復合生物膜微生物修復河道水環(huán)境技術

趙俊昌，宋國晗，王子諾，杜仲泓，霍祥志

（中國煤炭地質總局水文地質局，河北邯鄲 056000）

0 引言

近年來，國內對于水生態(tài)環(huán)境治理技術有了很大的提升，對于河道治理一般采用的措施和處理技術有：河道內人工“疏浚、清淤”、河道曝氣生態(tài)凈化法［1-2］、污水穩(wěn)定床處理技術、底泥生物氧化技術、多功能河道生態(tài)工程修復技術［3］、異位處理技術和原位選擇性激活生態(tài)修復技術等。根據污染水體情況、水量大小、污染物濃度高低等情況的不同選用的處理方法和技術也不同。如黑臭水體可選用底泥生物氧化技術，此技術特點是無需人工清淤，凈化效果好，運行成本高、見效周期長等特點；再如要求景觀與凈化功能并存的城市河道可選用多功能河道生態(tài)工程修復技術，此技術特點是長效治理、建立穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)、景觀和凈化功能并存，投資成本和建設費用較高的特點［4］。因此，根據地理環(huán)境、位置、水體污染情況，當地政府對水生態(tài)環(huán)境治理要求和當地財政情況等的不同選擇治理思路和水體修復技術也有差異。盡管水體修復技術種類較多，最終要達到長效穩(wěn)定的目的。從根源上控源截污，選擇生態(tài)修復技術，才能真正意義達到水體自凈，建立良好的水生態(tài)環(huán)境。

本文根據山西省陽泉市郊區(qū)溫河水體污染情況，以治理水質提升工程為例，研究其低成本高效的修復河道生態(tài)環(huán)境治理技術。

1 溫河污染現(xiàn)狀

溫河發(fā)源于盂縣南婁鎮(zhèn)的方山東麓，郊區(qū)境內起點為河底鎮(zhèn)東村林場，終點為蔭營鎮(zhèn)辛莊村，主干流全長20.09km，流域面積272km2，燕龕河、山底河、葦泊河、白巖河、三郊河、小花溝等，山底河、蔭營河、葦泊河均是溫河的一級支流［5］（圖1）。自溫河灌區(qū)至辛莊斷面在辛莊廟東跨界斷面水質呈現(xiàn)透明或沉淀后透明，無色至淺黃色，無味。溫河水體污染源主要為上游山底河匯入，同時沿岸有零散生活污水、生活垃圾入河現(xiàn)象以及沿岸農業(yè)面源污染。

圖1 溫河流域水系Figure 1 Wen River basin hydrology

山底河流域有大量煤礦，多年來煤礦的無序開采，使得個別煤礦高礦化度礦井水不經過處理就直接排放，對當地地下水造成了一定程度的污染。當地地下水用于地區(qū)的工業(yè)生產。地下水的大量開采，造成地下水資源的短缺［6］。煤礦、洗煤廠產生的廢水直接排入山底河，煤矸石無序堆放，直接導致治理河段的水體受到嚴重污染，水環(huán)境質量為Ⅴ類、劣Ⅴ類，并造成河道內及兩岸岸坡、農田遭受污染破壞，岸坡、農田的水質變黃、變紅，并且因Fe2+對水體中的氧消耗，造成魚類、浮游生物、藻類等死亡，加之沿河村莊居民將生活污水、旱廁、養(yǎng)殖廢水（液）、甚至生活垃圾等污染物直排入河現(xiàn)象嚴重，使河水中氨氮、COD 等有機污染物指標也存在不同程度的超標，溫河流呈現(xiàn)出多重污染的特征。嚴重影響沿線老百姓的正常生活。

2020 年1 月1 日至6 月30 日陽泉市生態(tài)環(huán)境局郊區(qū)分局在辛莊溫河跨界斷面的監(jiān)測站在線監(jiān)測數據［7］（圖2）顯示，溫河在郊區(qū)界主要污染物是總氮、氨氮。尤其為枯水季含量較高。

圖2 溫河氨氮、總氮及流量變化曲線Figure 2 Ammonia nitrogen，total nitrogen，and flow variation curves of the Wen River

2 治理技術研究

短期內采取快速有效的措施，如截污納管、生態(tài)穩(wěn)定塘、老窯水治理、河底清淤、河堤維護、生物修復等，明顯改善地表水中的COD、氨氮、懸浮物等主要指標，實現(xiàn)出境跨界斷面水質退出劣Ⅴ類的目標。治理效果要實現(xiàn)出水總磷、總氮、氨氮、化學需氧量（COD）等主要水質指標達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準，同時滿足《山西省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》（DB14）辛莊段Ⅳ類標準。即COD≤30mg/L，總磷≤0.3mg/L，總氮≤1.5mg/L，氨氮≤1.5mg/L。

