王 玨 孫 康 趙平歌 劉金濤

（1．中交第三公路工程局有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；2．西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引言

近幾十年來，隨著社會(huì)的發(fā)展、水資源的過度使用和污染狀況的惡化，我國大多數(shù)小湖泊和河流已經(jīng)開始或已經(jīng)成為富營養(yǎng)化的水體。目前，富營養(yǎng)化湖泊的管理方法主要包括化學(xué)重建、生物修復(fù)和物理修復(fù)3類。其中最適宜進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的生物修復(fù)，盡管其操作時(shí)間有一定的限制，但是能夠恢復(fù)湖泊水體的生態(tài)系統(tǒng)，使其能夠迅速和直接地從湖泊中清除受污染的部分，并增加水的體積，適用于底泥富營養(yǎng)化的水域。原始的底泥清理法的廣泛使用隨著一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，其主要不利影響是水中富營養(yǎng)化底泥的凈化可能導(dǎo)致底泥產(chǎn)生重懸浮液，破壞了湖泊底泥的微生態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)果是在短期內(nèi)大量釋放高熱量和營養(yǎng)鹽，這些污染物在短時(shí)間內(nèi)難以通過湖泊自凈能力進(jìn)行消除，導(dǎo)致底泥凈化后湖泊仍為富營養(yǎng)化水體[1]。

氮磷的過量排放往往是造成水體富營養(yǎng)化及藍(lán)藻類水生植物大量繁殖的主要原因。近年來的研究表明，過度釋放氮，而不是磷，往往導(dǎo)致藍(lán)藻類在水體中迅速繁殖，特別是在秋季和冬季，在低溫條件下，氮過剩繼續(xù)刺激藍(lán)藻類的繁殖，造成冬季藍(lán)色藻類異常爆發(fā)。因此，不完全凈化后水質(zhì)急劇變化對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響已經(jīng)產(chǎn)生了不可避免的副作用。如南京玄武巖湖、無錫太湖，在清除底泥幾年之后，藍(lán)色藻類的爆發(fā)完全抵消了清除的積極影響。目前，國內(nèi)外眾多研究者對(duì)底泥清淤后釋放營養(yǎng)鹽、清淤對(duì)底棲生物的影響、改進(jìn)底泥清淤產(chǎn)生的副作用以及生態(tài)性的湖泊水體原位修復(fù)方法等問題開展了大量研究，以期加快重塑湖泊水體的正常生態(tài)環(huán)境。

1 湖泊水體原位修復(fù)的不同層次

湖泊水體原位修復(fù)的不同層次主要包括美觀、規(guī)劃和生態(tài)3個(gè)方面。通過多種微生物的功能結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)氮、氨和有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，加快重塑區(qū)域生態(tài)環(huán)境。為了研究通過復(fù)合微生物實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)湖泊水體的3個(gè)層次，同時(shí)為后期的可持續(xù)水管理技術(shù)奠定基礎(chǔ)，人們對(duì)微生物的捕獲和控制氮的作用進(jìn)行研究，通過各種微生物的結(jié)合，分析其對(duì)水體氮的影響和有效去除氮的效果[2]。

1.1 美觀層面

湖泊水體修復(fù)通常首先解決美觀層面的問題，包括綠化工程和景觀建設(shè)，即為了全面重建湖泊水體及其河岸，將其建設(shè)成為一個(gè)公園或濕地，通過景觀設(shè)計(jì)，創(chuàng)造一個(gè)美麗舒適的沿水環(huán)境，吸引人們參觀，有效地增加水的景觀和休閑功能，并通過景觀綠化防止部分水污染[3]。城市水資源的恢復(fù)也是提高城市水資源經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一個(gè)重要步驟，與水資源周圍景觀的改善有關(guān)的不僅僅是水的質(zhì)量和水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，也是水資源綜合管理的第一步。

