凹凸棒土底質(zhì)改良劑

當(dāng)污染物濃度高出底泥本底值2～3倍時(shí)可考慮進(jìn)行清淤,在邊界條件以下時(shí)可采用原位覆蓋技術(shù)修復(fù)底泥。選擇不同覆蓋材料對(duì)水體底泥進(jìn)行原位覆蓋,如:河沙、紅壤、硅藻土等。研究覆蓋技術(shù)控制底泥污染物釋放的效果和機(jī)理,研究其對(duì)泥-水界面氧化還原環(huán)境的改善作用。

凹凸棒土由于產(chǎn)量大、成本低,作為一種吸附材料具備良好的優(yōu)勢(shì),應(yīng)用前景廣闊。鑭(La)作為一種稀土元素,在地殼中含量相對(duì)豐富,并且環(huán)境友好,價(jià)格相對(duì)便宜,對(duì)磷酸鹽有著極強(qiáng)的親和力,常被用于除磷材料的制備。本研究通過模擬湖泊水環(huán)境,探究在不同環(huán)境條件下沉積物磷的釋放特征,在以凹凸棒土為原材料的基礎(chǔ)上,依次進(jìn)行熱改性以及鑭改性處理,通過比較不同改性材料對(duì)磷的去除效果,篩選出最佳改性凹凸棒土作為抑制湖泊沉積物磷釋放的固磷材料,圖6為鑭改性的凹凸棒土掃描電鏡成像。

圖6 鑭改性的凹凸棒土掃描電鏡成像

本次研究使用液相沉淀和高溫煅燒法制備了鑭改性的凹凸棒土,相比較市面上常用的膨潤(rùn)土而言,比表面積提升了近3倍,大大增加了其對(duì)污染物的吸附容量。

圖7說明固磷材料鑭改性的凹凸棒土能對(duì)水體起到良好的修復(fù)效果。其原因是一方面鑭改性的凹凸棒土能有效吸附沉積物中磷的釋放,有較好的控磷效果,另一方面鑭改性的凹凸棒土也能吸附上覆水體中的磷酸鹽,使水體中的磷得以去除。

圖7 不同上覆水中TP濃度的變化

3 結(jié)論

(1)針對(duì)水體脫氮,自主篩選得到異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌Y1,通過提取土著菌種發(fā)方式,有效解決了外來微生物入侵等問題,通過實(shí)驗(yàn)可以看出在其對(duì)水體重的氮具有良好的脫除能力。

(2)針對(duì)沉水植物群落構(gòu)建,選取苦草作為優(yōu)勢(shì)沉水植物,在達(dá)到良好的脫氮除磷效果的同時(shí),構(gòu)建了良好的水生生態(tài)環(huán)境,使之具有一定的穩(wěn)定性、和諧性與美觀性。

(3)針對(duì)底泥中磷含量偏高,且易釋放至上覆水體中的特點(diǎn),研發(fā)固磷材料鑭改性的凹凸棒土,可以有效固定底泥中的磷元素、削弱上覆水體中的磷濃度。

(4)通過以上三種措施的共同耦合作用,可以有效提高湖泊水質(zhì)凈化能力,維持湖泊水體長(zhǎng)治久清。