污染水体原位生物修复技术研究及发展

2020-05-08于忠臣孙伟楠李晨曦倪龙琦

工业用水与废水 2020年2期

于忠臣，孙伟楠，李晨曦，倪龙琦

（东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318）

水体是生态系统的重要组成部分，具有水土保持、水体循环、改善气候等多种功能［1］。随着经济飞速发展，工业化、城镇化的快速推进，大量的生活污水与工业废水排入水体，污染水质，使得各种污染物浓度超标，甚至出现水体黑臭现象［2-4］。水体污染不仅损害人们的居住环境、影响城市形象，还会使得供水制水成本提高，水生态系统失衡［5-6］。

对于污染水体修复而言，除了需要关注水体水质修复之外，作为内污染源的水体底泥的再悬浮会源源不断地向水体释放污染物质，故需要在修复水体水质的同时对水体底泥进行同步修复［7-8］。污染水体修复技术可分为物理、化学、生物修复技术，其中原位生物修复技术以其简易方便、投资少、无二次污染、生态环保的特性成为目前的研究热点［9］。

在以往的研究基础上，本文从水体水质与水体底泥两方面出发，简述了污染水体原位生物修复技术的研究现状，并就今后污染水体生物治理技术发展方向提出建议，旨在为未来城市污染水体的治理提供参考及依据。

1 污染水体水质原位生物修复技术

1.1 微生物强化及促生技术

为强化微生物降解过程，向污染水体或底泥直接加入人为强化的微生物或加入化学药剂改善微生物生存条件，达到启动或强化微生物对水体或底泥中污染物分解、转化及吸收的作用，其中前者称为微生物强化技术，后者称为微生物促生技术［10］。微生物强化技术主要是通过人工技术筛选或驯化各类特殊菌种，目前已经有很多应用案例；微生物促生技术主要是向污染水体或底泥中加入多种化学药剂（酶制剂、共代谢底物、微生物营养剂、微生物促生剂等）为微生物生长提供良好的生长环境。

常素云等［11］利用啤酒厂废水培育出的酵母细菌处理天津外环河水体， COD 的去除率达到33%，证明了啤酒厂废水培养微生物制剂处理受污染水体的可行性。尹莉等［12］证明了“固定化生物工程菌＋液态菌”的组合工艺可以提高坑塘黑臭水体污染物的去除效果，完成污染物的快速降解，减少投资及运行费用。

微生物强化及促生技术具有施工简便、见效快、兼容范围广的优点。然而，该技术需要对治理区域进行周密调查，前期需花费较长时间［13］。与此同时，该技术有可能引起生物安全性问题［14］。

1.2 生态浮岛技术

生态浮岛源于20 世纪六七十年代的德国和日本等国家提供给鱼类产卵的场所，在使用过程中，发现对水质的保护和藻类的抑制有一定的作用，就被人们逐步推行开来［15］，生态浮岛技术通过在水面漂浮装置上种植水生植物吸收氮、磷等元素，利用植物根系吸附水中悬浮物，富集水中的重金属和有机污染物，此外植物根系还可作为生物膜载体承载微生物［16］。

Chang 等［17］利用太阳能人工浮岛净化水质，结果表明，水体溶解氧明显增强，生态环境显著改善。 Lu 等［18］利用绿色能源人工浮岛对校园污染水体进行修复，结果表明，水体各项指标明显下降，溶解氧浓度及氧化还原电位显著提高。

生态浮岛具有易于制作和搬运，使用时间长，无需占用土地，植物易于栽培，大量减少设施运行和维修管理费用，便于日常维护和管理，治污效果好等优点。然而，生态浮岛对水体位置要求较高，往往设置在水流平缓，流动性差的河道之上［19］。另一方面，为提高人工浮岛对能源的利用率，越来越多的学者开始研究绿色能源生态浮岛（GAFI）与太阳能生态浮岛（SAFI）等［20］。

1.3 人工曝气技术

人工曝气技术是基于河流受到污染后缺氧的情况，利用人工措施或者自然跌水对水体进行充氧的技术方法［21］。一般来说，人工曝气技术对于污染水体有3 种作用：提高溶解氧含量、改善水体环境、增加水体扰动［22］。

Grochowska 等［23］报道了人工曝气技术对波兰Olsztyn 的Dlugie 湖的修复效果，经过人工曝气之后， Dlugie 湖水体中的有机物质明显减少，水体营养状态改善。张绍君等［24］的研究表明了纯氧曝气可有效控制河流黑臭现象，可有效控制溶解氧、色度、臭阈值和COD，氧利用率可达到90%。

相比于其他修复技术，人工曝气技术具有投资少、见效快、生态自然、无二次污染的优点，已被众多国家应用于实际工程修复中。然而，在曝气过程中，会产生大量的能耗，因此通过不断改进曝气设备与方式方法，引入绿色清洁能源，尽可能改善曝气效率，是此领域的研究热点［25］。