1.2 規(guī)劃層面

湖泊水體修復(fù)規(guī)劃層面涉及截污整治及清淤工程；需要對(duì)水體的內(nèi)部污染和外部污染進(jìn)行控制，并利用復(fù)合微生物凈化湖泊水體。水體外部污染源分為點(diǎn)源污染和面源污染，點(diǎn)源的污染可以通過攔截和管理進(jìn)行控制，而面源污染必須對(duì)水體沿線進(jìn)行全面清除。無論是攔截還是全面清除水體沿線的污染源都具有相當(dāng)大的工程規(guī)模，可以通過研究特定用途凈化功能的復(fù)合微生物進(jìn)行輔助處理。合理的規(guī)劃和處理對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)至關(guān)重要。

1.3 生態(tài)層面

主體自凈是其在生態(tài)層面上的重要功能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)生態(tài)重建意義重大。水體如果處于完全截污的情況，則可以依托于生態(tài)恢復(fù)功能而實(shí)現(xiàn)自凈的目標(biāo)。然而，水體自凈過程過于漫長，如果水體污染超出了一定范圍，耗時(shí)會(huì)大大增加。為了在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的功能，必須采取人為的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)措施，包括微生物、水生動(dòng)物、水植物等技術(shù)，縮短水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)周期，以水體自凈為基礎(chǔ)，加速回到生態(tài)多樣性的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的正?；?，即達(dá)到湖泊水體原位修復(fù)的核心目標(biāo)。

2 水體污染生物修復(fù)的目標(biāo)和方法

2.1 水體污染生物修復(fù)的目標(biāo)

原位修復(fù)湖泊的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水體的多方面修復(fù)水平，即減少污染、修整水岸、生態(tài)恢復(fù)，加速湖泊水體的各項(xiàng)功能恢復(fù)到正常狀態(tài)。事實(shí)表明，如果要恢復(fù)水體的功能，需要首先實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)多樣性的恢復(fù)，唯有如此才可以確保生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

2.2 水體污染修復(fù)的方法

目前，水資源修復(fù)主要通過以下幾種方法實(shí)現(xiàn)。

底泥清淤在土壤污染清除方面發(fā)生了重要作用，但是可能會(huì)對(duì)生態(tài)平衡造成負(fù)面影響。為了實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)湖泊水體這一目標(biāo)，還需要結(jié)合復(fù)合微生物等其他控制水體污染、促進(jìn)水環(huán)境恢復(fù)的必要方法。

引水排水能夠有效改善水質(zhì)、強(qiáng)化水動(dòng)力及水環(huán)境豐富性，但耗費(fèi)較大且只能輔助湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。

水生植物可產(chǎn)生優(yōu)美的景觀效果，保持水的生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性，而它們對(duì)水污染環(huán)境的污水處理能力薄弱，而且往往無法適應(yīng)環(huán)境，因此，水生動(dòng)植物恢復(fù)更多地涉及水資源修復(fù)后期和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

微生物在環(huán)境恢復(fù)中起著重要作用，微生物在物質(zhì)代謝和污染物分解、水生生物建設(shè)中占有中心地位，可適應(yīng)不同污染情況的不同層次的不同作用，在恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要的作用。而復(fù)合微生物則能夠通過不同微生物間的組合，調(diào)配綜合功能，從而在控制污水排放、降低水體氮磷、重建水生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要的作用，因此，微生物的恢復(fù)一直是研究原位修復(fù)湖泊水體的熱點(diǎn)。

生物修復(fù)技術(shù)涉及許多修復(fù)過程，其中，核心技術(shù)包括水環(huán)境修復(fù)技術(shù)、水體生物凈化技術(shù)和底泥修復(fù)技術(shù)。水環(huán)境修復(fù)技術(shù)又包括人工濕地技術(shù)、生物慮床技術(shù)、污染生物反應(yīng)器3項(xiàng)。這3項(xiàng)基本技術(shù)針對(duì)的是被污染水體的表層和底層的修復(fù)和治理。生物修復(fù)技術(shù)工序如圖1所示，主要是通過促生配方對(duì)水體底泥生化物進(jìn)行氧化，通過種植、生物濾床、人工濕地等對(duì)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，達(dá)到水體凈化的目標(biāo)。

