李奎鵬LI Kui-peng

（煙臺市水利勘測設計研究院有限公司，煙臺 264001；江蘇東南生物科技有限公司，丹陽 212300）

0 引言

近年來，隨著城市對環(huán)境資源開發(fā)利用程度的增加，大量富含氮、磷等營養(yǎng)物質的污染物不斷排入城市內的河流，造成河流富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴重，部分河段甚至發(fā)黑發(fā)臭，嚴重影響了周邊居民的生活健康，黑臭河道治理工作迫在眉睫。消除河道黑臭現(xiàn)象，除采取雨污分流、控源截污外，河道底泥污染治理同樣是一個不容忽視的環(huán)節(jié)，在河道整治中，如果僅通過控制外源污染而忽視底泥內源污染時，河道水質很難達到改善效果。

1 河道底泥治理技術

河道底泥污染治理技術主要分為物理方法、化學方法和生物方法三種[1]。

1.1 物理治理技術

底泥物理治理方法的典型代表是清淤疏浚技術，通過清淤船、挖掘機等，將沉積于河道底部的底泥完全挖除。河道底泥挖除后，通常要回填黏土壓實或回填礫石、卵石等。河道清淤疏浚既增加了行洪斷面，又將底泥中的污染物同時轉移帶走，該方法技術成熟、見效快[2]。

清淤疏浚技術的主要缺點有三項：一是工程投資大、成本較高，需要耗費大量的財力物力，動用大量機械與人力，河道治理費用高昂；二是清淤疏浚大多需要圍堰抽水，使得部分河段干枯，河道景觀及生態(tài)遭到嚴重破壞，短期內無法恢復[3]；三是清淤后的底泥成為新的污染物，底泥內含有大量的氮、磷及重金屬等污染物，極易造成二次污染。

1.2 化學治理技術

底泥的化學治理技術主要是通過投加化學藥劑與底泥污染物發(fā)生化學反應，將底泥內污染物降解成無毒物質，從而達到污染治理目的。這類化學藥劑主要有鐵鹽（三氯化鐵）、鋁鹽及氫氧化鈣等?；瘜W治理技術具有投資小、操作簡單等優(yōu)點。

投加化學藥劑可能對河道生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重損壞，在降解污染物的同時，可能會毒殺水生動物、水生植物及微生物等，其潛在威脅還需進一步研究，目前僅能作為應急輔助手段。

1.3 生物治理技術

隨著生物技術和生物科學的不斷發(fā)展，生物修復的優(yōu)勢逐漸被人們所認知，生物治理技術主要是利用各類微生物的新陳代謝作用，將河道內的氮、磷、有機物等降解代謝。微生物修復技術可實現(xiàn)原位修復[4]，結合了物理治理和化學治理的優(yōu)點，不產生二次污染，成本較低，適用范圍廣，具有廣闊的應用發(fā)展前景。通過向水體投加具有特殊功能的優(yōu)勢菌種或采用基因重組技術產生的高效菌種，使其與自然菌群協(xié)同作用，可重新構建微生物菌群，提高微生物活性，修復受損的水生態(tài)系統(tǒng)，提高水體自凈能力[5]。

2 微生物小球及菌液聯(lián)用效果分析

2.1 微生物菌液制備

目前常見的河道治理用微生物菌液大多是在實驗室內培育特定菌種，該方式培育成本低，優(yōu)勢菌種繁殖迅速，但是一旦應用于實際河道后，往往難以適應復雜的自然河道條件，菌種易喪失活性，逐漸被其他菌種取代。為專門制備用于河道治理的高效復合微生物活菌液，特以多條河道的河水、底泥作為初始菌種源，通過高通量測序實驗對河水、底泥中的微生物進行了菌種鑒定，鑒定發(fā)現(xiàn)底泥內的微生物種類豐富、數(shù)量龐大，通過分析每種微生物的相對豐度，發(fā)現(xiàn)其中富含種類豐富的硝化、反硝化菌及除磷菌等，明確了從河水與底泥的土著微生物中篩選培養(yǎng)脫氮除磷菌的可行性。從河水與底泥中篩選出脫氮除磷菌種后進行擴大培養(yǎng)，采用高通量測序分析測定了擴增培養(yǎng)后菌液中的菌群結構及比例，并與初始菌群進行對比，發(fā)現(xiàn)擴增培養(yǎng)后的復合微生物菌液中菌群結構發(fā)生了顯著變化，脫氮除磷菌群已經成為優(yōu)勢菌種。

