城市水环境治理生物修复技术分析

2023-04-15施韶晖臧力永

化工设计通讯 2023年1期

施韶晖，樊浦，臧力永

（江苏省水文水资源勘测局宿迁分局，江苏宿迁 223800）

1 生物修复技术概述

起源于20世纪80年代兴起于90年代的生物修复技术，其主要是利用天然存在或者经过特别培养植物、动物、微生物或其他生物等的特性对大气、土壤、水环境、固体废物等作为处理对象，将其中有毒、有害物质转化成无公害物质的处理技术。生物修复技术借助的是动植物和微生物等生物所具有的自我修复能力，比如通过土地耕作、生物堆肥、生物通气生物反应器、生物促进技术等进行原位修复、异位修复，如通过微生物的机理性能来吸收污染物质，从而起到净化水环境的作用。当前现代常用的水环境生物修复技术主要有水生动物修复技术、水生植物修复技术、微生物修复技术、土地处理技术、生物膜法处理技术等。生物修复技术主要是利用动植物和微生物所形成的生态系统自我修复能力，因此在投入成本上较为经济实惠、操作上方便安全、效果上实用有效，因此被广泛应用在城市水环境治理当中。目前城市水环境治理中大多采用以大型水生植物为主的水处理和水体修复技术。

2 生物修复技术的作用机理

2.1 植物修复

生物修复技术中的植物修复主要是利用水生植物对水污染的超强吸收、吸附、降解和富集等能力。水生植物的根系发达，可以直接对水中污染物进行吸收，再经转化、输送将营养物质、酶等分泌到水体中，其中所输送的单糖、氨基酸、脂肪族化合物等可以释放到根系周围、茎叶周围和水中沉积物当中，这对水体的生化活性起到改变作用，有利于提高城市水环境的生物修复能力。另一方面，水生植物将水体中污染物以非植物性毒素方式积累在本体中，根系分泌物又为水中微生物提供营养物质，微生物的活跃又提高了对有毒物质的降解能力。这样一种共生共荣的生物循环利用，有效提高了水环境的生物修复能力。

2.2 动物修复

动物修复主要是利用水中生物如鱼虾类、底栖动物类、浮游动物类等习性进行水质修复。水污染会使藻类过度繁殖，所产生的氮、磷等会严重污染水域并造成水体缺氧。针对这种情况一般采用投放食草鱼种，如鲢鱼、鳙鱼、草鱼等以浮游动植物为食的鱼类。此外，鱼虾、水蚤和底栖动物如河蚌、螺类等也可以消耗浮游动植物、藻类，可以有效地对浮游动植物的生物量进行限制，有效降低水体的氮磷含量和pH。

2.3 微生物修复

废污水对水环境的污染会使水体里的各种有机磷、有机酸、有机汞、重金属、氰化物、蛋白质、醛醇以及酚类物质等含量超标，而微生物群体可以利用自身细胞壁渗透和反渗透的功能对这些超标物质进行吸收、消化，从而产生新的代谢物质，新的物质又继续为其他微生物提供养料。这种循环往复的生物链功能可以有效地分解、净化废污水中的有害有机物，使水环境得到有效修复。

3 城市水环境治理中生物修复技术应用存在问题

3.1 底泥生物修复工作不够重视

城市水环境中的底泥通常是由泥沙、黏土、有机物及多种矿物等混合组成，经过废污水、垃圾等污染和长时间物理、化学和其他生物经水体传输沉积的作用，底泥会滋生大量的污染物质，所形成的黑臭水严重污染水环境和空气。但在城市水环境治理工作中，如何借用外缘微生物和生物促生剂来对底泥进行生物修复，相关部门还没有形成整体性的认知和高度重视，从而使底泥生物修复工作开展不够全面，相应技术应用不够深入。

3.2 生物修复技术缺乏科学、合理的多样化应用

城市水环境治理所需要应用的技术是多种多样的，但部分城市的水环境污染治理方法单一，比如多为借助微生物投放剂、人工增氧等。微生物投放剂技术主要是利用微生物细胞的吸附原理。微生物细胞的比表面积很大，对水中的有机颗粒、溶解性有机物、胶体物质等特别是有毒有害的有机污染物具有超强的吸附处理能力。但在修复中只单纯应用微生物修复技术，没有采取其他相应技术处理被吸附去除的有机物，这些有机物会不断累积在剩余污泥中，造成二次污染。因此，城市水环境污染治理需要科学合理地应用融合多种科学领域的知识和技术，涵盖环境工程学、微生物学、水文地质学等，如此才能使修复工作效果显著。

