基于微生態(tài)濾床的水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

孫 晨 遲 冉

（1 博天環(huán)境集團(tuán)股份有限公司 北京 100000 2 上海水源地建設(shè)發(fā)展有限公司 上海 200000）

引言

研究調(diào)查顯示，在我國(guó)62 個(gè)重點(diǎn)湖泊水庫(kù)中，I類水質(zhì)為7 個(gè)，II 類水質(zhì)為11 個(gè)、III 類水質(zhì)的為20個(gè)、IV 類水質(zhì)為15 個(gè)、V 類水質(zhì)為4 個(gè)、劣V 類水質(zhì)為5 個(gè)。進(jìn)一步結(jié)合我國(guó)湖泊水庫(kù)的生態(tài)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示，貧營(yíng)養(yǎng)的湖泊水庫(kù)10 個(gè)，占比達(dá)到16.4%，中營(yíng)養(yǎng)的46 個(gè)占比為75.4%，輕度富營(yíng)養(yǎng)化的有13 個(gè)占比21.3%，中度富營(yíng)養(yǎng)化的有兩個(gè)占比3.2%。[1]這些數(shù)據(jù)都充分表明我國(guó)的水環(huán)境面臨著重大的污染，水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為了現(xiàn)階段水環(huán)境污染的重要問(wèn)題。水體富營(yíng)養(yǎng)化是指在湖泊水庫(kù)中的氮磷等相關(guān)營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)度富集，進(jìn)而引起水體生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生生產(chǎn)力異常增高的現(xiàn)象，而湖泊水庫(kù)中的氮磷相關(guān)元素大多來(lái)自于農(nóng)田灌溉、居民生活用水以及工業(yè)廢水等多個(gè)方面。[2]在湖泊水庫(kù)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的情況下，會(huì)導(dǎo)致水體美學(xué)價(jià)值完全喪失，同時(shí)水生生物的穩(wěn)定性以及多樣性也會(huì)顯著的降低，而以水賴以生存的人類動(dòng)物以及植物等相關(guān)疾病發(fā)病率也會(huì)顯著增高。在經(jīng)濟(jì)效益方面，水污染會(huì)造成水處理費(fèi)用的增加，會(huì)造成產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值的魚類、海鮮類等質(zhì)量與數(shù)量顯著降低。因此基于水污染現(xiàn)狀迫切需要進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與治理，現(xiàn)階段在進(jìn)行水環(huán)境污染治理的過(guò)程中主要采用污染源控制、底泥處理、引流沖污、生態(tài)修復(fù)等多種方法。微生態(tài)濾床技術(shù)在水污染環(huán)境治理過(guò)程中的應(yīng)用屬于生態(tài)修復(fù)工程，將基質(zhì)、植物、微生物三者作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，使其從物理、化學(xué)、生物等多方面發(fā)揮協(xié)同作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、植物吸收、微生物分解進(jìn)而達(dá)到對(duì)污染水質(zhì)的改善和凈化，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水分以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)，使水分在再次利用的過(guò)程中促進(jìn)綠色植物的生長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境中的廢水資源化和無(wú)害化。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，結(jié)合調(diào)查研究的數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)270 萬(wàn)個(gè)自然村中，其農(nóng)業(yè)人口達(dá)到7.63 億，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活工作開展的過(guò)程中其污水生產(chǎn)量高達(dá)高達(dá)（67.7-90.3）×108噸，90%的農(nóng)村地區(qū)直接將生產(chǎn)生活污水排放到受納水體中，每年污水處理率僅為9.98%，由此可見，在廣大農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染急需加以治理和改善。[3]近些年來(lái)國(guó)家在農(nóng)村地區(qū)大力投入的面源污染項(xiàng)目就是針對(duì)農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染進(jìn)行治理的重要措施，本研究基于微生態(tài)濾床技術(shù)在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，選擇農(nóng)村面源污染項(xiàng)目為例探索微生態(tài)濾床水生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用效果。