本工程在培育微生物過程中，采用價格昂貴的高通量測序分析貫穿全過程，確保復合微生物菌液的質量，實現(xiàn)復合微生物活菌液的工業(yè)化生產后，可直接將微生物菌液噴灑到水體中，經多次試驗，發(fā)現(xiàn)該菌液能迅速適應自然條件，菌液活性強，去除污染物效果好。

2.2 微生物菌液投加試驗

通過實驗室和現(xiàn)場實驗，明確了復合微生物活菌液對河流水質改善的作用，確定了不同水體下的最佳噴灑量與噴灑頻率。

在實驗室內，通過向5 個河道模擬裝置內噴灑復合微生物制劑，研究微生物制劑對水體和底泥污染物削減效果，以確定微生物菌液投加濃度和投加頻率。經過為期半年的對比實驗和連續(xù)監(jiān)測，試驗結果表明：

①好氧條件下，微生物菌劑投加后，能顯著提高水中高錳酸鹽指數(shù)去除率的適宜投加量（V菌液/V河水）為5/10000～1/1000。

②微生物菌劑在好氧條件下能顯著提高水中氨氮的硝化程度，當菌液加入量為5/1000 時效果最好；厭氧條件下，當加入量為1/10000～1/1000 時，能極顯著增強污水的反硝化作用，硝酸鹽氮的去除率約提高14%。

③微生物菌劑加入量大于5/1000 時，才能顯著提高污水的除磷能力。由實驗可知：菌劑中的微生物可有效地降解污水的有機物質，降低氮、磷的含量，增加水體的透明度，改善底泥顏色并且有效去除異味。

2.3 微生物小球投加分析

試驗結果表明，直接向水體投加復合微生物菌液雖然可以有效降低水體污染物，凈化水質，但微生物菌液投加量較大，當水流速度較快時，菌液易流失，持續(xù)時間較短。為解決該技術的不足，試驗將固定化技術引入到水體生物治理技術中。通過分析研究，尋找了耐用價廉的微生物固定化載體，確定了適宜的包埋劑、膠凝劑等添加劑，將微生物細胞固定于水不溶性凝膠聚合物內，其發(fā)達的孔隙網格能夠防止細胞外協(xié)，也能阻止產物外散[6]。包埋法操作簡單，載體、包埋劑及膠凝劑等價格低廉，已于實現(xiàn)工業(yè)化生產。生產的固定化微生物小球的密度為1.1～1.2g/mL，直徑控制在3～5mm，微生物菌落總數(shù)＞9.0×105cfu/g。

在實驗室內，通過向河道模擬裝置內投加微生物小球，研究微生物小球對水體和底泥污染物削減效果，與僅投加微生物菌液的效果進行對比分析。實驗結果表明：

①固定化微生物小球的最佳投加量約為2.0kg/m2，投加量太小時，污染物去除效果不理想，投加量過大后，TOC、總氮去除率下降，原因是包埋劑內含有有機物，可能造成水體初期污染。

②相同微生物投加量時，固定微生物小球的底泥污染去除效果遠好于僅投加復合微生物菌液，水體污染物去除效果前期不如微生物菌液，后期效果逐漸持平。

③投加微生物時間越久，固定微生物小球對水體和底泥污染物的控制效果愈加好于僅投加復合微生物菌液。

④相較于無底泥河道，固定化微生物小球投加于有底泥的河道后，各項水質改善效果明顯更好。因此，固定化微生物技術更適用于底泥厚度≥10cm 的河道內使用。

2.4 微生物小球及菌液聯(lián)用試驗

通過微生物菌液和微生物小球投加試驗可知，復合微生物菌液投加在水中后，對水體污染物的去除效果較好，但天然河道往往流速較大，菌液隨水體流動而逐漸流失，僅有部分微生物進入河道底泥后棲息繁殖，構建新的微生物群落，發(fā)揮水質凈化作用。固定微生物小球能夠克服微生物菌液的不足，將微生物活性小球投放到河床底泥后，微生物逐漸開始降解底泥內各種污染物，原位修復河床生態(tài)系統(tǒng)，有效減輕了底泥內源污染，改善了上部水體的水質。但投加固定微生物小球相應增加了河道治理成本，故工程中推薦采用微生物小球及復合微生物菌液聯(lián)用以改善河道水質，修復河道生態(tài)系統(tǒng)。

