黑臭水體底泥修復(fù)中載體微生物技術(shù)的應(yīng)用研究 ?

摘要：載體微生物技術(shù)具有高效、環(huán)保和經(jīng)濟等優(yōu)點，可應(yīng)用于黑臭水體底泥修復(fù)。以江蘇省常州市黑臭河道整治工程為例，探討載體微生物技術(shù)在城市黑臭水體底泥修復(fù)中的應(yīng)用效果。試驗選取十字河為場地，持續(xù)150 d，使用沸石作為載體固定光合細菌，并實時監(jiān)控底泥和上覆水。結(jié)果顯示，底泥中有機質(zhì)及Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等重金屬含量顯著降低，上覆水中化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）的去除率顯著提升，證明該技術(shù)能有效改善水質(zhì)并增強水體自凈能力。研究表明，載體微生物技術(shù)可以提高菌體密度，避免菌體流失，為城市黑臭水體底泥治理提供一種長效的方法。

關(guān)鍵詞：黑臭水體；底泥修復(fù)；載體微生物；原位修復(fù)

中圖分類號：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-0-04

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Study on the Application of Immobilized Microorganism Technology in the Remediation of Black and Odorous Water Body Sediments

HOU Lulu1， XU Ting1， ZHAO Fengbin2

（1. Changjianke （Jiangsu） Environmental Protection Engineering Co.， Ltd.， Changzhou 213000， China;

2. Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： The immobilized microorganism technology has the advantages of high efficiency， environmental protection， and economy， and can be applied to the remediation of black and odorous water body sediments. Taking the black and odorous river regulation project in Changzhou city， Jiangsu province as an example， the application effect of immobilized microorganism technology is explored in the remediation of urban black and odorous water body sediments. The experiment selects the Shizi River as the site and lasts for 150 d， and Zeolite is used as a carrier to fix photosynthetic bacteria， and real-time monitoring of sediment and overlying water is conducted. The results show that the organic matter and heavy metal contents such as Cu， Zn， Ni， Pb， Cd， Cr in the sediment are significantly reduced， the removal rates of Chemical Oxygen Demand （COD）， ammonia nitrogen （NH3-N）， Total Nitrogen （TN）， and Total Phosphorus （TP） in the overlying water are significantly improved， proving that this technology can effectively improve water quality and enhance the self purification capacity of water bodies. Research has shown that carrier microbial technology can increase bacterial density， avoid bacterial loss， and provide a long-term method for the treatment of urban black and odorous water body sediments.

Keywords： black and odorous water bodies; sediment remediation; immobilized microorganisms; in-situ remediation

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，我國部分河道出現(xiàn)不同程度的黑臭現(xiàn)象，嚴重影響居民的生活質(zhì)量，制約社會的進一步發(fā)展。全球范圍內(nèi)，包括發(fā)展中國家和發(fā)達國家的河湖都出現(xiàn)了因工業(yè)化和城市化快速推進引起的水體污染問題，尤其是水體黑臭。污染底泥不僅含有高濃度的有機物，還包含各類重金屬和營養(yǎng)鹽，如氮、磷等，污染物的積累和釋放是水體黑臭的直接原因[1-2]。具體而言，河道底泥中的有機物在微生物的作用下會產(chǎn)生甲烷（CH4）和硫化氫（H2S），這兩種氣體是黑臭水體的主要致黑致臭因子。當水體中的溶解氧濃度降低且小于2 mg/L時，厭氧條件將促使微生物通過厭氧代謝途徑分解有機物，從而大量產(chǎn)生CH4和H2S等有害氣體，氣體的累積不僅導(dǎo)致水質(zhì)惡化，還可能引發(fā)二次污染[3-4]。此外，底泥中的鐵（Fe）和錳（Mn）等重金屬在低氧或無氧條件下易與溶解在水中的硫離子結(jié)合，生成FeS和MnS等不穩(wěn)定的黑色化合物，不僅會導(dǎo)致水體顏色加深，也會進一步惡化水質(zhì)，阻礙光線穿透，從而抑制水下植物的光合作用，加劇生態(tài)系統(tǒng)的失衡[5-6]。

在底泥治理技術(shù)中，載體微生物技術(shù)因其高效、環(huán)保、成本較低等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點。載體微生物是把功能性菌種固定在某些載體上，做成生物材料，通過固定可以提高菌體密度、避免菌體流失以及增強對功能菌的保護。載體微生物可以直接投加到污染水體或底泥中，有效地控制和降解底泥中的有害物質(zhì)，如重金屬和有機污染物，從而減輕水體的黑臭現(xiàn)象。因此，有必要探討載體微生物技術(shù)在黑臭水體底泥修復(fù)中的應(yīng)用，以期為城市河流的底泥治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，改善城市水環(huán)境質(zhì)量，促進生態(tài)文明建設(shè)。

