生物强化技术在河道水体治理中的应用

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　　摘要 以琼江河潼南区小渡段为试验段，研究了以投加复合微生物菌剂为主、底泥曝气为辅的生物强化技术对水体中CODCr、NH3-N、TP的降解效果。结果表明，对试验水体进行生物强化之后，CODCr、NH3-N、TP的去除率分别达51.72%、41.44%、52.38%，水質稳定达到《GB 3838—2002》地表水环境质量标准的Ⅲ类水标准。说明生物强化技术可以有效地解决自然水体中污染物含量超标、水环境状况差等问题，为河道水体治理提供新的思路。
　　关键词 生物强化; 河道水体治理; 微生物复合菌剂 ;底泥曝气
　　中图分类号 X522  文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）10-0062-03
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.10.017
　　Abstract Taking the Xiaodu section of the Qiongjiang River as an experimental section， this study analyzed the degradation effects of CODCr， NH3N and TP in water by bioaugment technology accompanying with sediment aeration.The results of this experiment showed that after taking bioaugmentation technology into water body， compared with the past， the water pollution was reduced.The removal rates of CODCr， NH3N and TP were 51.72%， 41.44% and 52.38%， respectively， and the water quality was stable to meet the Class III of the surface water environmental quality （GB 3838—2002）.It illustrated that bioaugmentation technology could effectively solve the problems of excessive pollutant in natural water bodies and ameliorate the condition of polluted water.In short， bioaugmentation technology also provided a new idea of river water treatment.
　　Key words Bioaugmentation;River water treatment;Microbial preparation;Sediment aeration
　　目前，我国各大河道的主要污染指标是CODCr、BOD5、NH3-N等，多呈现出以耗氧有机物、水体黑臭为主要特征的污染现象[1]。根据《2018年重庆市环境质量简报》[2]显示，嘉陵江流域中Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面分别有11、3、4个，主要污染指标为CODCr、NH3-N、和TP。我国河道虽然具有一定的污染共性，但又存在些许差异，这可能与不同的污染源有关。以重庆地区为例，綦江为长江上游南岸支流，因其受到城镇、农村污水和工业园区污水的影响，不同河段水质指标超标不同。其中，同一时段北渡断面以TP浓度超标为主;而温塘断面则以NH3-N超标为主[3-4]。河道水体污染治理则需要结合具体实际，选用物理法、化学法及生物-生态法三大类进行治理[5]。其中，生物-生态修复技术具有能耗低、无二次污染、效果稳定等优势，是当前城市河流水生态修复技术的研究热点之一[6]。