根據流域水環(huán)境現(xiàn)狀采用傍河治理思路進行治理。選擇適合于溫河水質提升的治理方案，采用水生態(tài)復合生物膜微生物技術，即“高效生態(tài)浮島+復合曝氣生物膜修復”多方位立體式水生態(tài)凈化技術和新型綠色修復技術。以復合生物膜微生物治理為核心，同時輔助生態(tài)浮島、曝氣復氧等組合進行水質提升。在傍河修建擋水堰、凈化塘。凈化塘內底部采用新型復合MABR 曝氣生物膜進行曝氣復氧，提升河水中的溶解氧，中部采用生物膜，利用微生物降解有機污染物，頂層水面敷設生態(tài)浮島栽種挺水水生植物吸附金屬離子。

2.1 生物膜微生物技術

生物膜微生物技術是在水體中安裝、懸掛載體，使菌群在載體上繁殖生長形成微生物屏障，利用形成的生物屏障吸附、消化、降解水體中的有機物和污染物。

在微生物的培養(yǎng)方面，在凈化塘中就地激活、大量繁殖土著微生物和菌種。土著微生物以水體中的有機物及污染物為養(yǎng)分，并在載體上進行繁殖形成微生物屏障，水體通過載體上形成的生物膜，分解、消化、降解有機物和污染物。由于微生物的不斷繁殖增長，生物膜的厚度不斷增加，當膜厚度增加到一定程度后，氧氣不能透入到膜內側深部，內部呈厭氧狀態(tài)，形成厭氧層。微生物在好氧層新陳代謝產生的H2O 通過附著水層進入流動水層，產生的CO2和厭氧層生成的H2S、NH3以及CH4等氣態(tài)代謝產物從水層逸出進入大氣中［8］。厭氧層在達到一定厚度后，產生的氣態(tài)代謝增多，當氣態(tài)代謝通過好氧層，破壞好氧層生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，失去兩種膜層之間的平衡關系，減弱了生物膜在惰性載體上的固著力，此時的生物膜即為老化生物膜，老化生物膜功能性差容易脫落后生成新的生物膜［9］。如此循環(huán)，達到水體凈化的目的。

本工程生物膜載體選用性能良好的纖維有機類生物填料，規(guī)格型號為60mm×700mm。懸掛在SS304 不銹鋼膜架上，懸掛間距為120～150mm，形成一個膜組件固定在池底。每組膜組件懸掛生物填料2.4m3，凈化塘內膜組件共有144 組。依池體兩列并排為一個小單元布置，共計12個小單元。每個小單元間距為4m。此布局考慮分段運行，在正常運行條件下，每段繁衍與進入本段水質相適應的微生物，形成優(yōu)勢菌屬，有利于微生物新陳代謝功能的充分發(fā)揮和有機污染物的降解。

2.2 新型復合MABR曝氣生物膜復氧技術

新型復合MABR 曝氣生物膜復氧技術是一種通過微米級復合材料將空氣切割成細微氣泡技術和附著生物降解技術相結合的新型水凈化技術。微生物菌群附著在曝氣生物膜外側表面，空氣通過曝氣生物膜為生物菌群供氧形成微生物膜，水中氨氮和有機物被微生物膜近距離吸收和分解，最終水質得到凈化?？焖俑咝г鲅?、凈化，增強水體生態(tài)系修復能力，實現(xiàn)生態(tài)修復。

在本工程中復合MABR 曝氣生物膜主要作用是曝氣復氧，平鋪于生物膜架（SS304 不銹鋼）底部。由于復合MABR 曝氣生物膜材質為改性高分子復合材料，屬中空絲線狀，規(guī)格為210mm×2.0m（每簾膜面積為5m2）。2023 年3 月初開始安裝，安裝于凈化塘生物膜架底部，每組膜架底下并聯(lián)連接5 簾MABR 膜，共720 簾。相對于傳統(tǒng)的曝氣增氧技術，曝氣膜曝氣技術具有效率高、見效快、易維護、低能耗等特點。

由于MABR 曝氣膜膜孔直徑0.05～0.1μm，而傳統(tǒng)曝氣膜直徑在0.5～2mm。通過壓力將空氣輸入管道，經曝氣膜將空氣切割成微小氣泡分散在水中，微小氣泡在上升過程中，空氣中的氧氣逐漸溶于水中，經過水流擾動，實現(xiàn)復氧。曝氣膜曝氣孔越小，氣泡切割越小，氣泡越分散，氧氣的傳遞效率越高，水中溶解氧就越高。對于曝氣設備能耗就越小。MABR曝氣膜的優(yōu)勢在于曝氣孔小，氧氣利用率高，能耗相對小。對于生態(tài)修復治理更有利（圖3、圖4）。

圖3 復合MABR曝氣生物膜示意Figure 3 Schematic of composite MABR aeration biofilm

圖4 生物膜分層結構Figure 4 Biofilm stratification structure

2.3 高效生態(tài)浮島技術

高效生態(tài)浮島技術是利用無土栽培種植的挺水植物，利用人工生物浮床形成人工植物浮床，通過挺水植物發(fā)達的根系，吸附和吸收水中污染物作為挺水植物的營養(yǎng)物質，達到凈化水質的效果。水面挺水植物和水中復合生物膜上的微生物屏障互相作用，形成立體處理效果，提高處理效率。

