淺談湖泊水體復合微生物原位修復技術

王 玨 孫 康 趙平歌 劉金濤

（1．中交第三公路工程局有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015000；2．西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 710000）

0 引言

近幾十年來，隨著社會的發展、水資源的過度使用和污染狀況的惡化，我國大多數小湖泊和河流已經開始或已經成為富營養化的水體。目前，富營養化湖泊的管理方法主要包括化學重建、生物修復和物理修復3類。其中最適宜進行生態修復的生物修復，盡管其操作時間有一定的限制，但是能夠恢復湖泊水體的生態系統，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，適用于底泥富營養化的水域。原始的底泥清理法的廣泛使用隨著一些環境風險，其主要不利影響是水中富營養化底泥的凈化可能導致底泥產生重懸浮液，破壞了湖泊底泥的微生態系統，其結果是在短期內大量釋放高熱量和營養鹽，這些污染物在短時間內難以通過湖泊自凈能力進行消除，導致底泥凈化后湖泊仍為富營養化水體[1]。

氮磷的過量排放往往是造成水體富營養化及藍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，往往導致藍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，氮過剩繼續刺激藍藻類的繁殖，造成冬季藍色藻類異常爆發。因此，不完全凈化后水質急劇變化對社會和環境的影響已經產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，藍色藻類的爆發完全抵消了清除的積極影響。目前，國內外眾多研究者對底泥清淤后釋放營養鹽、清淤對底棲生物的影響、改進底泥清淤產生的副作用以及生態性的湖泊水體原位修復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環境。

1 湖泊水體原位修復的不同層次

湖泊水體原位修復的不同層次主要包括美觀、規劃和生態3個方面。通過多種微生物的功能結合，可以實現氮、氨和有機氮的轉化，加快重塑區域生態環境。為了研究通過復合微生物實現原位修復湖泊水體的3個層次，同時為后期的可持續水管理技術奠定基礎，人們對微生物的捕獲和控制氮的作用進行研究，通過各種微生物的結合，分析其對水體氮的影響和有效去除氮的效果[2]。

1.1 美觀層面

湖泊水體修復通常首先解決美觀層面的問題，包括綠化工程和景觀建設，即為了全面重建湖泊水體及其河岸，將其建設成為一個公園或濕地，通過景觀設計，創造一個美麗舒適的沿水環境，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]。城市水資源的恢復也是提高城市水資源經濟價值的一個重要步驟，與水資源周圍景觀的改善有關的不僅僅是水的質量和水生態系統的恢復，也是水資源綜合管理的第一步。

1.2 規劃層面

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

1.3 生態層面

主體自凈是其在生態層面上的重要功能，對于實現生態重建意義重大。水體如果處于完全截污的情況，則可以依托于生態恢復功能而實現自凈的目標。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，耗時會大大增加。為了在短時間內恢復生態系統的功能，必須采取人為的生態系統恢復措施，包括微生物、水生動物、水植物等技術，縮短水生態系統的恢復周期，以水體自凈為基礎，加速回到生態多樣性的狀態，實現水環境的正常化，即達到湖泊水體原位修復的核心目標。

2 水體污染生物修復的目標和方法

2.1 水體污染生物修復的目標

原位修復湖泊的目標是實現水體的多方面修復水平，即減少污染、修整水岸、生態恢復，加速湖泊水體的各項功能恢復到正常狀態。事實表明，如果要恢復水體的功能，需要首先實現生態系統多樣性的恢復，唯有如此才可以確保生態系統保持穩定。

2.2 水體污染修復的方法

目前，水資源修復主要通過以下幾種方法實現。

底泥清淤在土壤污染清除方面發生了重要作用，但是可能會對生態平衡造成負面影響。為了實現原位修復湖泊水體這一目標，還需要結合復合微生物等其他控制水體污染、促進水環境恢復的必要方法。

引水排水能夠有效改善水質、強化水動力及水環境豐富性，但耗費較大且只能輔助湖泊水體生態系統的構建。

水生植物可產生優美的景觀效果，保持水的生態環境的可持續性，而它們對水污染環境的污水處理能力薄弱，而且往往無法適應環境，因此，水生動植物恢復更多地涉及水資源修復后期和維護生態系統的穩定。

微生物在環境恢復中起著重要作用，微生物在物質代謝和污染物分解、水生生物建設中占有中心地位，可適應不同污染情況的不同層次的不同作用，在恢復生態系統方面發揮了重要的作用。而復合微生物則能夠通過不同微生物間的組合，調配綜合功能，從而在控制污水排放、降低水體氮磷、重建水生態環境等方面發揮了重要的作用，因此，微生物的恢復一直是研究原位修復湖泊水體的熱點。

生物修復技術涉及許多修復過程，其中，核心技術包括水環境修復技術、水體生物凈化技術和底泥修復技術。水環境修復技術又包括人工濕地技術、生物慮床技術、污染生物反應器3項。這3項基本技術針對的是被污染水體的表層和底層的修復和治理。生物修復技術工序如圖1所示，主要是通過促生配方對水體底泥生化物進行氧化，通過種植、生物濾床、人工濕地等對環境進行修復，達到水體凈化的目標。