生物强化技术作为生物-生态修复技术的一种[7]，具有施工简便、见效快、应用广泛、对污染物质进行彻底降解、无二次污染等优势[8]。生物强化技术中的微生物作用主体具有强大的生物代谢作用，在治理氮、磷等富营养化物质及有机物污染的河道中常被选用。这些微生物摄取水中的有机污染物吸收进入胞内;并获取这些有机物质作为自身代谢营养源，呈指数性快速增长，逐步形成生态位，转变为优势优质微生物群落，以实现进一步代谢分解水中有机源;同时，在微生物投加过程中，依托外力扰动水体，能够提高水体中的溶氧量，促进耗氧有机物加速分解，从而降低水体中的有机物污染。此外，微生物代谢过程中能够分泌多种酶，促进水体中的氮磷等营养元素的生物转化。
　　笔者选取琼江河潼南区小渡段为研究对象，采用复合微生物菌剂投加为主、底泥曝气为辅的生物强化技术对水体进行净化，综合分析评价CODCr、NH3-N、TP等指标的变化规律，对其治理效果前后进行对比。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　1.1.1 复合微生物菌剂。所采用的复合微生物菌剂由重庆沐联环境工程有限公司提供，该复合菌主要由COD降解菌、硝化细菌、絮凝菌等按照一定比例复配而成，经上海量远检测技术有限公司检测，结果表明无毒无副作用且有效微生物浓度高达107 CFU/mL。
　　1.1.2 菌剂投加曝气组合船。所用组合船兼具菌剂投加和移动曝气2种功能，可根据水体深度自行调节菌剂投加深度和曝气深度。通过曝气对水体底泥进行轻微扰动和富氧，使沉积在底泥中的污染物释放到水体中，同时投加复合微生物菌剂。
　　1.2 试验方法
　　1.2.1 试验水体概况。试验段水体为琼江河潼南区小渡段，全长12.7 km，平均宽度40 m，深度5～8 m，主要污染物来源于农业面源污染和生活污水散排。由图1可知，CODCr、NH3-N、TP含量经常性超过Ⅲ类水质量标准，DO含量不足，3—5月污染物浓度居全年最高。 　　1.2.2 治理方法。整个治理阶段分为期1～30 d的项目实施期和31～60 d的项目维护期。
　　（1）项目实施期。根据前期试验小试，复合微生物的投加量为0.01‰，利用菌剂投加曝气组合船进行复合微生物投加。具体投加过程：将试验段分为5小段，平均每小段长度2.54 km，通过曝气机进行底泥轻微扰动的同时加入复合微生物菌剂，将菌剂均匀地投加到试验段水体和底泥中。
　　（2）项目维护期。经过项目实施期的菌剂投加后，试验段水体中微生物系统逐渐建立，微生物可进行生长和繁衍，但一部分微生物随河水流失，因此需要根据水质的波动适时补充投加复合微生物菌剂。
　　1.2.3 水质检测方法。水质监测点设在小渡段下游12 km的中和断面处。CODCr采用《GB 11914—1989》重铬酸盐法测定，NH3-N采用《GB/T 7479—1987》纳氏试剂分光光度计法测定，TP采用《GB/T 11893—1989》钼酸铵分光光度法测定。去除率通过公式（1）计算。
　　φ=（c1-c2）/c1（1）
　　式中，φ为污染物去除率，c1为污染物当前浓度（mg/L），c2为治理前污染物浓度（mg/L）。
　　2 结果与分析
　　项目治理期为2019年4月1日—2019年6月1日，期间通过菌剂投加曝气组合船对水体进行修复，从项目开始，即对水体CODCr、NH3-N、TP进行检测，根据污染物的降解和去除率对项目实施情况进行评价。
　　2.1 水体中CODCr的变化
　　化学需氧量CODCr作为水质污染指标，反映了水体受还原性物质污染的程度，该指标也作为水体中有机污染物相对含量的综合指标之一。自然水體中的CODCr污染物质一部分来自于人类活动造成的外源污染，一部分来自被微生物氧化分解的水生动植物的残体，还有一部分来自于底泥有机污染物的扩散与释放。向水体中投加复合微生物菌剂后，微生物在水体中大量繁殖，逐渐成为水体中优势种群，消耗水体中的有机污染物作为碳源进行生长代谢和新细胞的合成，降解水体中的CODCr。
