于忠臣， 孫偉楠， 李晨曦， 倪龍琦

（東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318）

水體是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分， 具有水土保持、 水體循環(huán)、 改善氣候等多種功能［1］。 隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展， 工業(yè)化、 城鎮(zhèn)化的快速推進， 大量的生活污水與工業(yè)廢水排入水體， 污染水質(zhì)， 使得各種污染物濃度超標， 甚至出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象［2-4］。 水體污染不僅損害人們的居住環(huán)境、 影響城市形象，還會使得供水制水成本提高， 水生態(tài)系統(tǒng)失衡［5-6］。

對于污染水體修復而言， 除了需要關(guān)注水體水質(zhì)修復之外， 作為內(nèi)污染源的水體底泥的再懸浮會源源不斷地向水體釋放污染物質(zhì)， 故需要在修復水體水質(zhì)的同時對水體底泥進行同步修復［7-8］。 污染水體修復技術(shù)可分為物理、 化學、 生物修復技術(shù)， 其中原位生物修復技術(shù)以其簡易方便、 投資少、 無二次污染、 生態(tài)環(huán)保的特性成為目前的研究熱點［9］。

在以往的研究基礎上， 本文從水體水質(zhì)與水體底泥兩方面出發(fā)， 簡述了污染水體原位生物修復技術(shù)的研究現(xiàn)狀， 并就今后污染水體生物治理技術(shù)發(fā)展方向提出建議， 旨在為未來城市污染水體的治理提供參考及依據(jù)。

1 污染水體水質(zhì)原位生物修復技術(shù)

1.1 微生物強化及促生技術(shù)

為強化微生物降解過程， 向污染水體或底泥直接加入人為強化的微生物或加入化學藥劑改善微生物生存條件， 達到啟動或強化微生物對水體或底泥中污染物分解、 轉(zhuǎn)化及吸收的作用， 其中前者稱為微生物強化技術(shù)， 后者稱為微生物促生技術(shù)［10］。 微生物強化技術(shù)主要是通過人工技術(shù)篩選或馴化各類特殊菌種， 目前已經(jīng)有很多應用案例； 微生物促生技術(shù)主要是向污染水體或底泥中加入多種化學藥劑（酶制劑、 共代謝底物、 微生物營養(yǎng)劑、 微生物促生劑等）為微生物生長提供良好的生長環(huán)境。

常素云等［11］利用啤酒廠廢水培育出的酵母細菌處理天津外環(huán)河水體， COD 的去除率達到33%，證明了啤酒廠廢水培養(yǎng)微生物制劑處理受污染水體的可行性。 尹莉等［12］證明了“固定化生物工程菌＋液態(tài)菌”的組合工藝可以提高坑塘黑臭水體污染物的去除效果， 完成污染物的快速降解， 減少投資及運行費用。

微生物強化及促生技術(shù)具有施工簡便、 見效快、 兼容范圍廣的優(yōu)點。 然而， 該技術(shù)需要對治理區(qū)域進行周密調(diào)查， 前期需花費較長時間［13］。 與此同時， 該技術(shù)有可能引起生物安全性問題［14］。

1.2 生態(tài)浮島技術(shù)

生態(tài)浮島源于20 世紀六七十年代的德國和日本等國家提供給魚類產(chǎn)卵的場所， 在使用過程中，發(fā)現(xiàn)對水質(zhì)的保護和藻類的抑制有一定的作用， 就被人們逐步推行開來［15］， 生態(tài)浮島技術(shù)通過在水面漂浮裝置上種植水生植物吸收氮、 磷等元素， 利用植物根系吸附水中懸浮物， 富集水中的重金屬和有機污染物， 此外植物根系還可作為生物膜載體承載微生物［16］。

Chang 等［17］利用太陽能人工浮島凈化水質(zhì)， 結(jié)果表明， 水體溶解氧明顯增強， 生態(tài)環(huán)境顯著改善。 Lu 等［18］利用綠色能源人工浮島對校園污染水體進行修復， 結(jié)果表明， 水體各項指標明顯下降，溶解氧濃度及氧化還原電位顯著提高。

生態(tài)浮島具有易于制作和搬運， 使用時間長，無需占用土地， 植物易于栽培， 大量減少設施運行和維修管理費用， 便于日常維護和管理， 治污效果好等優(yōu)點。 然而， 生態(tài)浮島對水體位置要求較高，往往設置在水流平緩， 流動性差的河道之上［19］。 另一方面， 為提高人工浮島對能源的利用率， 越來越多的學者開始研究綠色能源生態(tài)浮島（GAFI）與太陽能生態(tài)浮島（SAFI）等［20］。

