應(yīng)用于水環(huán)境治理的微生物原位修復(fù)技術(shù)

高葉松 王海海 吳迪

（中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司 北京 100037）

0 引言

隨著城市化水平的不斷提高，城市水環(huán)境受城市化進(jìn)程的影響愈來愈顯著，越來越多的城市污染物被排放到城市河道中，導(dǎo)致城市水體污染日益加劇，嚴(yán)重影響了城市水環(huán)境質(zhì)量和居民的健康。水體微生物原位修復(fù)技術(shù)是通過在水體適當(dāng)位置添加微生物試劑或（及）營(yíng)養(yǎng)元素等，并與水體充氧、微生物固定等技術(shù)相結(jié)合，提高水體土著微生物或外源微生物對(duì)污染物的降解能力，從而使水質(zhì)逐步得到恢復(fù)的過程。該技術(shù)無(wú)須在水體中修建構(gòu)筑物，可“就地”清除河水污染，削減底泥，快速解決水體突出的黑臭問題，已廣泛應(yīng)用于黑臭水體治理方面。

1 應(yīng)用原理

微生物原位修復(fù)技術(shù)根據(jù)反應(yīng)原理可分為生物增效技術(shù)及生物促生技術(shù)。生物增效技術(shù)通過添加具有特定降解功能的菌株以強(qiáng)化“土著”微生物的功效，其投加的微生物種類主要包括硝化菌、耐鹽菌、低溫菌、苯類、酚類等特定有機(jī)污染物降解菌等［1］。生物促生技術(shù)通過將激活微生物所需的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制成生物促生劑（Bio-energizer），并把這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)持續(xù)提供給水環(huán)境中的“土著”微生物，從而使得原來水體中的目標(biāo)微生物被連續(xù)不斷地激活并且快速繁殖，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)［2］。在實(shí)際應(yīng)用中，通常情況下會(huì)將生物促生劑與生物增效技術(shù)聯(lián)合使用，并采用生物包埋固定化技術(shù)以實(shí)現(xiàn)微生物、促生劑的緩慢釋放。需要注意的是，固定化微生物技術(shù)僅僅實(shí)現(xiàn)了投加微生物持續(xù)緩慢釋放，如果要發(fā)揮明顯的處理效果，必須使水體環(huán)境因子滿足目標(biāo)微生物要求，以確保投加的微生物在水體中實(shí)現(xiàn)二次繁殖，在達(dá)到足夠的濃度后實(shí)現(xiàn)預(yù)期的處理效果。

2 適用性分析

微生物原位修復(fù)技術(shù)可適用于水體中本底生物菌群系統(tǒng)受到破壞后的快速恢復(fù)、水體含有常規(guī)“土著”微生物難以降解的污染物或能降解特定污染物的微生物難以成為優(yōu)勢(shì)菌群的情況，主要包括：

（1）污染水體由于環(huán)境因子的改變導(dǎo)致本底生物菌群系統(tǒng)收到破壞，菌群失衡，如黑臭水體，微生物菌群以厭氧菌、缺氧菌為主，好氧菌、光合菌活性受抑制。完成截污后，可通過投加生物促生劑實(shí)現(xiàn)微生物菌群的快速恢復(fù)及日常處理效果強(qiáng)化。

（2）當(dāng)水體含有苯類、酚類污染物時(shí)，需要特定微生物完成“開環(huán)斷鏈”，其他菌群微生物才能進(jìn)行下一步的降解反應(yīng)。而能完成苯類、酚類“開環(huán)斷鏈”的微生物菌群一般世代周期較長(zhǎng)，在水體中難以成為優(yōu)勢(shì)菌群，導(dǎo)致當(dāng)水體中含有此類污染物時(shí)，“土著”微生物難以發(fā)揮良好的去除效果［3］。

（3）當(dāng)水體中氨氮濃度較高時(shí)，由于硝化菌世代周期長(zhǎng)，對(duì)DO、BOD5、溫度等環(huán)境因子敏感，易受有毒污染物沖擊，導(dǎo)致難以成為優(yōu)勢(shì)菌群，對(duì)氨氮的去除效率難以得到保障［4］。

（4）當(dāng)水體溫度較低時(shí)，微生物代謝活性下降，導(dǎo)致對(duì)污染物的降解效率下降。耐低溫菌細(xì)胞膜中脂類含量較低，代謝過程中主動(dòng)運(yùn)輸這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)受溫度影響較低，代謝活性受低溫影響較小，因此可通過補(bǔ)充耐低溫菌，提升對(duì)污染物的降解效率。