3.3 忽视水生态系统的自我恢复和调节能力

水生态系统的多样性、结构的复杂性、水体流动性和物质循环途径的多重性，使其具有强大的自动调节能力，这种自动调节能力和恢复能力和水生系统的组成多样化呈正比例关系，因此具有自限性。当前城市水环境污染治理中，清淤、驳岸等方式一定程度上能缓解河道水体的污染，但经过处理后的底泥如果不加以其他技术的利用，依然还是会释放无机物、营养盐，导致清淤驳岸后的有机污染物去除效果不明显。因此必须在清淤驳岸的基础上多样化地采用生物修复技术，使水环境的水体生物链得以延长，提高水生态环境的自我修复和调节能力。

4 生物修复技术在城市水环境治理中的应用

4.1 在脱氮除磷方面运用生物修复技术

城市水环境被污染的判定标准的重要指标之一就是水中氮、磷的含量超标。过高的氮、磷会造成水体富营养化，导致藻类迅速繁殖、大量生长，会大量消耗水中氧气，造成其他水生物如鱼虾、蚌螺等因缺氧死亡。或者大量藻类繁殖所形成的赤潮现象，赤潮消退时所造成的相关生物大量死亡和分解所产生的有害气体也会严重污染空气和水环境，危害人类健康。氮、磷作为植物生长的关键因素，通过生物修复技术对城市富营养污水中的氮、磷等物质进行除污处理非常必要。水生植物中的浮游植物、挺水植物、沉水植物在进行水体污染处理时具有不同的功能。挺水植物如美人蕉、荆三棱、香根草等主要是通过根系和叶面的光合作用进行二氧化碳、氨氮、总磷等吸收、氧气释放，最后通过收割过剩的挺水植物并移除水体，达到水体脱氮、除磷的目的，从而促进水环境生态环境的有效循环。浮游植物主要是对水体表面污染物进行吸附、吸收和富集。沉水植物则是通过对水体中的营养盐进行吸收和吸附，使水体营养盐含量实现合理控制，达到成分平衡。利用水生植物进行脱氮除磷处理，需要结合科学合理的相关生物修复技术预处理方式来进行。目前人工湿地污水净化系统是城市水环境治理中应用较多的脱氮除磷的技术之一。

人工湿地污水净化系统在去除污水中的氮磷物质上具有显著优势，它通过模仿天然湿地系统的功能、结构，利用人工基质、微生物、高等维管植物、微型动物等所组成的生态系统功能进行污水处理。人工湿地污水净化系统主要针对城市污水处理或与城市污水类似的污水处理、经过一二级处理后的污水深度处理。在应用此技术前，首先要做好相关调研、预处理工作。如应首先认真研究该人工湿地的水域水力负荷、污染物负荷比；其次根据季节变化和地质特点做好植物种类的选择和合理配置安排；最后要认真考虑人工湿地底部防渗、防堵塞等措施安排等。由于人工湿地污水净化系统主要是针对重金属、有机物、氮磷等物质进行净化处理，特别是通过植物吸附、吸收和富集等功能来进行污水处理，所以应加强对污水处理功能效果好的植物筛选工作。经多次研究实践证明，污水处理效果好的植物有菖蒲、香蒲、芦苇等。在城市水环境处理中，特别是针对处于闲置状态的资源如没有农业利用价值的鱼塘、荒地、废弃的河滩、河道以及难以截污治理的湖泊、城郊河道等，都可以将其改造为人工湿地进行污水处理，这样不仅投资少、经济实惠，而且能耗低、应用价值高、环保效率显著。