1 微生態(tài)濾床技術(shù)概述

微生態(tài)濾床技術(shù)是運(yùn)用植物、基質(zhì)、微生物作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮物理、化學(xué)、生物等多重作用共同實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的過(guò)濾、吸附、沉淀、粒子交換、植物吸收以及微生物分解。進(jìn)而能夠?qū)Ρ晃廴镜乃w進(jìn)行高效凈化，而凈化后的水分以及水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又可以被再次利用，通過(guò)對(duì)水資源的循環(huán)利用，既實(shí)現(xiàn)水資源的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)廢水無(wú)害化，同時(shí)還能夠發(fā)揮廢水的作用實(shí)現(xiàn)廢水資源化和再利用，全面形成水資源循環(huán)體系。[4]借助于微生態(tài)濾床使得污水在流經(jīng)該系統(tǒng)的過(guò)程中可以通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化、細(xì)菌分解、氧化、還原、吸收、揮發(fā)、蒸騰以及沉淀等多重作用實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的處理，達(dá)到對(duì)水環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的目的。

對(duì)于微生態(tài)濾床在具體構(gòu)成的過(guò)程中主要包括基質(zhì)層和濕地物質(zhì)兩大系統(tǒng)，通過(guò)這兩大系統(tǒng)在進(jìn)行污水處理時(shí)，形成生態(tài)體系達(dá)到對(duì)水進(jìn)行凈化的目的。在基質(zhì)層主要通過(guò)鋪設(shè)多層過(guò)濾物質(zhì)，在所鋪設(shè)的基質(zhì)層中按照不同的污染物成分分別設(shè)置相應(yīng)的基質(zhì)成分、配比及厚度，使相應(yīng)的基質(zhì)層能夠充分滿足所需要處理污水的基本特性，這主要基于不同的污水性質(zhì)在力學(xué)、孔隙率、滲透系數(shù)、水飽和度、顆粒間作用力等多方面都有不一樣的參數(shù)，只有基于這些參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置基質(zhì)層才能夠使相應(yīng)的污水在經(jīng)過(guò)基質(zhì)層的過(guò)程中得到良好的處理效果。因此微生態(tài)濾床技術(shù)也是與環(huán)境工程、化學(xué)工程以及力學(xué)工程共同融合與應(yīng)用的一門水污染處理技術(shù)。按照污水的基本特性所配置到基質(zhì)層不僅可以對(duì)污水中的固體物進(jìn)行過(guò)濾，還可以對(duì)過(guò)濾后的污染物進(jìn)行表面吸附和氧化作用，以此使相應(yīng)的固體污染物轉(zhuǎn)變理化性質(zhì)和生物特性，達(dá)到對(duì)污染物進(jìn)行性質(zhì)改變以及去除的目的。通常情況下我們?cè)谶M(jìn)行基質(zhì)層設(shè)置的過(guò)程中，主要分為好氧區(qū)、兼氧區(qū)、厭氧區(qū)，通過(guò)三個(gè)區(qū)的設(shè)置即使好氧微生物、厭氧微生物都能夠擁有良好的生長(zhǎng)環(huán)境。[5]好氧微生物在開展工作的過(guò)程中所需的氧氣有42%是通過(guò)漫滲得到，46%是通過(guò)折滲得到，此外該部分區(qū)域的光合作用也能夠提供12%的氧氣，而對(duì)于該區(qū)域所設(shè)置的植物大多包括黃菖蒲、散葉花、美人椒、香蒲、再力花、蘆葦?shù)?，這些植物在經(jīng)過(guò)良好培育之后使其具有發(fā)達(dá)的根系已能夠適應(yīng)較為惡劣的污水環(huán)境，然后結(jié)合基質(zhì)層的設(shè)置、結(jié)合污水性質(zhì)分別配備相應(yīng)的植物以更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化需求，通過(guò)基質(zhì)層聯(lián)合濕地植物的運(yùn)用，既能夠?qū)崿F(xiàn)水環(huán)境治理系統(tǒng)的景觀美化要求，又能夠有效開展水環(huán)境治理。[6]

2 微生態(tài)濾床技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 微生態(tài)濾床生態(tài)修復(fù)技術(shù)成本低