　　从图2可以看出，治理期间水体中CODCr呈现从下降到稳定的趋势，在治理初期的1～10 d，水体中CODCr含量未有明显下降的趋势，在此期间，微生物率先利用培养基中的营养物质进行生长繁殖，并不会过多地利用水体中的有机碳源等营养物质，此时水体中的CODCr在29～24 mg/L浮动，去除率最高可达20.69%。在治理中期10～30 d，外加培养基中的营养物质逐渐消耗殆尽，此时复合微生物菌剂中具有高效降污染物性能的微生物逐渐成为水体生态系统微生物种群中的优势种群，在此期间微生物主要利用水体中的有机污染物作为碳源和能源进行生长代谢，CODCr含量逐渐下降到20 mg/L 左右，去除率最高达44.83%。治理后期的30～60 d，不再向水体中添加复合微生物菌剂，此时复合微生物菌剂中的CODCr降解菌已经成为优势种群，水体的微生物系统被重新构建，CODCr含量稳定在17～14 mg/L，期间因降雨或地表径流的影响，CODCr含量有短暂的回升，但并未造成水质的恶化。通过此次治理说明复合微生物菌剂对水体中的CODCr具有良好的降解作用，且微生物可以稳定地定殖在水体中，从根本上提高水体自净能力，起到长期治理的作用。
　　2.2 水体中NH3-N的变化
　　NH3-N在水体中以铵离子或游离氨的形式存在，游离的氨在碱性条件下会对水体中的动植物造成毒害，但同时也是水体中的营养素，微生物利用其作为氮源，合成自身细胞。水体中的NH3-N在好氧条件下，经硝化细菌的硝化作用，氧化成为NO2--N和NO3-N，同时消耗水体中大量的溶解氧。治理过程中投机的微生物复合菌剂中含有一部分硝化细菌，同时辅以人工曝气提高水体中的溶解氧，达到消减水体中氨氮的目的。
　　由图3可知，治理初期的1～10 d，水体中NH3-N含量在1.11～1.27 mg/L，未呈现下降的趋势，原因是投加的复合微生物菌剂中含有一定的氯化铵、尿素等氮素营养物质，且针对水体中溶解氧不足的情况采取的人工曝气对底泥具有一定的扰动作用，加速了沉积物中氮污染物向水体中的释放。治理中期的11～30 d，外加菌剂中氮素营养物质逐渐被消耗，硝化细菌大量生长繁殖，由图4可知，随着人工曝气的进行，水体中溶解氧含量上升，在此期间硝化细菌利用水体中的NH3-N污染物作为氮源，好氧条件下将一部分其氧化成为NO2--N和NO3-N，另一部分同化为自身的一部分，达到降解水体中NH3-N污染物的效果，在第27天其含量达0.85 mg/L。治理后期的30～60 d中，水体中NH3-N稳定在0.91～0.65 mg/L，溶解氧稳定在5.0 mg/L以上，期间受到短期的冲击后并未破坏水体稳态，说明人工曝气技术可以有效提高水体中溶解氧含量且复合微生物菌剂中的硝化细菌可以有效去除水体中NH3-N污染物并适应水体的环境，达到长久降解污染物质的作用。
　　2.3 水体中TP的变化
　　由图5可知，TP的变化趋势和CODCr及NH3-N的变化相似，治理初期1～10 d，水体中TP含量呈上升趋势最高达0.28 mg/L，主要原因是对底泥的曝气扰动效果造成了沉积物中P元素向水体中释放[9]以及培养基中的含有磷酸二氢钾等营养物质造成了水体中TP含量的上升。治理中期的11～30 d，水体中TP逐渐下降，第30天出现最低值0.16 mg/L，在曝气作用下，水体中小分子有机物被氧化分解，形成了以矿物构架为主的铁、硅等比表面积较大的无机大分子胶体，在悬浮过程中与PO43-产生吸附作用[10]，使P元素从水体迁移至底泥，同时复合微生物中的絮凝菌可以分泌出具有絮凝效果的胞外聚合物，加速了此过程的进行。治理后期31 ～60 d，水体中的TP含量稳定在0.11～0.18 mg/L，去除率最高达52.38%，且具有一定的抗冲击能力，说明生物强化技术对水体中TP有着良好且稳定的去除作用。
　　3 结论
　　（1）通过投加复合微生物菌剂且辅以底泥曝气的生物强化技术对琼江河潼南区小渡段进行试验的60 d中，水体中CODCr、NH3-N、TP污染物的去除率分别达51.72%、41.44%、52.38%，含量稳定达到《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水标准，说明生物强化技术可有效去除河道水体中的污染物。
　　（2）投加的复合微生物菌剂可以稳定定殖在自然水体中，修复被破坏的微生物生态系统，从根本上提高水体的自净能力，且短期内无需再次投加。
　　参考文献
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