3 當(dāng)前復(fù)合微生物原位修復(fù)湖泊水體的應(yīng)用

3.1 去除難降解有機(jī)物

圖1 生物修復(fù)技術(shù)工序

湖泊水體中含有大量難處理的有機(jī)物。如果采用傳統(tǒng)的廢水處理工藝，則對(duì)水中難降解污染物的處理效果不明顯[4]。在傳統(tǒng)的生物脫氮過程中，氨化反應(yīng)是指含氮有機(jī)物在氨化功能菌的代謝下，經(jīng)分解轉(zhuǎn)化為NH4+的過程。含氮有機(jī)物在有分子氧和無氧的條件下都能被相應(yīng)的微生物所分解，釋放出氨。硝化反應(yīng)由好氧自養(yǎng)型微生物完成，在有氧狀態(tài)下，利用無機(jī)氮為氮源將化成然后再氧化成的過程。反硝化反應(yīng)是在缺氧狀態(tài)下，反硝化菌將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮（N2）的過程[5],如圖2所示。

圖2 生物脫氮過程示意圖

對(duì)于污染水體，其去除率取決于原廢水的生物降解能力。在處理本身中，廢水中的有機(jī)顆粒和膠體被絮凝并吸附在要清除的微生物表面。在此過程中，不溶性微生物必須被吸附在表面上，以被酶水解和吸收。處理溶解的有機(jī)物后，它會(huì)直接進(jìn)入微生物細(xì)胞，然后再使用。微生物強(qiáng)化技術(shù)在一定程度上促進(jìn)了微生物的有氧代謝。通過微生物的吸附和新陳代謝，可以有效去除黑色和芳香水中的污染物。

3.2 去除水中營養(yǎng)物質(zhì)

氮和磷是湖泊水體中的兩種常見污染物。AO工藝將前段缺氧段和后段好氧段串聯(lián)在一起。在缺氧段異養(yǎng)菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機(jī)物水解為有機(jī)酸，使大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，不溶性的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)物，當(dāng)這些經(jīng)缺氧水解的產(chǎn)物進(jìn)入好氧池進(jìn)行好氧處理時(shí)，可提高污水的可生化性及氧的效率；在缺氧段，異養(yǎng)菌將蛋白質(zhì)、脂肪等污染物進(jìn)行氨化（有機(jī)鏈上的N或氨基酸中的氨基）游離出氨在充足供氧條件下，自養(yǎng)菌的硝化作用將氧化為通過回流控制返回至A池，在缺氧條件下，異養(yǎng)菌的反硝化作用將還原為分子態(tài)氮（N2）完成C、N、O在生態(tài)中的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)污水無害化處理[6]。如圖3所示。

圖3 A/O工藝流程圖

3.3 去除底泥中有機(jī)物

湖泊水體中污泥中的有機(jī)物含量一般較高，當(dāng)有機(jī)物與廢水一起進(jìn)入通道后，一部分有機(jī)物在自然作用下沉積，最終將增加底泥中有機(jī)物的含量。在處理黑臭水時(shí)，底部污泥的處理是非常重要的環(huán)節(jié)。它可以減少底部污泥的有機(jī)物含量，并完全去除底部污泥，從而有效地削弱了底部污泥與水體之間的相互物理作用，避免了水體的反復(fù)污染。在傳統(tǒng)的黑臭水處理中，該處理過程的實(shí)際應(yīng)用效果有限，并且容易使水渾濁并再次受到污染?；诖?，改良的生物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)有效地用于去除底部泥漿中的有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用 CHE-1 菌株處理廢水沉積物可以顯著降低沉積物中有機(jī)污染物的含量。在完全控制的反應(yīng)條件下，底部污泥中有機(jī)污染物的去除率可以達(dá)到51%，處理效果特別明顯。需要說明的是，微生物強(qiáng)化技術(shù)對(duì)底泥的處理有一定的效果，但是該技術(shù)的應(yīng)用尚不完善，還需要優(yōu)化。水體的生化作用是污染物被水體中各種微生物所分解的過程，如水中的好氧微生物會(huì)在氧的作用下，將一些有機(jī)物分解成無機(jī)物，如二氧化碳、水、乙醇和有機(jī)酸等簡單化合物，使水體得到凈化，如圖4所示。