1.3 人工曝氣技術(shù)

人工曝氣技術(shù)是基于河流受到污染后缺氧的情況， 利用人工措施或者自然跌水對水體進行充氧的技術(shù)方法［21］。 一般來說， 人工曝氣技術(shù)對于污染水體有3 種作用： 提高溶解氧含量、 改善水體環(huán)境、增加水體擾動［22］。

Grochowska 等［23］報 道 了 人 工 曝 氣 技 術(shù) 對 波 蘭Olsztyn 的Dlugie 湖的修復效果， 經(jīng)過人工曝氣之后， Dlugie 湖水體中的有機物質(zhì)明顯減少， 水體營養(yǎng)狀態(tài)改善。 張紹君等［24］的研究表明了純氧曝氣可有效控制河流黑臭現(xiàn)象， 可有效控制溶解氧、 色度、 臭閾值和COD， 氧利用率可達到90%。

相比于其他修復技術(shù)， 人工曝氣技術(shù)具有投資少、 見效快、 生態(tài)自然、 無二次污染的優(yōu)點， 已被眾多國家應用于實際工程修復中。 然而， 在曝氣過程中， 會產(chǎn)生大量的能耗， 因此通過不斷改進曝氣設備與方式方法， 引入綠色清潔能源， 盡可能改善曝氣效率， 是此領(lǐng)域的研究熱點［25］。

2 污染水體底泥原位生物修復技術(shù)

2.1 底泥微生物修復技術(shù)

與水質(zhì)微生物修復技術(shù)相似， 底泥微生物修復技術(shù)是指通過微生物的自然凈化能力， 或強化微生物的特定作用將底泥中的污染物濃度降到規(guī)定范圍內(nèi)［26］。 底泥微生物修復技術(shù)通常有固定化微生物技術(shù)、 基因工程菌培養(yǎng)、 微生物燃料電池等形式。

楊玥等［27］利用微生物燃料電池對底泥進行修復， 運行650 h 后， 外接電阻為1 500 Ω 時有機質(zhì)去除率達到7.834%； 外接電阻為100 Ω 時總磷去除率達到29.98%， 銨態(tài)氮去除率達到41.64%； 外接電阻為1 000 Ω 時硝態(tài)氮去除率為71.52%。 唐海芳等［28］采用固定化微生物技術(shù)修復湖塘底泥，結(jié)果表明， 經(jīng)過一個月的修復， 在最佳工藝條件下， 水質(zhì)由劣Ⅴ類變成Ⅲ類， 底泥總有機質(zhì)去除率達到33.47%。

相比于其他技術(shù)， 底泥原位微生物修復技術(shù)具有價格低廉、 對環(huán)境影響較小等優(yōu)點。 然而， 新加入的微生物會受到原生微生物以及底泥環(huán)境的影響， 難以達到預期效果， 即使是合適的菌劑或促生劑也需要較長的時間令微生物生長繁殖。

2.2 底泥植物修復技術(shù)

植物修復技術(shù)是一種廣泛應用于環(huán)境污染領(lǐng)域的治理方法， 利用植物或植物根系區(qū)微生物的吸收、 代謝以降低或消除污染物毒性［29］， 一般包括植物穩(wěn)定、 植物揮發(fā)、 植物吸收3 種機理［30］。

高巖等［31］研究結(jié)果表明， 鳳眼蓮可以快速消除上覆水體中的磷與底泥中的磷， 種植鳳眼蓮的水體中底泥的總磷含量明顯降低。 沈應時等［32］研究表明， 沉水植物在富營養(yǎng)化水體中生長良好， 生物量明顯增加， 5 種沉水植物沉床系統(tǒng)對富營養(yǎng)化水體中的總磷、 總氮和氨氮去除率較高， 均值分別為70.16%、 79.60%、 79.82%。

植物修復污染水體具有成本低、 能耗小、 治理效果好、 對環(huán)境擾動小、 有利于恢復河道生態(tài)景觀的特點， 能夠從根本上提高河流生態(tài)功能， 恢復其完整性［33］。 然而， 由于某些水生植物繁殖速度過快， 當打撈速度跟不上其生長速度時， 會覆蓋大面積水體， 其腐爛物會對水體造成二次污染， 因此水上植物凈化技術(shù)在凈化水體時應該被謹慎使用［34］。