本示范工程選取的河道位于江蘇省丹陽市境內，是一條城市內河，河道寬度10～30m，河道內常年有水，經相關部門檢測數(shù)據(jù)表明，河道水體污染較嚴重，高錳酸鹽指數(shù)常年高于15mg/L、氨氮濃度常年高于10mg/L、總磷濃度常年高于1.0mg/L，各項指標均不滿足《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅴ類水標準限值，其中氨氮濃度常年屬于黑臭水體標準。該河道水流速度較慢，富營養(yǎng)化嚴重，水體溶解氧含量低，水生生物較少，河道底泥黑臭，嚴重影響河道周邊環(huán)境，也對下游干流水體產生了一定污染，河道水環(huán)境亟需治理。經前期乘船排查河道底泥厚度平均約0.5～1.0m 厚，若采用機械清淤，淤泥量約32 萬m3，清淤過程不僅需要耗費大量的機械和人力，而且清淤產生的淤泥量很大，需對河道底泥進行無害化處理，否則極易造成二次污染，河道治理成本高，見效周期久。本工程不采用常規(guī)的機械清淤，而是向河道內投加復合微生物菌液和固定化微生物小球，原位進行河道水體修復，通過微生物降解作用去除底泥和水體中的各類污染物，恢復水體自凈能力。該技術施工簡單，成本低，見效快。

根據(jù)江蘇東南生物科技有限公司提出并起草完成的《微生物小球及菌液聯(lián)用改善河道水環(huán)境操作技術規(guī)程》（DB32/T 3647-2019），本工程河道屬于黑臭水體，河道流速約0.2m/s，河道底泥厚度大于10cm，適合投放微生物小球和微生物菌液。固定化微生物小球的投加量采用1.3kg/m3，投加周期為每月投加一次；微生物菌液投加量采用0.4kg/m3，投加周期為每5 天投加一次。經過一個月的連續(xù)投加，每隔3～5 天取水樣送檢，水質監(jiān)測指標主要是高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷，水質監(jiān)測指標結果如圖1 所示。

圖1 河道水質監(jiān)測指標變化情況

通過示范工程水質監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，投加微生物小球和微生物菌液后，水中的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷三項指標均有一定程度的增加，分析主要原因可能是投加過程中對河道底泥有一定擾動，導致底泥內污染物釋放至水體中造成的；其次是由于投加的微生物小球和微生物菌液內含有一定有機物，造成高錳酸鹽指數(shù)升高。投加微生物小球和菌液一個月后，水質各項指標明顯好轉，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷指標呈現(xiàn)波浪形下降，逐漸低于黑臭河道標準限值，在連續(xù)投加微生物小球和菌液兩個月后，水體高錳酸鹽指數(shù)基本穩(wěn)定在10mg/L 左右，氨氮濃度基本穩(wěn)定在5mg/L 左右，總磷濃度基本穩(wěn)定在0.2mg/L 左右，完全消除水體黑臭問題，部分指標達到了Ⅳ類水標準要求。實踐證明，該技術去除污染物效果顯著，完全可以用于黑臭水體治理，具有廣闊的推廣應用前景。

3 結語

①河道底泥的常見修復技術中，采用生物原位修復可從根本上修復河道受損的生態(tài)系統(tǒng)，恢復微生物的活性，提高水體自凈能力，發(fā)展前景廣闊。

②通過投加復合微生物菌液和微生物小球試驗，確定了合理的投加量，對比了兩種投加方式的實際效果，分析了兩種投加方式的適用環(huán)境。

③通過工程實例發(fā)現(xiàn)，采用微生物小球和菌液聯(lián)用可顯著改善水體水質，實現(xiàn)原位修復河道生態(tài)系統(tǒng)。