在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的過(guò)程中采用微生態(tài)濾床技術(shù)，相比于其他生態(tài)修復(fù)技術(shù)所投入的成本較低。例如常見的循環(huán)過(guò)濾法在進(jìn)行水環(huán)境修復(fù)的過(guò)程中都需要安裝大功率的水泵和過(guò)濾設(shè)備，這對(duì)于大面積的水環(huán)境污染治理項(xiàng)目而言，前期的投資成本較高，尤其是對(duì)于農(nóng)村面源污染項(xiàng)目而言在招商引資的過(guò)程中難度較大。而且大功率的水泵以及過(guò)濾設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中還要通過(guò)設(shè)置專人維護(hù)，在進(jìn)行水體循環(huán)時(shí)其耗電量較高，會(huì)造成電能源的消耗都過(guò)大。[7]無(wú)論是電費(fèi)成本還是對(duì)于所投入設(shè)備的維護(hù)成本以及人工管理成本，都是一筆不菲的費(fèi)用。然而采用微生態(tài)濾床技術(shù)，在進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中不需要投入機(jī)電設(shè)備，而所使用的生物填料機(jī)制大多屬于天然材質(zhì)，這些天然材質(zhì)一次性投入之后可長(zhǎng)期運(yùn)用，在使用的過(guò)程中不需要消耗資源同時(shí)也不需要投入維護(hù)成本。而對(duì)于微生態(tài)濾床技術(shù)只需要有日常的專業(yè)人員定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)檢查，定時(shí)進(jìn)行渠道和管理作物的清理，就可以保障該水環(huán)境治理系統(tǒng)的良好應(yīng)用，因此相比于其他水污染治理技術(shù)成本更低。

2.2 水體凈化效果好

微生態(tài)濾床技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中借助于物理、化學(xué)及生物多重作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化能力，而且該系統(tǒng)的凈化原理是針對(duì)水體中的污染物進(jìn)行降解，以達(dá)到對(duì)污染物進(jìn)行去除的目的，尤其是對(duì)于污水中的磷氮等相關(guān)主要富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行清除有良好的應(yīng)用效果。研究表明對(duì)于微生態(tài)濾床技術(shù)進(jìn)行污水處理后的水質(zhì)可以高于國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，而處理之后的水可以再次循環(huán)應(yīng)用，既可以作為景觀水，也可以作為綠化、廁所沖洗、街道沖洗以及生態(tài)農(nóng)業(yè)用水，能夠充分實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，而這些優(yōu)勢(shì)都是其他水污染處理系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的效果。[8]例如循環(huán)過(guò)濾法在進(jìn)行污水處理時(shí)只能針對(duì)有機(jī)物和藻類等相關(guān)物質(zhì)具有良好的處理效果，而且在進(jìn)行污水處理時(shí)需要加入化學(xué)藥劑，而這種化學(xué)藥劑又會(huì)造成水體的二次污染。再如曝氣法只能小范圍的改善水體黑臭相關(guān)現(xiàn)象，對(duì)于藻類的抑制以及水體中的富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)進(jìn)行清理并無(wú)明顯的效果。

2.3 因地制宜，靈活應(yīng)用

在進(jìn)行水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的過(guò)程中，在建設(shè)相關(guān)的水環(huán)境修復(fù)系統(tǒng)時(shí)需要充分考慮到污水所在區(qū)域的地理環(huán)境，是否有利于有效施工，是否有利于生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的建設(shè)。而微生態(tài)濾床水污染修復(fù)技術(shù)相比于其他修復(fù)系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)程中其靈活性更高，能夠因地制宜選擇相應(yīng)的場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)。[9]這主要是因?yàn)槲⑸鷳B(tài)濾床修復(fù)系統(tǒng)所占地面積較小，在進(jìn)行水體凈化的過(guò)程中此外主要采用綠色植物，而且這種綠色植物容易成活，在全國(guó)各地區(qū)都能夠得到種植與應(yīng)用。此外，該系統(tǒng)可結(jié)合污水量進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，大到區(qū)域面源污染治理項(xiàng)目、小到家庭生活污水處理、或是城市園林濕地公園水系統(tǒng)循環(huán)，都可以采用微生態(tài)濾床修復(fù)技術(shù)進(jìn)行水污染處理。

3 微生態(tài)濾床技術(shù)在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)過(guò)程中的應(yīng)用——以農(nóng)村面源污染項(xiàng)目為例

