受污染水体的生物修复技术研究进展

受污染水体的生物修复技术研究进展

白雪娟

（天津开发区职业技术学院生物技术及应用系　天津　300457）

摘要：随着全球范围内水体污染的加剧，近年来水体修复技术不断取得新的进展。受污染水体的生物修复技术，是近年来在国内外研究开发的重点技术，许多国家已经用于工程实践，根据国内外有关水体生物修复的文献，对该技术的最新进展作了综述，并提出水体修复技术的研究方向。

关键词：污染；水体；生物修复

我国江河湖库等水体的污染状况非常严重。水体的水质污染主要表现在两个方面，一是有机污染物的超标污染，如有机污染物过多、溶解氧不足，厌氧分解产生的臭气和黑液造成的水体黑臭污染等；二是富营养化污染，水中N、P含量较多，造成藻类异常繁殖形成水华。对受污染的江河湖库水体进行修复，已经成为社会经济发展及生态环境建设的迫切需要，特别是南水北调沿线的治污工程，量大面广，寻找先进实用、造价低廉的技术迫在眉睫^[1]。由于生物修复技术治理污染不仅费用低，而且效果好、没有或很少有二次污染，因此生物修复技术在污染水体治理中有着广泛的应用前景，并将发挥很大的作用。

1　生物修复技术概述

1.1　生物修复技术的概念及特点

生物修复，是指生物、特别是微生物催化降解有机污染物，从而去除或消除环境污染的一个受控的或自发的过程^[2]。而生物修复技术即利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解，从而使水体得到净化的技术。

近年来，水体生物修复技术的开发已成为当前水环境技术研究的热点。与传统的化学、物理处理方法相比，生物修复技术具有以下优点： （1）污染物在原地被降解； （2）修复时间较短； （3）就地处理操作简便，对周围环境干扰少； （4）较少的修复经费，仅为传统化学、物理修复费用的30%～50%； （5）人类直接暴露在这些污染物下的机会减少； （6）不产生二次污染，遗留问题少。

1.2　生物修复技术的分类

目前，生物修复技术被划分原位微生物修复和异位生物修复两种。所谓原位微生物修复是指对受污染的介（输送而在原位污染地进行的生物修复处理，其修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件。异位生物修复是将被污染介质搬动或输送到他处进行生物修复处理。但这里的搬动和输送是有底限的，而且更强调人为控制和创造更加优化的降解环境。在处理位置上，前者强调污染物存在的初始空间分布，后者则稍做迁移；处理过程中，后者有更多的人为调控和优化处理。目前常讨论的生物修复主要是原位修复。

1.3　生物修复技术的作用原理

在生物修复过程中，微生物特别是氮循环细菌在水体自净能力中具有不可忽视的作用。有机物的矿化分解，氮素的气化，磷盐的沉降和固定在湖底等都与细菌的作用分不开。自然界的水生植物附近共生有多种远比自由水体中丰富的细菌群落。飘浮植物容易种植，采用耐污性强，生长快的飘浮植物作为先锋植物，不仅有植物直接吸收营养盐的作用，而且更重要的是有与其共生的细菌的作用，可以很快增加水的透明度，改善水质。飘浮植物作为细菌的载体极为重要。但飘浮植物受气候条件影响，在有些季节难以发挥作用。因此研制人工载体和优选高效细菌种群极为重要。利用优化的人工载体培养优化的氮循环细菌，释放到自然水体，以自然生物载体、其他人工载体和底泥为二级载体，水中悬浮物为三级载体，将原来荒漠化水域中以水土界面为主的好氧—厌氧、硝化—反硝化条件扩大到水面和水体并加强细菌浓度，从而增加系统净化能力。

2　水体生物修复的主要处理方法

水体修复技术包括以微生物为处理功能核心的生物处理技术、具有复合生态系统的生态塘处理技术、以植物和微生物为主要处理功能体的湿地处理技术、土壤处理技术和河湖等自然净化能力的处理等。

2.1　生物处理技术

生物处理技术包括好氧处理、厌氧处理、厌氧—好氧组合处理。其主要原理是人工驯化、培养适合于降解某种污染物的微生物，通过控制微生物生长的环境以稳定和加速污染物的降解。由于生物处理技术起步较早，现在已有很多成熟的工艺，比如SBR、UASB、氧化沟等。下面重点介绍常用的生物膜法处理技术。

生物膜法是指用天然材料（如卵石） 、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。其反应过程是： （1）基质向生物膜表面扩散； （2）在生物膜内部扩散； （3）微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应； （4）代谢生成物排出生物膜。生物膜法具有较高的处理效率，它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。日本、韩国等都有对江河大水体修复的工程实例。

2.2　生态塘处理法

生态塘是以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生作物，进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统。在太阳能（日光辐射提供能量）的推动下，通过生态塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水中的有机污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且以水生作物、水产的形式作为资源回收，净化的污水也作为再生水资源予以回收再用，使污水处理与利用结合起来，实现了污水处理资源化^[3]。污水进入生态塘系统中，其中的有机污染物不仅被细菌和真菌降解净化，而其降解的最终产物无机化合物作为碳源、氮源和磷源，以太阳能为初始能源，也参与食物网中的新陈代谢过程，并从低营养级到高营养级逐级迁移转化，最后转变成水生作物、鱼、虾、蚌、鹅、鸭等产物，从而获得可观的经济效益。

2.3　人工湿地处理技术

人工湿地是近年来迅速发展的水体生物修复技术，可处理多种工业废水，包括化工、石油化工、纸浆、纺织印染、重金属冶炼等各类废水，后又推广应用为雨水处理^[4]。这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等） ，形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。