1 試驗河道概況

如圖1所示，十字河作為江蘇省常州市五星公園水系的重要組成部分，承受巨大的生態(tài)環(huán)境壓力。河道全長約為2.3 km，從古運河至后塘河延伸。根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》的城市黑臭水體污染程度分級標準（見表1），結(jié)合試驗河段治理前底泥和上覆水指標分析結(jié)果（見表2、表3），十字河上覆水體已達到重度黑臭狀態(tài)。

該河段流動性差，NH3-N、總氮（Total Nitrogen，

TN）濃度高，屬于典型的城市黑臭水體。沈家村合流制生活污水直排，加之截流泵站建設(shè)未獲周邊居民支持，導(dǎo)致該河段水質(zhì)日益惡化。此外，河道污染現(xiàn)象還包括河岸生活垃圾的不當處理、建筑工地及面源污染的影響、河道底泥中的高有機質(zhì)含量和重金屬污染。以上因素共同導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和生態(tài)功能下降，嚴重影響水體自凈能力和生物多樣性。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

在常州市十字河黑臭水體治理項目中，最終選擇采用沸石和活性炭作為微生物固定化載體。沸石主要化學(xué)成分包括Na（4.88%）、Mg（10.65%）、

Al（17.58%）、Si（40.69%）、Fe（10.78%）和其他（15.42%）。理化指標顯示，其比重為2.25 g/cm3，含泥量不大于1.00%，容量為1.55 g/cm3，水分含量不大于1.68%，磨損率不大于0.82%，比表面積為500～

1 000 m2/g，表明其具有優(yōu)良的物理吸附性和較高的比表面積，適合作為微生物的生長基質(zhì)。活性炭比重為0.35 g/cm3，含泥量為0.00%，容量為0.35 g/cm3，

水分含量不大于5.00%，比表面積為1 500～1 800 m2/g。

篩選自試驗河道底泥的光合細菌和反硝化細菌在無菌條件下進行嚴格的富集、培養(yǎng)，優(yōu)化其對特定污染物NH3-N、TN和TP的凈化效果。

2.2 試驗方法

試驗分為3個關(guān)鍵步驟，即截污與垃圾清理、微生物固定化載體的投加以及系統(tǒng)的采樣檢測。

首先，對周邊暗流污水及雨水排放系統(tǒng)進行改造，使之引流至城市污水處理系統(tǒng)，同時徹底清理河道內(nèi)的漂浮垃圾和腐敗生物殘骸，確保河道在治理期間無外來污染物輸入。其次，使用已活化的沸石作為載體，該載體在清水中洗凈后曬干，以提高其微生物吸附效率。利用光合細菌菌液（濃度1.14×108 cfu/mL），

通過1∶2的載體與菌液配比進行光合細菌的固定化處理，確保微生物高效吸附。使用微量曝氣流技術(shù)增強微生物附著，持續(xù)48 h后將固定化載體均勻投入河道。將處理后的載體以0.5 kg/m2的密度均勻撒布至河道上層水體，每7天投放一次，連續(xù)觀察并調(diào)整周期，以優(yōu)化修復(fù)效果。最后，設(shè)定周期進行采樣檢測，以監(jiān)控水質(zhì)指標及底泥指標，從而評估微生物固定化技術(shù)的應(yīng)用效果與生態(tài)安全性。

3 黑臭水體底泥原位修復(fù)效果

3.1 黑臭水體底泥的有機質(zhì)降解效果

在黑臭水體底泥的原位修復(fù)試驗中，通過持續(xù)投加載體微生物，觀察到底泥有機質(zhì)含量顯著降低。如圖2所示，初始階段（前45 d），底泥的有機質(zhì)含量減少幅度較小，降低約4%，從原始的98.5 g/kg降至94.5 g/kg。這一期間的緩慢降解主要是因為復(fù)雜的河道環(huán)境和底泥中本已存在的微生物群落競爭，新加入的光合細菌需要時間適應(yīng)并成為優(yōu)勢菌群。隨后，隨著載體微生物的作用增強，第45天至第120天有機質(zhì)含量的降幅更為顯著，減少至72.8 g/kg，降解率提升至26%。在整個150 d的修復(fù)周期結(jié)束時fLo7ztZvkosaXhUXyBaOSQ/mDPVbPZx9VE10hGtyEf4=，底泥有機質(zhì)含量進一步降低至68.2 g/kg，總降解率達到30.7%，顯示出穩(wěn)定的有機質(zhì)降解效率和較大的生態(tài)恢復(fù)潛力。

3.2 黑臭水體底泥的生物降解效果

如圖3所示，通過連續(xù)投加載體微生物，底泥生物降解能力顯著增長。在前60 d內(nèi)，初始底泥生物降解能力從0.54×10-3 kg/（kg·h）上升至1.62×10-3 kg/（kg·h），