3.1 研究對(duì)象

為了更好的探索微生態(tài)濾床技術(shù)在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用效果，本項(xiàng)研究選擇農(nóng)村面源污染項(xiàng)目為例，分析微生態(tài)濾床技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目所治理的農(nóng)村項(xiàng)目所在面積大約為27 平方公里，污水來(lái)源主要來(lái)自于該地區(qū)人口的生活用水、生態(tài)養(yǎng)殖用水、農(nóng)田灌溉用水以及自然雨水。近幾年來(lái)在國(guó)家政策的指導(dǎo)下，該地方政府進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)農(nóng)村地區(qū)面源污染項(xiàng)目的建設(shè)，本農(nóng)村面源污染項(xiàng)目由2021 年1月開始建設(shè)，6 個(gè)月完成施工，并投入運(yùn)用。

3.2 微生態(tài)濾床技術(shù)應(yīng)用方法

結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的污水組成結(jié)構(gòu)以及來(lái)源在進(jìn)行微生態(tài)濾床技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，選擇處于全村海拔較低的位置，進(jìn)行微生態(tài)濾床系統(tǒng)的建設(shè)。該位置也是全村污水流出匯入干流的聚集地，因此在該位置進(jìn)行微生態(tài)濾床系統(tǒng)的建設(shè)有利于對(duì)全村污水進(jìn)行處理。在進(jìn)行微生態(tài)濾床系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要分為三個(gè)系統(tǒng)，主要包括水收集系統(tǒng)、生態(tài)濾床系統(tǒng)以及自然水體系統(tǒng)。

在水收集系統(tǒng)主要是對(duì)該村在日常生產(chǎn)生活中所產(chǎn)生的污水以及自然雨水進(jìn)行收集，通過(guò)管道進(jìn)入到水收集系統(tǒng)中，在水收集系統(tǒng)中建設(shè)有四格式水處理池，通過(guò)四格式水處理池能夠針對(duì)污水中的大顆粒固體污染物以及SS 進(jìn)行沉淀，完成污水的物理過(guò)濾。經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的水經(jīng)水處理池的第四格進(jìn)入到微生態(tài)濾床進(jìn)行水體修復(fù)。在微生態(tài)濾床環(huán)節(jié)主要包括防滲層、基質(zhì)層、植物層、微生物組成，在防滲層主要采用土工布和微生物分泌物進(jìn)行構(gòu)成，通過(guò)這種物質(zhì)的應(yīng)用可有效防止污水滲漏對(duì)地表水造成污染。而基質(zhì)層屬于透水性的材質(zhì)，有天然的礫石材料構(gòu)成，該礫石材料是進(jìn)行微生態(tài)濾床水處理的核心部分，既可以針對(duì)污水中的污染物進(jìn)行吸附，同時(shí)也可以借助于基質(zhì)層的植物以及微生物對(duì)污水中的有機(jī)污染物進(jìn)行降解、去除，同時(shí)植物層系統(tǒng)中的植物能夠?yàn)樵撓到y(tǒng)提供良好的供氧和防寒保溫作用，有效維持該濾床污水處理的穩(wěn)定性。而經(jīng)過(guò)微生態(tài)濾床處理過(guò)的水再由濾床底部排水管排出，進(jìn)入到清水池，經(jīng)清水池再進(jìn)入到自然水體，可再次用于該地區(qū)的水資源運(yùn)用。所設(shè)計(jì)的微生態(tài)濾床水處理系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 農(nóng)村面源污染項(xiàng)目水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

3.3 微生態(tài)濾床技術(shù)在水環(huán)境污染治理過(guò)程中的應(yīng)用效果

本項(xiàng)研究以農(nóng)村地區(qū)的面源污染項(xiàng)目為例，探索微生態(tài)濾床技術(shù)在水環(huán)境污染治理過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用效果。基于水污染治理的相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)，分別檢測(cè)該系統(tǒng)使用過(guò)程中進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)中的pH、SS、COD、BOD、NH3-N 以及TP，以作為水質(zhì)的主要觀察指標(biāo)，研究該微生態(tài)濾床技術(shù)在水環(huán)境污染中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.4 研究結(jié)果