（5）當(dāng)水體含鹽量忽然增加時(shí)，由于升高的環(huán)境滲透壓導(dǎo)致微生物細(xì)胞膜及菌體的酶受到破壞，從而破壞微生物的生理活動(dòng)。耐鹽菌由于其存在于DNA 質(zhì)粒的耐鹽基因，在高鹽度下依然能保持較高的代謝活性［5］。需要注意的是，由于質(zhì)粒不是細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所必需的物質(zhì)，可出現(xiàn)自行丟失情況，因此，當(dāng)水體含鹽量下降后，其耐鹽能力可能會(huì)逐漸消失。

3 技術(shù)應(yīng)用建議

受污染水體一般均具有流動(dòng)性，外加微生物菌劑容易流失，因此，如何保證投加的微生物菌劑與污染物、土著微生物之間有充分的停留時(shí)間相接觸并實(shí)現(xiàn)二次增殖，成為實(shí)現(xiàn)受污染水體微生物修復(fù)技術(shù)效果的主要制約因素之一。

3.1 菌劑投加方法選擇

微生物菌劑投加時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的水體特征選擇不同的投加方法，現(xiàn)階段常用的微生物菌劑投加方法主要有直接投加法、二次培養(yǎng)返回法、固定化緩釋投加法、根系附著法等，不同投加方法適用條件如下［7］。

（1）直接投加法。此種投加方法適用于流動(dòng)性較差的水體，如湖泊、水庫(kù)或城市內(nèi)河等，可直接向受污染水域表面均勻潑灑微生物和營(yíng)養(yǎng)液，投加的微生物或生物促生劑可利用其擴(kuò)散性能在更深更廣的水域發(fā)生作用，操作簡(jiǎn)單。如在流動(dòng)性較好的河道中使用，則需在河流上游部分投加，以使微生物或促生劑在隨水流往下游移動(dòng)的過程中有充分的停留時(shí)間發(fā)生作用。為了減少微生物流失，通常與微生物填料附著載體聯(lián)合使用。

（2）二次培養(yǎng)返回法。該種方法適用于投加微生物的生物增效技術(shù)。取出一定量待處理水體的原水投放菌劑，并提供微生物生長(zhǎng)的其他環(huán)境條件，使投加微生物快速激活并大量增殖，待數(shù)量達(dá)到一定程度后返回受污染水體中。該方法可使遠(yuǎn)大于最初投加量的目標(biāo)微生物被釋放到受污染水體中，且由于微生物在生長(zhǎng)時(shí)將混合液中的有機(jī)質(zhì)作為基質(zhì)利用，可快速適應(yīng)水體環(huán)境，具有菌劑投加量少，處理效果好、見效快等優(yōu)點(diǎn)，但需一些輔助設(shè)備。同時(shí)為避免培養(yǎng)時(shí)土著微生物中非目標(biāo)微生物異常繁殖，一般需要對(duì)用于培養(yǎng)的原水進(jìn)行消毒處理。需要注意的是，如果生物促生技術(shù)采用此種方法時(shí)，需要提前對(duì)土著微生物菌群組成進(jìn)行評(píng)估，以避免出現(xiàn)非目標(biāo)微生物大量繁殖，投加到水體后處理效果失控的情況出現(xiàn)。

（3）固定化緩釋投加法。固定化微生物技術(shù)是利用化學(xué)或物理的手段將游離的微生物固定或限制于某一特定載體，使之保持生物活性并在實(shí)際應(yīng)用中緩慢釋放。該技術(shù)以吸附法和包埋法的應(yīng)用最為廣泛。通過固定化微生物技術(shù)的使用，可實(shí)現(xiàn)微生物菌群的緩慢釋放，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加。但是，該技術(shù)在污染水體治理中的應(yīng)用存在以下方面的問題：①載體生產(chǎn)成本較高；②固定載體污染導(dǎo)致的菌群失活、基質(zhì)擴(kuò)散阻力等因素導(dǎo)致處理效果不穩(wěn)定。

（4）根系附著法。該方法通常與生態(tài)浮島類技術(shù)相結(jié)合。根系附著法可以直接將菌種投加到受污染區(qū)域的水生植物根系附近的水體中，也可嘗試在室內(nèi)栽有水生植物的培養(yǎng)液中投加微生物菌種，使其先在水生植物根系掛膜，成功后再將水生植物移入受污染水體或底泥中。也可用類似的辦法投加營(yíng)養(yǎng)液。該法可實(shí)現(xiàn)微生物的固定化，充分發(fā)揮微生物和植物的共代謝作用，但作用區(qū)域偏?。?］。