增長率達到200%。此增長趨勢說明，載體微生物通過與底泥中現(xiàn)有微生物群落建立共生關(guān)系，提高生物降解效率。運行至100 d時，底泥生物降解能力達到峰值，為1.76×10-3 kg/（kg·h）。隨后，由于有機質(zhì)含量下降，底泥生物降解能力有所回落，維持在1.68×10-3 kg/（kg·h），但整體趨勢表明投加的載體微生物能夠顯著提升沉積物的生物降解效率，確保底泥中微生物活性的持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的穩(wěn)定性。

3.3 黑臭水體底泥重金屬轉(zhuǎn)移效果

在試驗河道中進行的黑臭水體底泥原位修復(fù)中，沸石固定化光合細菌顯示出對Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等重金屬離子的富集能力，得益于細菌對重金屬的生物轉(zhuǎn)化和固定作用。通過150 d的修復(fù)作用，Cu含量減少21.5 mg/kg，Zn含量減少13.2 mg/kg，Ni含量減少9.8 mg/kg，Pb含量減少10.4 mg/kg，Cd含量減少0.5 mg/kg，Cr含量減少13.6 mg/kg。盡管Cu和Cd含量的下降未能滿足土壤環(huán)境質(zhì)量三級標準的要求，Cu含量仍高于400 mg/kg的限值，Cd含量高于

1.0 mg/kg的限值，但結(jié)果表明載體微生物技術(shù)在河道底泥重金屬污染治理中的應(yīng)用潛能較大。盡管植物對重金屬有更強的積累能力，但微生物介導(dǎo)的生物修復(fù)為未來環(huán)境治理提供了一條新途徑，同時也指出在實際應(yīng)用中需要進一步優(yōu)化的方向，如結(jié)合植物和微生物協(xié)同修復(fù)技術(shù)，提高重金屬去除效率，構(gòu)建環(huán)境友好型的水質(zhì)凈化技術(shù)體系。

3.4 黑臭水體底泥修復(fù)對上覆水水質(zhì)的影響

在河道底泥修復(fù)試驗中，上覆水水質(zhì)實時監(jiān)測顯示，在沸石固定化光合細菌作用下，30 d內(nèi)上覆水中污染物去除效果逐步顯現(xiàn)。起初，由于微生物適應(yīng)能力不佳及溶解氧含量較低，水質(zhì)改善效果并不顯著。系統(tǒng)運行30 d后，微生物群落適應(yīng)環(huán)境，活性增強，COD、NH3-N、TN和TP的去除率逐漸提高。運行至60 d時，COD去除率達到36.5%，NH3-N去除率達到73.2%，TN去除率達到74.5%，TP去除率達到61.8%，表明生物自凈能力得到提高。隨著修復(fù)持續(xù)進行，90 d后污染指標去除率繼續(xù)上升，COD濃度降至36 mg/L，NH3-N濃度降至1.02 mg/L，TN濃度降至1.45 mg/L，TP濃度降至0.32 mg/L，溶解氧和透明度均表現(xiàn)出水生態(tài)恢復(fù)良好的跡象。150 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)證實，上覆水水質(zhì)明顯改善，黑臭問題得到有效控制，部分水質(zhì)指標達到地表水Ⅴ類水質(zhì)標準，透明度維持在50 cm以上，水體生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。

4 結(jié)論

采用原位修復(fù)技術(shù)，以沸石為載體，對光合細菌進行固定化處理，成功實現(xiàn)黑臭水體底泥中有機質(zhì)及重金屬的有效降解與轉(zhuǎn)移，同時對上覆水水質(zhì)產(chǎn)生顯著的改善作用。在150 d的修復(fù)周期內(nèi)，底泥生物降解能力提升，有機質(zhì)降解率達30.7%，并且沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等重金屬含量顯著下降。上覆水水質(zhì)實時監(jiān)測表明，載體微生物技術(shù)能顯著提升污染物的去除率，最終部分指標達到地表水Ⅴ類水質(zhì)標準。這表明載體微生物技術(shù)可以為黑臭水體治理提供一種經(jīng)濟、高效且可持續(xù)的新方法。未來研究應(yīng)進一步探索不同微生物種類及其固定化方法，以增強各類污染物的降解能力。同時，結(jié)合水動力學(xué)模擬，優(yōu)化微生物載體的分布，以實現(xiàn)更廣泛的生態(tài)修復(fù)。此外，實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析的進一步集成將使修復(fù)過程更加智能化，從而提升應(yīng)急響應(yīng)能力和修復(fù)效率。此技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有助于實現(xiàn)黑臭水體的生態(tài)功能重建和生物多樣性恢復(fù)，推動城市水環(huán)境持續(xù)改善，為實現(xiàn)水環(huán)境治理與生態(tài)文明建設(shè)目標貢獻力量。

參考文獻

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