通過(guò)對(duì)該面源污染項(xiàng)目應(yīng)用微生態(tài)濾床技術(shù)進(jìn)行水污染治理之后，從進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)分別進(jìn)行相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)，結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)微生態(tài)濾床技術(shù)的應(yīng)用，處理后的水BOD 含量由處理前的80mg/L 降低到了20mg/L，去除率達(dá)到了64%，處理后污水中的COD 含量由處理前的150mg/L 降低到了60mg/L，去除率達(dá)到了68%。水中SS 含量由處理前的100mg/L 降低到了處理后的20mg/L，水體pH 值由處理前的7.71降低了處理后的7.57，水中的NH3-N 含量由處理前的25mg/L 降低到了處理后的8mg/L，去除率達(dá)到了53%，此外TP 含量由處理前的2mg/L 降低到了0.24mg/L，清除率達(dá)到了88%左右。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說(shuō)明采用微生態(tài)濾床技術(shù)對(duì)該項(xiàng)目污水進(jìn)行治理之后，水系統(tǒng)中的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物及固體雜質(zhì)均得到了有效清除，展現(xiàn)出了良好的水系統(tǒng)治理效果。

3.5 微生態(tài)濾床技術(shù)應(yīng)用效果分析

水pH 值主要反映水體的酸堿度，水體過(guò)酸化或者過(guò)堿化都會(huì)對(duì)水體生物、植物以及人類飲用造成嚴(yán)重的健康影響，而本項(xiàng)研究中通過(guò)運(yùn)用微生態(tài)濾床技術(shù)使得處理后的水體pH 值為7.57，能夠有效符合植物和生物生長(zhǎng)的基本酸堿度要求，處理后的水可再次應(yīng)用于農(nóng)田灌溉，實(shí)現(xiàn)了污水的資源化應(yīng)用。而水系統(tǒng)中的有機(jī)物主要包括COD、BOD 等相關(guān)物質(zhì)，在進(jìn)行微生態(tài)濾床應(yīng)用的過(guò)程中主要借助于截流池中的填料吸附和生物降解對(duì)該類有機(jī)物進(jìn)行清除，因此以這兩項(xiàng)指標(biāo)作為有機(jī)物清除效果的觀察，可體現(xiàn)出微生態(tài)濾床技術(shù)的應(yīng)用效果。對(duì)于農(nóng)村用水而言，大多富含大量的氮、磷元素，這主要是在農(nóng)業(yè)灌溉的過(guò)程中大量使用含氮、磷肥料，導(dǎo)致水中的氮、磷元素含量增加。這種氮元素在水中以NH3-N 的形式存在，借助于微生態(tài)濾床技術(shù)中的的沼生、濕生植物，在進(jìn)行水過(guò)濾的過(guò)程中為污水提供一個(gè)耗氧、兼氧、厭氧的反應(yīng)，達(dá)到對(duì)多樣化有機(jī)污染物的脫氮作用。本項(xiàng)研究中經(jīng)過(guò)微生態(tài)濾床技術(shù)的應(yīng)用，使得水體中的含氮元素物質(zhì)去除率達(dá)到54%，充分顯示出了微生態(tài)濾床技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的微生物和植物在生物降解方面的作用。TP 主要是反應(yīng)水中的磷元素含量，而通過(guò)微生態(tài)濾床技術(shù)的應(yīng)用使得TP 的清除率達(dá)到了88%，結(jié)合相關(guān)研究顯示，這一清除效果將顯著高于立體彈性填料濾床以及陶粒濾床，分析其原因主要是通過(guò)微生態(tài)濾床中的填料進(jìn)行污水過(guò)濾吸附，同時(shí)發(fā)揮微生物分解和植物光合反應(yīng)等相關(guān)作用共同清除了水中的磷元素含量，相比于其他水生態(tài)修復(fù)技術(shù)在磷元素去除方面擁有更良好的效果。[10]

結(jié)語(yǔ)

微生態(tài)濾床技術(shù)作為水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的一種方法，相比于其他的修復(fù)技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中成本低、水體凈化效果好以及因地制宜能靈活應(yīng)用等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，本文選擇農(nóng)村面源污染水系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目為例，探索了微生態(tài)濾床技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，實(shí)際效果顯示微生態(tài)濾床技術(shù)在多項(xiàng)水體污染物清除方面具有良好的應(yīng)用效果，這為我們進(jìn)行水環(huán)境的生態(tài)修復(fù)提供了理論指導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)借鑒，在未來(lái)發(fā)展的過(guò)程中將針對(duì)微生態(tài)濾床技術(shù)進(jìn)行深入研究與應(yīng)用，使其更好的為環(huán)境凈化作出貢獻(xiàn)。