生態(tài)浮島選用經過馴化的水草，具有很強的吸收水中有機污染物的功能，植入自制的漂浮載體栽培槽中，使植物生長在類似于無土栽培的環(huán)境中，根系自然伸長，懸浮于水中，吸附水體中的污染物、氮、磷等有機污染物，為魚類、蝦以及水體中微生物的生存和附著提供了條件，同時也為水草、蝦并釋放化合物，對藻類生長有抑制作用。在植物、動物、昆蟲和微生物的共同作用下，可以凈化水質，修復和重建水生態(tài)系統(tǒng)［10］（圖5）。

圖5 高效生態(tài)浮島示意Figure 5 Concept of high-efficiency ecological floating island

本工程選用適合山西地區(qū)的西伯利亞鳶尾作為高效生態(tài)浮島水生植物，栽培方式為植入漂浮浮板栽培槽中置于凈化塘水面之上，浮板連接呈間隔性布置，共12 排，平均每排面積為90m2，總面積為1 080m2，水生植物栽培數量為9 720 杯（9 杯/m2，每杯2～3株）。

西伯利亞鳶尾屬鳶尾科多年生草本植物，耐寒又耐熱，在淺水、濕地、林蔭、旱地或盆栽均能生長良好，而且抗病性強，尤其抗根腐?。?1］。

2.4 塘內設計

對于生物膜、高效生態(tài)浮島和復合曝氣生物膜的安裝并不是滿塘敷設，應符合微生物降解規(guī)律的原則鋪設和安裝［12-13］。即遵循微生物的消化與反硝化作用進行設置。在凈化塘內共分成12 組串聯(lián)安裝，每組又分為曝氣區(qū)和厭氧區(qū)，曝氣區(qū)占2/3，曝氣區(qū)底部安裝和新型復合MABR 曝氣生物膜，中部安裝生物膜載體，水體在曝氣區(qū)進行硝化作用；厭氧區(qū)占1/3，水體上部安裝高效生態(tài)浮島，微生物通過水生植物根系進行反硝化作用。此多級排列安裝是為了更加有效的去除和降解水體中的有機物和污染物（圖6、圖7）。

圖6 凈化塘管線及設備安裝剖面Figure 6 Section diagram of purification pond pipeline and equipment installation

圖7 復合MABR曝氣生物膜安裝Figure 7 Installation of composite MABR aeration biofilm

復合曝氣生物膜長久運行后也存在被泥沙和生物膜堵塞的風險，為避免被堵塞，安裝有復合曝氣生物膜的反沖洗系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)（圖8），反沖洗和清洗系統(tǒng)可不定期運行，每次開啟只需低于30min可完成反沖洗和清洗。

圖8 反沖洗和清洗系統(tǒng)Figure 8 Backwash and cleaning system

為了防止泥沙進入塘體沉積塘底堵塞曝氣生物膜，在塘底鋪設空氣沖洗管道，定期對塘體沖洗從排沙口排除泥沙。所有操作可實現(xiàn)PLC 自動化控制。

3 處理效果

2023 年3 月開始對凈化塘內微生物菌種2 個月的培養(yǎng)，并連續(xù)6 個月在本工程擋水堰進水口處采取原水水樣，在凈化塘出水口處采取出水水樣進行檢測對比。原水與出水每次取5 組水樣，檢測值去異常值取平均值（圖9）。

圖9 溫河凈化塘進出水氨氮、總氮濃度變化曲線Figure 9 Wen River purification pond inflow and outflow ammonia nitrogen，total nitrogen concentration variation curves

從圖9 監(jiān)測數據看，主要污染物氨氮和總氮都已達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準。

4 技術優(yōu)勢分析

山西省陽泉市郊區(qū)溫河治理水質提升工程建成后，無需專人值守，電氣設備少，無需加入水處理藥劑，運行成本低，運行可靠，出水穩(wěn)定，通過網絡技術可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作等。綜合運行費用及維護費用，運行成本為0.12 元/m3，維護主要包括清沙清淤，對水生植物的收割清理，日常的設施維護等，費用為24 000 元/a。水生植物的收割和回收還可以產生一定的經濟效益，同時也可成為附近居民休閑、健身娛樂的好去處。綜上所述，復合生物膜微生物修復河道水環(huán)境技術優(yōu)勢明顯，值得推廣。

5 結論

為了保證水環(huán)境質量要求，通過采用“高效生態(tài)浮島+復合曝氣生物膜修復”多方位立體式水生態(tài)凈化技術和新型綠色修復技術實現(xiàn)了對溫河的水質提升。利用微生物修復技術去除水體中的污染物，保證水體得到有效的凈化。此技術處理效果顯著，無二次污染，對水生植物的收割能夠產生一定的經濟效益，實現(xiàn)了水生態(tài)平衡，達到水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)修復和治理的目的。