2 污染水体底泥原位生物修复技术

2.1 底泥微生物修复技术

与水质微生物修复技术相似，底泥微生物修复技术是指通过微生物的自然净化能力，或强化微生物的特定作用将底泥中的污染物浓度降到规定范围内［26］。底泥微生物修复技术通常有固定化微生物技术、基因工程菌培养、微生物燃料电池等形式。

杨玥等［27］利用微生物燃料电池对底泥进行修复，运行650 h 后，外接电阻为1 500 Ω 时有机质去除率达到7.834%；外接电阻为100 Ω 时总磷去除率达到29.98%，铵态氮去除率达到41.64%；外接电阻为1 000 Ω 时硝态氮去除率为71.52%。唐海芳等［28］采用固定化微生物技术修复湖塘底泥，结果表明，经过一个月的修复，在最佳工艺条件下，水质由劣Ⅴ类变成Ⅲ类，底泥总有机质去除率达到33.47%。

相比于其他技术，底泥原位微生物修复技术具有价格低廉、对环境影响较小等优点。然而，新加入的微生物会受到原生微生物以及底泥环境的影响，难以达到预期效果，即使是合适的菌剂或促生剂也需要较长的时间令微生物生长繁殖。

2.2 底泥植物修复技术

植物修复技术是一种广泛应用于环境污染领域的治理方法，利用植物或植物根系区微生物的吸收、代谢以降低或消除污染物毒性［29］，一般包括植物稳定、植物挥发、植物吸收3 种机理［30］。

高岩等［31］研究结果表明，凤眼莲可以快速消除上覆水体中的磷与底泥中的磷，种植凤眼莲的水体中底泥的总磷含量明显降低。沈应时等［32］研究表明，沉水植物在富营养化水体中生长良好，生物量明显增加， 5 种沉水植物沉床系统对富营养化水体中的总磷、总氮和氨氮去除率较高，均值分别为70.16%、 79.60%、 79.82%。

植物修复污染水体具有成本低、能耗小、治理效果好、对环境扰动小、有利于恢复河道生态景观的特点，能够从根本上提高河流生态功能，恢复其完整性［33］。然而，由于某些水生植物繁殖速度过快，当打捞速度跟不上其生长速度时，会覆盖大面积水体，其腐烂物会对水体造成二次污染，因此水上植物净化技术在净化水体时应该被谨慎使用［34］。

2.3 底泥动物修复技术

底泥动物修复技术是指基于生物操纵原理，通过高营养级生物摄食低营养级生物或有机碎屑，间接降低水体中氮、磷等营养盐的含量，最终影响水体环境［35］。

孟顺龙等［36］研究发现，放养螺蛳可有效改善养殖塘中底泥环境，螺蛳放养量越大，底泥的净化效果越好。冯建祥等［37］研究表明，海蜇的上下浮动行为可促进池塘上下层水体交换，同时其生物沉降作用可提高大型底栖动物群落的生物多样性。

动物修复技术具有其他修复技术不可比拟的优势：成本较低，对生态系统的影响较小，可最大限度地降低污染物浓度，基本不产生副作用和二次污染，可应用于其他技术难以使用的场合［38］。然而，目前对水生动物修复技术的大部分研究仍然还处于实验阶段，实际应用范围有限。与此同时，与生物修复技术紧密相关的放养技术、物种组合技术、资源回收技术仍需要进行系统研究；另一方面，水生动物在污染物降解转化中的具体机理作用仍需要进一步研究［39］。

3 污染水体生物处理技术的新发展

3.1 多方法组合修复技术

受现有技术所限制，一方面单独的污染水体修复技术所达到的修复效果有限，另一方面只能针对水体水质或底泥进行单一的修复，为尽可能提高修复效果，达到水体与底泥同时处理的目的，已有学者结合多种方法对此进行了尝试，并且取得了一定效果［40-42］。

然而，运用多种修复方法对水体与底泥进行同时修复，难以避免地会造成资源的浪费，因此，在未来的污染水体修复相关研究中，将水体水质修复与底泥修复有机地结合起来进行修复至关重要，寻求一种尽可能高效的方法，对污染水体水质与底泥进行同步修复正在成为新的研究热点。

3.2 水力驱动原位生物修复技术

为节省能源消耗，提出通过水力驱动同步搅拌的方法在曝气条件下对污染水体及底泥进行同步修复，技术原理如图1 所示。

图1 水力原位生物修复技术示意Fig. 1 Hydraulic in situ bioremediation technology

水力驱动受控循环原位生物修复技术利用气提原理，构造了空间上叠层的两级内循环串联，通过曝气作用实现水力受控循环及级间的水力联系。同时，在内循环水流驱动双动力轮系的作用下，搅动装置使底泥充分搅动并悬浮起来，在内循环水流的夹带下参与内循环，交替流经厌氧、缺氧和好氧环境，实现空间上叠层A／O 和A2／O 梯度串联作用，有效强化底泥中本源微生物的生物降解作用，达到底泥和水体中本底有机物及氮素的原位同步降解的目的，实现污染水体的原位生物修复。水力驱动受控循环原位生物修复技术充分利用了水力叶轮及曝气作用，减少了能源消耗，丰富和发展了污染水体原位修复方法，为污染水体原位同步修复提供了新的发展思路。