4 復(fù)合微生物原位修復(fù)湖泊水體存在的不足及構(gòu)想

4.1 復(fù)合微生物原位修復(fù)湖泊水體存在的不足

在恢復(fù)水體生態(tài)的實(shí)踐中，許多處理技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，存在治理效果不佳、持續(xù)性不足等問題，在使用微生物技術(shù)方面同樣也有一些限制：1） 在某些實(shí)際情況下，使用微生物技術(shù)的可能性很小，這主要是由于目前開發(fā)環(huán)境專業(yè)菌株的做法還不夠成熟。2） 現(xiàn)有的微生物制劑制造商有不同的生產(chǎn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3） 微生物沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)功能評(píng)估，沒有國家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估，管理當(dāng)局也缺乏環(huán)境恢復(fù)的經(jīng)驗(yàn)。4） 微生物生態(tài)恢復(fù)方面的專業(yè)知識(shí)不足，廢水處理和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方面的差距很大。此外，環(huán)境工程和生物科學(xué)之間的協(xié)同作用沒有得到充分的發(fā)揮，導(dǎo)致在該領(lǐng)域中缺少專業(yè)知識(shí)、質(zhì)量鑒定等；另外，也有一些人對(duì)微生物技術(shù)存在疑慮。

圖4 有機(jī)物降解過程圖

所以，以生態(tài)環(huán)境功能恢復(fù)為導(dǎo)向的微生物技術(shù)研究需要建立規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)體系，同時(shí)加強(qiáng)相關(guān)知識(shí)的普及。微生物技術(shù)不僅在水中的黑氣味消除或水質(zhì)差改善等方面發(fā)揮了作用，而且必須與水生態(tài)循環(huán)深度融合，通過建立完善的符合技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)湖泊水體的原位修復(fù)和綜合管理。

4.2 復(fù)合微生物技術(shù)在污染水體處理中的構(gòu)想

水污染主要是由于人類過度污染下的污水蓄積超出了環(huán)境自凈能力。利用微生物做湖泊水體原位修復(fù)，能夠通過微生物降解污水中的污染物，將其轉(zhuǎn)為H2O、CO2等無害小分子。考慮到微生物活性、存儲(chǔ)性等條件，一般選用惰性條件下的固體復(fù)合菌粉這類生物制劑。在條件適宜的情況下，微生物能夠加速繁殖和有效留存，從而在湖泊水體中發(fā)揮作用，對(duì)污染水體的凈化具有良好的應(yīng)用效果。

復(fù)合微生物技術(shù)還可以通過與污水引流相結(jié)合，將污染水體集中起來，進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)資源回收、低耗治理等利用效果，有利于對(duì)污染水體的綜合治理，控制湖泊水體富營養(yǎng)化問題。例如在城市污水正式排放到湖泊前，可以將復(fù)合微生物菌劑添加到污水排放管，以此環(huán)節(jié)水污染治理廠的壓力，提高治理效率和質(zhì)量，在確保水體質(zhì)量達(dá)標(biāo)之后才能將其排放，發(fā)揮微生物在水體物質(zhì)循環(huán)中的優(yōu)勢(shì)，建立水質(zhì)深度凈化的功能系統(tǒng)。

此外，復(fù)合微生物技術(shù)也可以應(yīng)用在農(nóng)村污水處理中。首先需要?dú)w集農(nóng)村污水，將復(fù)合微生物菌劑添加到農(nóng)村污水歸集處理池，在完成一級(jí)處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用藻類生物完成進(jìn)一步的治理，通過復(fù)合微生物菌劑的堆肥處理而形成有機(jī)肥，以此實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的有機(jī)循環(huán)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，助力于農(nóng)村的發(fā)展。

5 結(jié)語

將微生物原位修復(fù)應(yīng)用于湖泊水體，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)以及生態(tài)美觀需求，具有多重應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)前研發(fā)成果還存在不足之處，一方面應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)科學(xué)成果的研究，另一方面可以從污染水體源頭開始，通過與污水引流相結(jié)合的綜合治理，共創(chuàng)良好的水環(huán)境。