3.2 環(huán)境因子控制

微生物的生命活動(dòng)是由其細(xì)胞內(nèi)外的一系列物化環(huán)境系統(tǒng)統(tǒng)一體所構(gòu)成的。除營(yíng)養(yǎng)條件外，包括物理因素、化學(xué)因素和生物因素等環(huán)境因素均能對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖、生理生化過程產(chǎn)生很大影響。不同微生物菌群生長(zhǎng)繁殖所需的最適宜環(huán)境因素不同，典型微生物菌劑產(chǎn)品的功能說明以及對(duì)環(huán)境因素的需求統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 典型菌劑功能說明及環(huán)境因子需求

實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)目標(biāo)污染物做好使用菌群篩選的同時(shí)，需要將微生物菌劑與工程措施相結(jié)合，營(yíng)造適宜微生物生存的外界環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)微生物的大量增殖，方可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的處理效果。

3.3 附著填料選擇

為保持較高濃度的微生物，通常采用布設(shè)人工填料的方式，為微生物提供附著場(chǎng)所。人工填料一般由高分子材料復(fù)合而成，仿水草枝葉，能在水中自由飄動(dòng)，形成上中下立體結(jié)構(gòu)層，具有多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積，可作為投加微生物的附著材料，形成“好氧-兼氧-厭氧”復(fù)合結(jié)構(gòu)的微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的污染物去除效果。人工水草應(yīng)選用比表面積大、性價(jià)比高、使用壽命長(zhǎng)、表面吸附性強(qiáng)，微生物易附著，且易掛膜、脫膜的產(chǎn)品。人工填料的布設(shè)應(yīng)考慮河道排污口位置、污染物種類、水體流態(tài)、溶解氧及日常維護(hù)等因素。常見人工填料性能對(duì)比詳見表2［7］。

表2 填料性能對(duì)比

3.4 其他注意事項(xiàng)

（1）采用微生物原位修復(fù)技術(shù)，首先需要在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)處理的目標(biāo)污染物，明確所需微生物菌群及配比；其次應(yīng)分析菌劑發(fā)揮作用所需條件并進(jìn)行配套工程措施建設(shè)，編制詳細(xì)的技術(shù)應(yīng)用方案。方案中應(yīng)對(duì)菌劑投加方式、投加位置、水環(huán)境因子控制、微生物附著填料等影響微生物保持的因素進(jìn)行充分論證；最后還應(yīng)進(jìn)行周邊環(huán)境的影響分析，確保生態(tài)安全。

（2）微生物產(chǎn)品性能隨出廠時(shí)間延長(zhǎng)而產(chǎn)生衰減，導(dǎo)致處理效果下降；產(chǎn)品污染可能導(dǎo)致大量非目標(biāo)菌群滋生，使用后可能產(chǎn)生不可預(yù)見的后果。建議制定產(chǎn)品儲(chǔ)存方案及詳細(xì)的操作規(guī)程，避免產(chǎn)品儲(chǔ)存及使用過程中可能產(chǎn)生的性能衰減及菌劑污染等問題。

（3）微生物原位修復(fù)技術(shù)的適用必須建立在投加微生物對(duì)環(huán)境無(wú)害的基礎(chǔ)上。一般情況下不建議使用基因工程菌，避免可能存在功能不穩(wěn)定及可能產(chǎn)生未知的環(huán)境微生物污染風(fēng)險(xiǎn)的問題。

4 結(jié)語(yǔ)

微生物修復(fù)技術(shù)具有凈化污染物、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)向良性方向演替的功能，在受污染水域中有良好的應(yīng)用前景。該技術(shù)作用的發(fā)揮依賴于水體中環(huán)境因子的滿足及足夠的濃度目標(biāo)微生物的保持。微生物菌群的復(fù)配、生物促生劑配方是否合理、高密度發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用、菌群活性的保持等因素對(duì)于實(shí)際應(yīng)用效果的發(fā)揮同樣具有關(guān)鍵意義。因此，該技術(shù)在具體使用上，一定要遵循微生物生理生態(tài)學(xué)原理，并與工程措施相結(jié)合，因地制宜的選擇合適菌群及使用方法，使微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳的處理效果。