由于这种处理系统的出水质量好，适合于处理饮用水源，或结合景观设计，种植观赏植物改善风景区的水质状况。其造价及运行费远低于常规处理技术。英、美、日、韩等国都已建成一批规模不等的人工湿地。

2.4　土地处理技术

土地处理技术是一种古老、但行之有效的水处理技术^[5]。它是以土地为处理设施，利用土壤—植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化的目的。土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理和地下渗滤生态处理等几种形式。国外的实践经验表明，土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。德、法、荷等国均有成功的经验。

3　具体工艺的应用

目前国内外有很多水体修复的成功工程。例如日本渡良濑蓄水池的人工湿地，这是一座设有人工设施的芦苇荡，将蓄水池的水引到芦苇荡，通过吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，达到对水体进行自然净化的目的。这种净化过程循环进行，确保蓄水池水质洁净。渡良濑人工湿地的人工植被从陆地到水面依次为：杞柳（水边林）—芦苇、荻、蓑衣草（湿地植物） —茭白、宽叶香蒲（吸水植物） —荇菜、菱（浮叶植物） ，形成了一体的生态空间。渡良濑人工湿地已经成为日本最大的芦苇荡，也成为对居民、儿童进行环保及爱水教育的场所，组织学生进行自然观察。再如韩国良才川水质净化设施主体是设于河流一侧的地下生物-生态净化装置。采用卵石接触氧化法，即强化自然状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象，利用微生物的活动将污染物转化为二氧化碳和水，净化设施日处理能力为3.2万吨/日。污水在该设施内被净化产生的主要作用是：接触沉淀作用、吸附作用和氧化分解作用。这种净化装置的重要优点是几乎不耗能，所以运行成本很低。该修复设施建成运行后，治污效果显著，对污水中BOD和SS的处理率达70%～75%^[6]。

在我国也有很多水体生态修复的研究和工程实例。例如李正魁^[7]研究了固定化氮循环细菌技术（INCB）在贵阳红枫湖物理生态工程（PEEN）实验区的除氮、抑菌效果，结果表明，应用PEEN-INCB技术使红枫湖试验区总氮、非离子氨和亚硝酸盐氮分别平均降低0.568mg/L，0.015mg/L和0.019mg/L。生态工程后排入红枫湖的非离子氨均<0.02mg/L、NO₂-N≤0.1mg/L，16个月内无一次超标，而工程前的超标率达39%。与其他湖区相比，PEEN-INCB治理工程区域各主要指标下降4%～40%。我国学者徐向阳对含酚地表水的生物修复进行了研究^[8]，结果表明，分离的菌株能够以苯酚为唯一的碳源和能源。在充氧或不充氧的条件下，可将地表水中酚类的浓度从小于0.5mg/L降低到0.002mg/L以下。徐亚同等^[9]人对上海上澳塘水体进行了生物修复性试验（试验规模为3600～5000m³/d） ，结果表明，生物修复可以消除水体黑臭，可将水中的B_OD₅从20mg/L降低到3mg/L，CODcr从60～70mg/L降低到30mg/L，溶解氧含量从进水的0.5mg/L左右到出水时的7.8mg/L，透明度由进水时的十几厘米到出水时的40厘米左右。

4　水体生物修复技术的研究方向

生物修复技术作为水体修复的主体技术，自诞生以来受到了专家学者的广泛关注，已在受污染土壤、地下水、地表水、海洋中多次成功地加以应用。净化污染物、促进生态系统向良性方向演替的功能，使得生物修复技术在受污染水域中有良好的应用前景。

在修复实践中，需要以微生物修复为主综合运用几种修复手段方可达到修复目的。今后在水体修复技术的研究与应用方面需强调以下几点： 1）积极开发以生物膜净水工艺为主的原位修复技术，探索将投菌法与生物膜法耦合使用的可行性； 2）将物理化学方法与微生物修复技术联用，或者微生物修复联合生态修复技术； 3）投菌法与投加营养物（盐）、生物激活剂、表面活性剂结合使用的生物联用修复技术的开发； 4）投加表面活性剂或生物激活剂与生物膜修复技术结合使用； 5）水利技术与微生物技术联用等。总之，以生物修复为主体的组合技术将是水体修复技术研究与应用的方向。

参考文献：

[1]董哲仁，刘倩，曾向辉.受污染水体的生物-生态修复技术[J].水利水电技术，2002，33 （2） :1～4

[2]张锡辉.水环境修复工程学原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2002

[3]王宝贞.生态塘—简易高效的污水处理技术设计应用.城市环境与城市生态，1998，6

[4]杜中典.污水人工湿地系统中有机物积累规律与堵塞机制的研究进展[J].农业环境保护，2002，21

（5） :474～476

[5]国家环境保护局科技标准司，城市污水土地处理技术指南[M].北京:中国环境科学出版社，1997

[6]水利部综合事业局.第十七届中日水资源交流会及日韩考察报告[M].2002.12.10

[7]李正魁，濮培民.秋冬季环境下固定化氮循环细菌净化湖泊水体氮污染动态模拟[J].湖泊科学，2000，12（4） :321～326

[8]徐向阳，俞秀娥，郑平，等.受污染地表水生物修复技术的基础研究[J].浙江大学学报，1999，25 （4） : 409～413

[9]徐亚同，史家梁，张明.生物修复技术的作用机理和应用[J].上海化工，2001，20:4～6