2.3 底泥動物修復技術(shù)

底泥動物修復技術(shù)是指基于生物操縱原理， 通過高營養(yǎng)級生物攝食低營養(yǎng)級生物或有機碎屑， 間接降低水體中氮、 磷等營養(yǎng)鹽的含量， 最終影響水體環(huán)境［35］。

孟順龍等［36］研究發(fā)現(xiàn)， 放養(yǎng)螺螄可有效改善養(yǎng)殖塘中底泥環(huán)境， 螺螄放養(yǎng)量越大， 底泥的凈化效果越好。 馮建祥等［37］研究表明， 海蜇的上下浮動行為可促進池塘上下層水體交換， 同時其生物沉降作用可提高大型底棲動物群落的生物多樣性。

動物修復技術(shù)具有其他修復技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢： 成本較低， 對生態(tài)系統(tǒng)的影響較小， 可最大限度地降低污染物濃度， 基本不產(chǎn)生副作用和二次污染， 可應用于其他技術(shù)難以使用的場合［38］。 然而，目前對水生動物修復技術(shù)的大部分研究仍然還處于實驗階段， 實際應用范圍有限。 與此同時， 與生物修復技術(shù)緊密相關(guān)的放養(yǎng)技術(shù)、 物種組合技術(shù)、 資源回收技術(shù)仍需要進行系統(tǒng)研究； 另一方面， 水生動物在污染物降解轉(zhuǎn)化中的具體機理作用仍需要進一步 研究［39］。

3 污染水體生物處理技術(shù)的新發(fā)展

3.1 多方法組合修復技術(shù)

受現(xiàn)有技術(shù)所限制， 一方面單獨的污染水體修復技術(shù)所達到的修復效果有限， 另一方面只能針對水體水質(zhì)或底泥進行單一的修復， 為盡可能提高修復效果， 達到水體與底泥同時處理的目的， 已有學者結(jié)合多種方法對此進行了嘗試， 并且取得了一定效果［40-42］。

然而， 運用多種修復方法對水體與底泥進行同時修復， 難以避免地會造成資源的浪費， 因此， 在未來的污染水體修復相關(guān)研究中， 將水體水質(zhì)修復與底泥修復有機地結(jié)合起來進行修復至關(guān)重要， 尋求一種盡可能高效的方法， 對污染水體水質(zhì)與底泥進行同步修復正在成為新的研究熱點。

3.2 水力驅(qū)動原位生物修復技術(shù)

為節(jié)省能源消耗， 提出通過水力驅(qū)動同步攪拌的方法在曝氣條件下對污染水體及底泥進行同步修復， 技術(shù)原理如圖1 所示。

圖1 水力原位生物修復技術(shù)示意Fig. 1 Hydraulic in situ bioremediation technology

水力驅(qū)動受控循環(huán)原位生物修復技術(shù)利用氣提原理， 構(gòu)造了空間上疊層的兩級內(nèi)循環(huán)串聯(lián)， 通過曝氣作用實現(xiàn)水力受控循環(huán)及級間的水力聯(lián)系。 同時， 在內(nèi)循環(huán)水流驅(qū)動雙動力輪系的作用下， 攪動裝置使底泥充分攪動并懸浮起來， 在內(nèi)循環(huán)水流的夾帶下參與內(nèi)循環(huán)， 交替流經(jīng)厭氧、 缺氧和好氧環(huán)境， 實現(xiàn)空間上疊層A／O 和A2／O 梯度串聯(lián)作用，有效強化底泥中本源微生物的生物降解作用， 達到底泥和水體中本底有機物及氮素的原位同步降解的目的， 實現(xiàn)污染水體的原位生物修復。 水力驅(qū)動受控循環(huán)原位生物修復技術(shù)充分利用了水力葉輪及曝氣作用， 減少了能源消耗， 豐富和發(fā)展了污染水體原位修復方法， 為污染水體原位同步修復提供了新的發(fā)展思路。

4 結(jié)語

本文從水體水質(zhì)與底泥修復2 個方面總結(jié)了現(xiàn)有水體生物修復技術(shù)， 根據(jù)現(xiàn)有水體修復單一獨立處理的特點， 提出了污染水體水質(zhì)及底泥同步修復處理的新研究方向。 水力驅(qū)動原位生物修復方法的提出， 為污染水體原位生物修復技術(shù)提供了新的發(fā)展思路。