3 當前復合微生物原位修復湖泊水體的應用

3.1 去除難降解有機物

圖1 生物修復技術工序

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

圖2 生物脫氮過程示意圖

對于污染水體，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。處理溶解的有機物后，它會直接進入微生物細胞，然后再使用。微生物強化技術在一定程度上促進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 去除水中營養物質

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在一起。在缺氧段異養菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機物水解為有機酸，使大分子有機物分解為小分子有機物，不溶性的有機物轉化成可溶性有機物，當這些經缺氧水解的產物進入好氧池進行好氧處理時，可提高污水的可生化性及氧的效率；在缺氧段，異養菌將蛋白質、脂肪等污染物進行氨化（有機鏈上的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，異養菌的反硝化作用將還原為分子態氮（N2）完成C、N、O在生態中的循環，實現污水無害化處理[6]。如圖3所示。

圖3 A/O工藝流程圖

3.3 去除底泥中有機物

湖泊水體中污泥中的有機物含量一般較高，當有機物與廢水一起進入通道后，一部分有機物在自然作用下沉積，最終將增加底泥中有機物的含量。在處理黑臭水時，底部污泥的處理是非常重要的環節。它可以減少底部污泥的有機物含量，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，避免了水體的反復污染。在傳統的黑臭水處理中，該處理過程的實際應用效果有限，并且容易使水渾濁并再次受到污染。基于此，改良的生物修復技術已經有效地用于去除底部泥漿中的有機物。實驗結果表明，用 CHE-1 菌株處理廢水沉積物可以顯著降低沉積物中有機污染物的含量。在完全控制的反應條件下，底部污泥中有機污染物的去除率可以達到51%，處理效果特別明顯。需要說明的是，微生物強化技術對底泥的處理有一定的效果，但是該技術的應用尚不完善，還需要優化。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在氧的作用下，將一些有機物分解成無機物，如二氧化碳、水、乙醇和有機酸等簡單化合物，使水體得到凈化，如圖4所示。

4 復合微生物原位修復湖泊水體存在的不足及構想

4.1 復合微生物原位修復湖泊水體存在的不足

在恢復水體生態的實踐中，許多處理技術并不能實現預期目標，存在治理效果不佳、持續性不足等問題，在使用微生物技術方面同樣也有一些限制：1） 在某些實際情況下，使用微生物技術的可能性很小，這主要是由于目前開發環境專業菌株的做法還不夠成熟。2） 現有的微生物制劑制造商有不同的生產和質量標準。3） 微生物沒有行業標準功能評估，沒有國家標準評估，管理當局也缺乏環境恢復的經驗。4） 微生物生態恢復方面的專業知識不足，廢水處理和生態系統恢復方面的差距很大。此外，環境工程和生物科學之間的協同作用沒有得到充分的發揮，導致在該領域中缺少專業知識、質量鑒定等；另外，也有一些人對微生物技術存在疑慮。

圖4 有機物降解過程圖

所以，以生態環境功能恢復為導向的微生物技術研究需要建立規范化標準體系，同時加強相關知識的普及。微生物技術不僅在水中的黑氣味消除或水質差改善等方面發揮了作用，而且必須與水生態循環深度融合，通過建立完善的符合技術體系，實現湖泊水體的原位修復和綜合管理。

4.2 復合微生物技術在污染水體處理中的構想

水污染主要是由于人類過度污染下的污水蓄積超出了環境自凈能力。利用微生物做湖泊水體原位修復，能夠通過微生物降解污水中的污染物，將其轉為H2O、CO2等無害小分子。考慮到微生物活性、存儲性等條件，一般選用惰性條件下的固體復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揮作用，對污染水體的凈化具有良好的應用效果。

復合微生物技術還可以通過與污水引流相結合，將污染水體集中起來，進行綜合處理，實現資源回收、低耗治理等利用效果，有利于對污染水體的綜合治理，控制湖泊水體富營養化問題。例如在城市污水正式排放到湖泊前，可以將復合微生物菌劑添加到污水排放管，以此環節水污染治理廠的壓力，提高治理效率和質量，在確保水體質量達標之后才能將其排放，發揮微生物在水體物質循環中的優勢，建立水質深度凈化的功能系統。

此外，復合微生物技術也可以應用在農村污水處理中。首先需要歸集農村污水，將復合微生物菌劑添加到農村污水歸集處理池，在完成一級處理的基礎上，應用藻類生物完成進一步的治理，通過復合微生物菌劑的堆肥處理而形成有機肥，以此實現物質的有機循環，發揮其優勢，助力于農村的發展。

5 結語

將微生物原位修復應用于湖泊水體，可以實現環境保護以及生態美觀需求，具有多重應用優勢，但是當前研發成果還存在不足之處，一方面應當加強科學成果的研究，另一方面可以從污染水體源頭開始，通過與污水引流相結合的綜合治理，共創良好的水環境。