4.2 生物修复技术在降解有机污染物方面的运用

城市水治理中有机物污染是很常见的问题，生物修复技术中的生物强化技术是一种较为新型的技术，即通过在污水中投放外源型微生物制剂如高效菌等来对活性污泥进行污水处理，以达到去污净化的效果。生物强化技术的操作较为简单，主要是在污水中投入微生物制剂，如硝化细菌、光合细菌（PSB）、日本EM等。通过相关的生物强化技术实验对比，如将高效菌放入活性污泥处理系统中，处理焦化废水中的挥发酚效果最佳的状态是：持续进水需水力停留为15j、高效菌剂投放量比例为0.3%，控制活性污泥的SV30为30%。达到如此条件下的焦化废水挥发酚的处理效果可以达到99.94%，处理后水中挥发酚的含量低于0.5mg/L，完全符合《钢铁工业水污染物排放标准》对一级处理水的要求。同时，经实验证明，在活性污泥处理系统中投入X4菌，比未投入高效菌剂的COD去除处理效果有明显提升。当投入X4菌的比例符合相关条件时，24h可降解97%的油脂。在对丙烯腈和总氰等有机物降解中，利用特效菌种可以使降解率分别达到98.7%和84%。因此，使用生物强化技术进行有机污染物降解，比传统老旧单一的治理技术更具优势，不仅设备投入成本少，而且技术操作简便、安全，所取得的效果显著。此外，在降解有机污染物上还有生物促进技术。生物促进技术是通过在水环境中添入具有污染物降解能力的土著微生物，以此构建一个具有更完整、更高效的自然降解功能的生态环境，一般通过在污染水源当中投放解毒剂或者具有促使污染物降解的营养物质，如常量元素、酶、有机酸、维生素等，以此促进土著微生物的繁殖和增长速度，建立更好的好氧微生物区系，提高污染环境中微生物的竞争性抑制水平，促进水环境中污染物质的降解。

4.3 在去除重金属污染中应用生物修复技术

重金属污染是当前水环境污染问题中严重问题之一，污水中所含的汞、镉、铝等重金属严重超标会对引发人类很难治愈甚至死亡的疾病，危害极大，因此采用化学、物理等多种方法进行重金属废水处理成为当前水环境治理的主要方式。生物修复技术在去除重金属污染中具有显著优势，通过利用微生物、植物、动物等生命体的生命活动代谢、吸附、降解、改变其形态等方法来对重金属废水进行处理，成本投入较少、处理效率高，且不会产生二次污染，有利于生态环境保护。利用生物修复技术去除重金属污染，主要利用微生物修复技术和植物修复技术。

微生物修复技术和降解有机污染物的原理基本一致，通过在活性污泥中投放外源型微生物、高效菌种等方式来对重金属进行吸附。首先要对活性污泥进行分离、纯化和筛选，对于筛选获取的霉菌进行实验对比，如藤黄微球菌、产碱假单胞菌对Cu2+、Pb2+等具有高强度的吸附性。因此在进行微生物修复时，可以有针对性地根据废水中重金属含量的比例选择相对应的优势菌种，以此提高微生物对金属离子的吸附效率。

植物修复技术去除重金属污染主要是利用植物根系对水体内部重金属污染物进行吸收、吸附、固定、挥发、去除，从而降低重金属污染物在水环境中的含量，达到修复水体、治理水环境的目的。水中植物对重金属如锌、铅、镉、铜等具有良好的去除效果，如水鳖科植物、龙须菜等。此外，通过水生动物进行重金属去除也效果显著。水生动物中的甲壳类动物如螺、贝类如牡蛎以及环节动物等对重金属具有高强度的富集作用，可以去除水中将近80%的重金属元素。因此通过综合利用动植物修复技术可以取得更为经济实惠的治理效果。

5 在城市水环境治理中应用生物修复技术中的注意要点

5.1 充分做好水环境调查工作

为了有针对性地选择合理的生物修复技术，提高技术应用和水环境治理效率，应对需要治理的水域进行深入、全面的调查。应针对河、湖等水体以及底泥中的各种生物学、理化指标如TP、NH3-N、TOC、水体pH、BOD5、底栖动物、高等动植物群落、浮游生物群落及底泥TOC、pH、NH3-N等进行全面调查。此外，对河湖的地理特征、水文特征分布情况、河岸植被和生物带分布情况、污染物排放量、排放规律、排污口分布情况、污染物种类数量等都需要进行详细调查，并制定全面、真实的调查报告。然后根据调研报告开展相应的模拟试验，在此基础上选择最佳的水环境生物修复技术，并最终形成实施方案。

5.2 做好底泥生物修复工作，启动河湖生态系统功能

河湖的底泥需要提高其“无机化”功能，通过实施底泥生物氧化，使底泥的有机碳含量降低，提高底泥氧化还原电位，消减泥层的厚度，加强底泥分解上覆水体有机污染物方面的能力，使底泥营养盐释放的能力得以提升，进而使底泥的生物修复能力得以恢复。同时，要加强底泥或水环境当中土著微生物活性的激活力度。相关部门应加强水环境中底泥土著微生物的激活工作，通过有针对性的筛选、试验，使底泥中的土著微生物得以大量繁殖，构建具有良好竞争性的好氧微生物区系，提高有机污染物的降解效率，使水体生物得以有效修复。通过水体生物的有效修复，使水体溶解氧增加，再联合曝气复氧等措施，可以高效消除水体黑臭问题，从而构建高效完整循环的河湖生态系统。