李昂,李娟

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056;2.武汉智汇元环保科技有限公司,湖北 武汉 430056)

根据2022年武汉市环境质量状况公报显示,武汉市166个湖泊中,4个湖泊达到I类水质,4个湖泊达到II类水质,58个湖泊达到IV类水质,52个湖泊达到V类水质,48个湖泊劣于V类水质。按综合营养状态指数评价,8个湖泊为中营养状态,91个湖泊为轻度富营养状态,56个湖泊为中度富营养状态,11个湖泊为重度富营养状态。63个有功能类别的湖泊中,达到水质功能类别标准的有21个,占33.3%,与2021年相比减少8.0个百分点。湖泊水质总体保持稳定,但与“武汉市重点湖泊水质达标工作方案”目标还有差距,因此着重改善不达标湖泊水体环境质量是水污染防治工作的首要工作内容。

本研究以武汉市经开区16个小微水体为研究对象,小微水体具有流动性差,水环境容量小,水体自净能力差,自然充氧能力不强等特点;在雨洪污染和悬浮物沉积等多重作用下,湖水中污染物浓度超过了环境容量和自净能力,其富集的速度大于其消除的速度,造成有机物浓度高。湖泊水体水中污染物总量较低,但污染物种类繁多、性质复杂,湖泊水体水质要提升至地表水IV类标准,现有单一技术很难实现,因此需要采用生物-生态耦合的方式对湖泊水质进行提升,本次研究为今后湖泊水体的水质提升提供一个新思路,对推动利用该技术大规模化处理湖泊水体具有重要的科学意义与应用价值。

1 国内外研究现状

湖泊水体多为封闭静止或缓流水体,尽管湖泊水体中污染物总量较低,但污染物种类繁多、性质复杂,常规水处理工艺难以有效净化湖泊水体。因此,国内外对于湖泊水体处理技术的研究有着高度关注。

化学氧化法主要是在原水中投加强氧化剂,其原理是氧化剂通过失去电子对对目标物进行氧化的方法,氧化分解去除原水中的还原性有机物、藻类及嗅味物质等。李想[1]等人在混凝处理单元前采用了高锰酸钾复合药剂预处理,研究结果表明,预处理能够很好的强化混凝处理工艺,能够显著提高混凝过程对浊度、有机物等污染指标的去除效率,当高锰酸钾的用量为0.25 mg/L时,还能使混凝阶段混凝剂的投加量减少。陈诗雯[2]等人在原有常规工艺前采用二氧化氯预氧化工艺研究微污染黄河水,结果表明,两个工艺相结合不仅使得除藻能力大大增加,还降低了出水色度,以及嗅味等感官性指标浓度。

生物氧化法是指在常规净水工艺前增设生物预处理工艺,利用微生物群体的新陈代谢活动对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行生物降解,提高原水的可生化性,减轻常规处理和后续深度处理的负荷。钱东[3]等人发现,采用悬浮填料生物接触氧化池,运行成本较低,氨氮去除率一般在70%左右,夏季达80%以上,冬季在30%左右。付斌[4]等人以齿轮型生物载体作为悬浮填料,悬浮填料表面附着一层以菌胶团为主的黄褐色的生物膜,预处理对氨氮去除率能达到80%以上,出水氨氮、亚硝氮满足生活饮用水卫生标准。

吸附法是利用多孔性的固体吸附剂,如沸石、活性炭、硅藻土等,将水样中的一种或数种污染物质吸附于表面,以达到去除水中有机污染物、色度及其嗅味等物质的目的。富添[5]等人研究了沸石的静态吸附能力以及预处理工艺对氨氮的去除效果,结果表明,沸石对氨氮具有很强的吸附能力,工艺对氨氮的去除率高达80%以上。左思敏[6]等人在实际生产应用中发现,预处理采用高锰酸钾和粉末活性炭联用方式处理低温低浊微污染长江水是有效的,不仅能够改善出水水质,同时还可以降低混凝剂和氯气用量。

综上,当前国内外关于处理湖泊水体的研究多集中在单一技术上,如物化方法、生物法或者生态技术法,即使有物化与生物法组合工艺对湖泊水体的净化研究,也极少关注组合工艺的作用机理。

2 治理技术研究及其优势

基于生物-生态耦合的湖泊水环境修复集成技术,采用微生物复合菌种+沉水植物群落构建+镧改性的凹凸棒土底质改良剂相互耦合、相互作用,有效净化湖泊水质,维持湖泊水质长效达标。

2.1 微生物复合菌种

在治理湖泊水体的过程中,针对所治理水体的实际情况,使用不同种类、不同配比的复合微生物,通过模拟实验研究复合微生物菌种对污染水体的修复效果,以获得最佳的湖泊水体投菌方式;同时分析微生物在水体治理过程中的作用,为以后更加高效治理湖泊水体奠定基础。

功能菌株筛选,筛菌试验中所需要用到的一切设备、玻璃器皿等物品再使用前均需经过灭菌操作。首先在无菌条件下制作分离纯化用平板:将用于分离纯化的琼脂培养基在高压灭菌锅(121 ℃,0.1 MPa)中灭菌30 min。取出后放置在无菌台内,使用紫外线照射20 min,期间保持通风,待培养基冷却至50 ℃左右,按无菌操作法倒若干平板(每个培养皿内倒大概15 mL左右),平置,等待彻底凝固后使用。再经富集、初筛、复筛和鉴定环节,得到纯化菌株,图1为功能菌株筛选流程图。

图1 功能菌株筛选流程图

本技术所筛选出来的功能菌株Y1,目前已上传中国典型培养物保藏中心,本功能菌株不论在温度较低的冬季还是温度较高的夏季,均可将水体中的氨氮完全去除,有效提高水体水质,图2为功能菌株XRD成像。

图2 功能菌株XRD成像

通过图3实验数据可以看出氨氮在实验末尾得以完全去除,且无亚硝氮残留,证明Y1菌具有良好的脱氮效果。

图3 功能菌株脱氮效果

2.2 沉水植物群落构建

根据生物操纵理论,比较筛选不同类群的沉水植物,辅以微生物调控手段进行湖泊水体水生态修复研究。不同沉水植物对水体中TN、TP、NH3-N和COD都有不同的去除效果,例如苦草等对磷的净化效率可达90%。本研究筛选适宜的沉水植物进行分析,以沉水植物净化技术为先导,研究不同结构水生动植物种群对水体目标污染物的去除效果。

本次研究以苦草为对照组,比选金鱼藻、伊乐藻、狐尾藻、黑藻对TP和TN的去除率,通过实验结果得出,随着时间的推移,TN 的去除率逐渐提高,苦草试验组(对照组)的 TN 去除效果最好。各种沉水植物对水中总氮的去除率为:金鱼藻(23.7%)、伊乐藻(21%)、狐尾藻(17.8%)、黑藻(17.6%)、苦草(25.1%)。对 TP的去除率为:苦草(70%)、伊乐藻(67%)、金鱼藻(61.5%)、黑藻(28.8%)、狐尾藻(18.3%)。对氨氮的去除效果为:苦草(35%)、黑藻(24%)、金鱼藻(21%)、狐尾藻(18%)、伊乐藻(26%)。

通过图4～5实验研究发现苦草对水质的净化效果明显优于其他沉水植物,实验结果表明在1 500 g/m3的最优苦草种植密度下,水体中TP、TN的去除率均达到90%以上。

图5 不同密度苦草总磷去除率

2.3 镧改性的凹凸棒土底质改良剂

当污染物浓度高出底泥本底值2～3倍时可考虑进行清淤,在边界条件以下时可采用原位覆盖技术修复底泥。选择不同覆盖材料对水体底泥进行原位覆盖,如:河沙、红壤、硅藻土等。研究覆盖技术控制底泥污染物释放的效果和机理,研究其对泥-水界面氧化还原环境的改善作用。

凹凸棒土由于产量大、成本低,作为一种吸附材料具备良好的优势,应用前景广阔。镧(La)作为一种稀土元素,在地壳中含量相对丰富,并且环境友好,价格相对便宜,对磷酸盐有着极强的亲和力,常被用于除磷材料的制备。本研究通过模拟湖泊水环境,探究在不同环境条件下沉积物磷的释放特征,在以凹凸棒土为原材料的基础上,依次进行热改性以及镧改性处理,通过比较不同改性材料对磷的去除效果,筛选出最佳改性凹凸棒土作为抑制湖泊沉积物磷释放的固磷材料,图6为镧改性的凹凸棒土扫描电镜成像。

图6 镧改性的凹凸棒土扫描电镜成像

本次研究使用液相沉淀和高温煅烧法制备了镧改性的凹凸棒土,相比较市面上常用的膨润土而言,比表面积提升了近3倍,大大增加了其对污染物的吸附容量。

图7说明固磷材料镧改性的凹凸棒土能对水体起到良好的修复效果。其原因是一方面镧改性的凹凸棒土能有效吸附沉积物中磷的释放,有较好的控磷效果,另一方面镧改性的凹凸棒土也能吸附上覆水体中的磷酸盐,使水体中的磷得以去除。

图7 不同上覆水中TP浓度的变化

3 结论

(1)针对水体脱氮,自主筛选得到异养硝化好氧反硝化菌Y1,通过提取土著菌种发方式,有效解决了外来微生物入侵等问题,通过实验可以看出在其对水体重的氮具有良好的脱除能力。

(2)针对沉水植物群落构建,选取苦草作为优势沉水植物,在达到良好的脱氮除磷效果的同时,构建了良好的水生生态环境,使之具有一定的稳定性、和谐性与美观性。

(3)针对底泥中磷含量偏高,且易释放至上覆水体中的特点,研发固磷材料镧改性的凹凸棒土,可以有效固定底泥中的磷元素、削弱上覆水体中的磷浓度。

(4)通过以上三种措施的共同耦合作用,可以有效提高湖泊水质净化能力,维持湖泊水体长治久清。